“氣體熱現(xiàn)象的微觀意義”高端備課

徐展 程承平

摘 要： 基于高端備課的思想，在“氣體熱現(xiàn)象的微觀意義”一課的教學(xué)中借助合適的信息技術(shù)使拋硬幣實(shí)驗(yàn)不再費(fèi)時(shí)費(fèi)力，利用高中數(shù)學(xué)知識得出速率分布曲線的繪制方法，通過課上實(shí)驗(yàn)與課外推導(dǎo)讓氣體壓強(qiáng)微觀因素的得出顯得有依有據(jù).

關(guān)鍵詞： 高端備課;氣體熱現(xiàn)象;微觀意義;教學(xué)困惑;教學(xué)片斷

文章編號： 1008-4134（2019）23-0012 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1 教材分析

“氣體熱現(xiàn)象的微觀解釋”是人教版高中物理選修3-3第八章氣體的第4節(jié)，主要內(nèi)容有：通過拋硬幣實(shí)驗(yàn)使學(xué)生初步了解統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特點(diǎn);分析氣體分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，討論溫度壓強(qiáng)的微觀意義;用統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)從微觀角度解釋氣體實(shí)驗(yàn)定律.

眾所周知，熱學(xué)包含研究宏觀的熱力學(xué)與研究微觀的統(tǒng)計(jì)力學(xué)兩部分，高中物理選修3-3各章知識從宏觀、微觀兩個(gè)方面展開.本節(jié)內(nèi)容是在第八章“實(shí)驗(yàn)→規(guī)律→微觀解釋”教學(xué)線索中的最后一環(huán)，統(tǒng)計(jì)方法則是廣泛應(yīng)用于各學(xué)科的至關(guān)重要的近代科學(xué)方法，因此本節(jié)的重要性不言而喻.但在教學(xué)一線中，本節(jié)教學(xué)內(nèi)容卻很難深入展開，因?yàn)榻虒W(xué)實(shí)踐中會產(chǎn)生諸多困惑.

2 教學(xué)中的困惑

2.1 費(fèi)時(shí)費(fèi)力——拋硬幣實(shí)驗(yàn)的困惑

拋硬幣實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生將個(gè)人、小組、大組、全班的數(shù)據(jù)記錄至表格，分析數(shù)據(jù)體會統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特征：“單個(gè)事件是否出現(xiàn)具有偶然性，大量事件整體表現(xiàn)出一定的規(guī)律性”.教學(xué)實(shí)踐中，人工統(tǒng)計(jì)小組、大組乃至全班的數(shù)據(jù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，統(tǒng)計(jì)過程中易發(fā)的計(jì)算小錯(cuò)誤往往使課堂教學(xué)陡生變數(shù)，而且由表格數(shù)據(jù)準(zhǔn)確作出教材中班級實(shí)驗(yàn)結(jié)果的柱狀圖也很費(fèi)時(shí).筆者第一次上此課時(shí)，拋硬幣教學(xué)活動(dòng)花費(fèi)了半節(jié)課時(shí)間，后續(xù)教學(xué)活動(dòng)難以完成.

2.2 緣何而來——速率分布曲線的困惑

關(guān)于氣體溫度的微觀意義部分，教材先給出了兩種溫度下氧氣分子速率分布情況表，再給出速率分布圖象，僅指出圖象是根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制的，那么到底是如何根據(jù)表中數(shù)據(jù)得到圖象的？這一圖象與拋硬幣實(shí)驗(yàn)得到的柱狀圖又有什么關(guān)系？這些問題教材中都未有交待.

2.3 據(jù)何而得——壓強(qiáng)微觀決定因素的困惑

氣體壓強(qiáng)的微觀意義部分中，教材在豆粒碰撞秤盤實(shí)驗(yàn)演示氣體壓強(qiáng)的產(chǎn)生機(jī)理后直接指出氣體壓強(qiáng)的兩個(gè)微觀因素，沒有分析、沒有推導(dǎo).實(shí)際上學(xué)生觀察了豆粒的碰撞實(shí)驗(yàn)，更容易得出壓強(qiáng)的微觀決定因素是單位時(shí)間單位面積上的碰撞次數(shù)與平均動(dòng)能，那么這種說法與“氣體壓強(qiáng)由分子密集程度和分子平均動(dòng)能決定”是否矛盾呢？要回答這個(gè)問題恐怕得從氣體壓強(qiáng)微觀決定因素如何得出入手.

