學生課堂自主體驗活動在物理教學中的應用
——以“分子阿伏加德羅常數(shù)”一課為例

李沐東

(上海市楊浦區(qū)教師進修學院 上海 200092)

學生課堂自主體驗活動在物理教學中的應用
——以“分子阿伏加德羅常數(shù)”一課為例

李沐東

(上海市楊浦區(qū)教師進修學院 上海 200092)

1 教學背景

教學內(nèi)容：上?？茖W技術出版社出版的《物理》高中一年級第二學期第六章“氣體和氣體定律A分子 阿伏加德羅常數(shù)”.

本節(jié)主要包含兩部分內(nèi)容：分子動理論、分子速率的統(tǒng)計規(guī)律.具體包含分子概念的引入、分子直徑的測量實驗、阿伏加德羅常數(shù)、分子熱運動、分子間作用力、分子速率的統(tǒng)計規(guī)律等.

課時劃分如下：第一課時包含分子概念的引入、分子直徑的測量實驗、阿伏加德羅常數(shù)；第二課時包含分子熱運動、分子間作用力、分子速率的統(tǒng)計規(guī)律.本案例主要討論第二課時的教學.

對本節(jié)課進行教學設計，安排的教學內(nèi)容如圖1所示.

圖1 教學內(nèi)容安排

相比較教材，教學設計增加了“物態(tài)的微觀解釋”，是為了使學生更好地理解分子動理論的內(nèi)容，通過分子動理論的實際應用，體現(xiàn)其蘊含的思維方法和理論價值.

本課時要落實的重點是“分子動理論”中的分子熱運動、分子間作用力；要突破的難點是“分子速率統(tǒng)計規(guī)律”.這是因為，“分子動理論”是熱學的重要內(nèi)容，起到基本公理的作用，后續(xù)氣體參量的學習和解釋都需要用到它.雖然學生在初中已經(jīng)初步學習過分子動理論的內(nèi)容，但這部分內(nèi)容較為抽象，對學生的想象能力有較高的要求，對學生的理解提出挑戰(zhàn).并且統(tǒng)計方法是學生在物理學科首次認識的一種新的研究方法，會成為學習的一個難點.

大量的教學實踐證明，若僅是教師講解，學生對本節(jié)課的學習內(nèi)容很難理解，記憶得也不深刻.那么如何解決這個問題，達到良好的教學效果呢？

問題的關鍵在于學生若僅是被動接受，從抽象到抽象，缺乏認知基礎，缺乏直觀體驗，無法在頭腦中有效地建構起正確的物理模型，從而無法理解和掌握所學的知識.因此，本課教學設計時，強調(diào)以“觀察、實驗”為基礎，以“假設、推理”為紐帶，以“活動、體驗”為策略，應用“學生課堂自主體驗活動”來增強學生的主動參與、直觀體驗.

所謂的“學生課堂自主體驗活動”是指課堂上，根據(jù)教學目標與內(nèi)容、學生的認知規(guī)律與心理特點而設置的學習活動，學生可以動手、動口、動腦，調(diào)動多感官親身參與其中，從而加強體驗，促進知識建構.

應用該活動是為了貫徹課程理念，遵循學科特點、學生的認知規(guī)律和心理特點，在教學中提供豐富的物理表象，把抽象的東西形象化，把一般的東西具體化；同時學生由被動接受變?yōu)橹鲃訁⑴c，從而激發(fā)學生的學習熱情和學習興趣，促使學生意義建構.

根據(jù)教學內(nèi)容，本節(jié)課具體安排了以下4個體驗活動：

(1)繪畫布朗運動微觀解釋圖；

(2)表演3種物態(tài)分子的狀態(tài)；

(3)揭示統(tǒng)計規(guī)律的體驗活動(擲硬幣、伽耳頓板)；

(4)繪制分子速率分布直方圖.

教學實踐下來，這4個活動將本來抽象的物理知識，變得形象直觀，觸手可及，很好地促進了學生的知識構建，從而落實重點、突破難點，達成教學目標與任務.

2 教學過程

下面通過具體的教學過程，展示和說明這4個活動是如何應用的.

2.1 繪畫布朗運動微觀解釋圖

演示實驗：觀察布朗運動

在載玻片上滴少量的顏料懸濁液，蓋上蓋玻片，制成臨時裝片.放在顯微鏡下用高倍鏡觀察，用顯微攝像頭，將觀察到的景象投到電腦上.

師：有沒有看到有東西在運動？

生：看到了.

師：這就是布朗運動，大家先仔細觀察一下，一會兒請同學說說你觀察到了什么現(xiàn)象？有什么疑問？

學生觀察，并回答問題.基本上學生會有以下觀察及問題：

(1)許多小黑點(顆粒)在動.它們是什么？為什么會動？

(2)小的顆粒運動得劇烈.為什么？

(3)有的顆粒不動.為什么？

(4)顆粒的運動情況相似又不盡相同.它們做什么運動？

師：這些小黑點是什么有沒有同學可以嘗試回答？

生甲：液體分子.

師：有不同意見嗎？

生乙：這些黑點應該是顏料顆粒.

師：你判斷的依據(jù)是什么？

生：光學顯微鏡的放大倍率不可能使我們直接看到分子的.

師：非常好.黑點的確是顏料顆粒，我們看到的運動是顏料顆粒的運動，而不是液體分子的運動.對于其他問題，人類經(jīng)過了近一個世紀的探索才最終找到答案.今天我們不可能一一經(jīng)歷和重復前人的工作，不過我們可以閱讀前人的成果，通過自己的努力找到答案.請打開書本第67頁，并閱讀“歷史回眸——布朗運動”部分，尋找答案，并完成工作單上第一個任務——把你找到的解釋用簡圖描繪一下.

學生活動：閱讀教材，找出顆粒運動的原因；繪制顆粒運動的微觀解釋圖.

部分學生的作品如圖2所示.

圖2 部分學生繪制的作品

交流展示：教師展示學生的典型作品，并進行分析.

師：你所繪制的圖中，各個符號分別代表什么？

生丙：……

師：根據(jù)你所畫的圖，如何解釋小顆粒會動？

生丙：周圍液體分子撞擊小顆粒，但撞擊不平衡.哪邊力量大，顆粒就會反方向運動.

師：為什么大的顆粒沒有小的動得劇烈？

生丙：因為大顆粒質量大，慣性也就大.

師：為什么顆粒再大就不動了呢?

生丙：質量更大，撞不動了.

師：但如果所有液體分子往一個方向撞擊的話，一定的時間后運動也會顯現(xiàn)出來的呀.

生丙：……

生乙：顆粒大，表面積就大，各個方向撞擊的幾率就近似相等了，顆粒受到的合力為零，所以不動.

師：解釋得非常好.現(xiàn)在就剩下這個問題了，這些顆粒做什么運動呢？

……

總結：布朗運動.

定義：懸浮在液體或氣體中的固體小顆粒雜亂無章的運動叫布朗運動.

產(chǎn)生原因：懸浮在液體中的小顆粒受到液體各個方向液體分子撞擊作用不平衡造成的.

意義：間接反映了“組成物質的分子在做永不停息的無規(guī)則運動”.

2．2 表演3種物態(tài)分子的狀態(tài)

在學習了完整分子動理論后，通過對宏觀物態(tài)現(xiàn)象的微觀解釋，體現(xiàn)它的應用.

師：熱運動和分子間的相互作用力構成了一對矛盾，分子間的相互作用力要使分子形成一系列規(guī)則排列(稱為有序結構)，另一方面，熱運動又要破壞這種有序結構，正是這樣相互對立矛盾的辯證統(tǒng)一形成各種各樣的物質形態(tài).對于同一種物質，有如下3種表現(xiàn)形態(tài)：

(1)較低溫度下，無規(guī)則運動不夠劇烈，分子在相互作用力的影響下被束縛在各自的平衡位置附近做微小的振動，這時表現(xiàn)為固體.

(2)當溫度升高，無規(guī)則運動劇烈到某一限度時，分子作用力已不能束縛分子在平衡位置做微小振動，但也不能使分子遠離，這樣表現(xiàn)為液態(tài).

(3)當溫度再高時，無規(guī)則運動更加強烈，分子間也不能再維持一定距離，從而分子互相分散遠離，分子的運動近似自由，這樣表現(xiàn)為氣態(tài).

這3種狀態(tài)可以相互轉化.不知大家對物態(tài)微觀解釋是否已經(jīng)有了清晰、正確的認識，下面請幾位同學表演一下3種物態(tài)下分子的運動狀態(tài).

學生活動：分子運動狀態(tài)的表演.

讓6名左右的學生，到講臺前一個指定的區(qū)域，分別表演固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)時分子的運動狀態(tài)，如圖3所示.

圖3 學生表演時的情景

其他學生可以作為觀眾評委，如果表演正確給他們掌聲鼓勵，如果有問題要及時指出.課堂氣氛頓時活躍.這個活動把抽象的東西形象化了.

2.3 揭示統(tǒng)計規(guī)律的體驗活動

課前活動：擲硬幣.

每位學生扔100次硬幣，記錄正面向上的次數(shù)，來說明統(tǒng)計規(guī)律性，同時對我們熟知的事情也進行一次實證.由于這項活動耗時較長，所以作為課前活動.在課上進行統(tǒng)計匯總，表1是學生活動的記錄.

表1 學生擲硬幣結果的匯總表

學生活動：我丟你猜.

用3D打印機打印小型的伽耳頓板，一名學生一次丟一個小球，在丟之前另一名學生猜測小球會落到哪個狹槽，如圖4所示.通過活動發(fā)現(xiàn)任一個小球的下落是隨機的.在學生活動之后，教師利用大的伽耳頓板進行演示，經(jīng)過多次實驗后發(fā)現(xiàn)每次小球的分布形狀都是相同的，從而說明大量的小球下落后的統(tǒng)計規(guī)律性.

圖4 學生在進行“我丟你猜”的活動

2.4 繪制分子速率分布直方圖

師：通過上面兩個活動，我們知道大量偶然事件蘊含著必然規(guī)律.物體內(nèi)部分子的運動是無規(guī)則，可以想象必定有快有慢，分子數(shù)量又是巨大的，分子的速率是不是也存在著統(tǒng)計規(guī)律呢？回答是肯定的，那么分子速率的統(tǒng)計規(guī)律是怎樣的呢？

師：表2是0 ℃時氧氣分子速率的分布情況，把這些數(shù)據(jù)繪制成為直方圖,并將每個直方圖的頂部中點用光滑的曲線連接起來.

表2 在0 ℃時氧氣分子速率的分布情況

學生活動：繪制在0 ℃時氧氣分子速率分布的直方圖(圖5).

圖5 學生在繪制直方圖

交流展示：教師展示學生繪制的圖像，如圖6所示.

圖6 學生繪制的作品

師：通過大家的工作，我發(fā)現(xiàn)，分子速率分布呈現(xiàn)圖7所示的一個曲線，某一速度附近，分子數(shù)量最多，而速度變快或變慢，分子的數(shù)量都減小.

圖7 分子速率分布圖

3 結束語

這4個活動的應用豐富了表象，突破了教學難點，取得了較好的效果.

其中第1和第2個活動，形象、生動，加深了學生對微觀世界的認知.抽象的知識雖然通過學生閱讀、教師講解等教學活動進行了教學，但是學生在頭腦中到底建構得如何？有必要將它以一定的形式反映出來，這兩個活動就起到這樣的作用.同時，活動還將抽象的知識形象化，促進了學生的認知.對于認知有偏差的學生，是一次修正的機會，對認知有困難的學生，是一次幫助的機會.這一過程師生、生生思想交流碰撞，會產(chǎn)生大量、豐富的教學資源，比如畫一畫過程，展現(xiàn)出了學生頭腦中豐富的微觀結構模型，演一演過程體現(xiàn)出了學生對分子運動狀態(tài)的理解，從而使整個教學的參與者思想同頻共振，達到最大振幅，取得較好的教學效果.

第3和第4個活動使學生明白分子速率分布規(guī)律的來龍去脈.分子速率分布統(tǒng)計規(guī)律如果僅僅教師介紹的話，可能2～3 min即可，但對學生來說難以理解，僅僅是記住結論，那么自然也就容易遺忘.著名教育家布魯納強調(diào)“知識結構”，他認為懂得基本原理使得學科更容易理解.因此，這兩個活動正是為學生展示要學習知識的原理.第3個活動使學生從實踐中理解了統(tǒng)計規(guī)律，且很容易類比到分子運動的研究上來，理解分子運動的研究方法需要用到統(tǒng)計方法.第4個活動經(jīng)歷分子速率分布規(guī)律曲線的產(chǎn)生過程，使該圖線不再是抽象冰冷的，從而加深了理解.

同時，這4個活動的應用，符合了前文所說的情緒對記憶影響的規(guī)律，使學生始終處在身心、思維活躍的狀態(tài)，很好地調(diào)動了學生的主動性、積極性，課堂氣氛輕松活躍，營造了良好的學習氛圍.

學生課堂自主體驗活動在本節(jié)課上的具體應用，體現(xiàn)了它的應用意義：

(1)增強身心體驗，激發(fā)學習興趣

學生課堂自主體驗活動強調(diào)學生的參與、動手，因為一千個人的眼中有一千個哈姆雷特，個體的體驗是他人無法替代的.只有親自參與體驗，才是最深刻的、最鮮活的，也是最有感觸的.再結合中學生的生理、心理特點，親自動手的活動也是最容易、最能激發(fā)他們興趣的方式.

(2)調(diào)用多個感官，促進知識建構

學生課堂自主體驗活動有利于學生動眼、動手、動口、動腦等多種感官的參與.研究表明，多個感官同時參與學習活動，可以取得更好的學習效果.這是因為調(diào)動的感官越多，就可以利用越多的大腦通路，建立起更多的神經(jīng)連接，從而促進了信息在大腦中的構建.

(3)激活多元思維，改善心智模式

美國著名的心理學家、教育學家斯滕伯格在《思維教學》一書中提出思維三元論，他將思維劃分成3個基本的層面：分析性思維、創(chuàng)造性思維和實用性思維.傳統(tǒng)接受式的教學模式，更多培養(yǎng)的是學生的分析思維.而學生課堂自主體驗活動增加真實的情境、學生的體驗、問題的解決，會對學生的創(chuàng)造性思維和實用性思維的培養(yǎng)有現(xiàn)實意義，從而改善學生的心智模式.

(4)凸顯學科特點，加強科學探究

物理的本質就是觀察和探究我們周圍的世界，試圖從已知事物中確定某些潛在的秩序和模式.因此，它需要以現(xiàn)實世界為觀察對象，它需要科學探究去發(fā)現(xiàn)規(guī)律，它需要到現(xiàn)實中去驗證結論…….物理學習不能坐而論道，要加強觀察、實驗、體驗，所以說學生課堂自主體驗活動可以很好地突出物理學科的本質和特點，體現(xiàn)它是集知識性、探究性、實用性于一體的學科.

2016-09-20)