3 高端備課與教學(xué)重構(gòu)

針對上述問題，筆者查閱了相關(guān)資料，不斷嘗試、反思、修改、再嘗試最終掃清了上述疑惑，使學(xué)生通過短短一節(jié)課時(shí)間經(jīng)歷了更為有效的科學(xué)思維過程、建立了更為清晰的物理觀念.

3.1 借助信息技術(shù)，追求高效課堂

在拋硬幣實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理過程中借助信息技術(shù)迅捷的統(tǒng)計(jì)、繪圖功能可以壓縮處理分析數(shù)據(jù)的時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)高效的課堂.為此筆者用ASP +Access技術(shù)編寫了數(shù)據(jù)處理網(wǎng)頁程序，上課教室在計(jì)算機(jī)房.學(xué)生只需到指定網(wǎng)頁輸入投硬幣實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，由后臺程序自動(dòng)按學(xué)號分小組、大組匯總、統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù).然后將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到事先準(zhǔn)備好的Excel表格文件，文件自動(dòng)生成個(gè)人、小組、大組、班級實(shí)驗(yàn)的柱狀圖，學(xué)生通過觀察分析數(shù)據(jù)、圖象自主尋找規(guī)律.

【教學(xué)片斷實(shí)錄】

3.1.1 拋硬幣錄數(shù)據(jù)

教師介紹拋硬幣的方法后，學(xué)生做拋硬幣實(shí)驗(yàn)并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入如圖1的網(wǎng)頁界面，學(xué)生提交數(shù)據(jù)后將看到全班的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1.

3.1.2 分析數(shù)據(jù)尋找規(guī)律

師：觀察全班數(shù)據(jù)總表，對于單次拋硬幣活動(dòng)，你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

投擲結(jié)果為02521的學(xué)生：有兩枚硬幣正面向上的次數(shù)比較多.

師：是的，是否一定如此？

投擲結(jié)果為25111的學(xué)生：我覺得是不確定的，隨機(jī)的.

師：是的，這位同學(xué)兩枚硬幣正面朝上只有1次，請問大家，這種結(jié)果可能發(fā)生嗎？

全體學(xué)生：可能.

師：一定發(fā)生嗎？

全體學(xué)生：不一定.

師：也就是說單次投擲硬幣實(shí)驗(yàn)，某種結(jié)果可能出現(xiàn)也可能不出現(xiàn)，此即為隨機(jī)事件.

師：點(diǎn)擊“查看分組數(shù)據(jù)”鏈接查看個(gè)人、小組、大組、全班的數(shù)據(jù)表，你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？（數(shù)據(jù)由網(wǎng)站后臺程序自動(dòng)匯總統(tǒng)計(jì)，見表2）

生：……

師：面對一大堆數(shù)據(jù)找規(guī)律的確有些困難，數(shù)據(jù)不形象，那怎么辦？

生：作圖.

師：好！將剛才投擲結(jié)果為25111同學(xué)的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表格文件，得到個(gè)人、小組、大組、全班數(shù)據(jù)的柱狀圖.請同學(xué)們查看本班、2015高二（1）班與2010高二（1）班的柱狀圖，對照這三個(gè)班級的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

生：實(shí)驗(yàn)次數(shù)越多，越接近一個(gè)相似的結(jié)果.

師：這個(gè)結(jié)果是怎樣的？

生：中間的概率高，兩邊的概率低.

師：光從柱狀圖的形狀來看，隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)增多，趨于怎樣的形狀？

生：中間高、兩邊低（中間多、兩頭少）.

師：這種圖形特點(diǎn)在個(gè)人數(shù)據(jù)的柱狀圖中是否一定體現(xiàn)？

生：不一定.

師：小組數(shù)據(jù)的柱狀圖的形狀是否一定中間多、兩頭少？

生：不一定.

師：大組呢？全班呢？

師：這種圖形形狀上的規(guī)律與隨機(jī)事件的數(shù)量有什么關(guān)系？

生：隨著事件數(shù)量的增多，逐漸顯現(xiàn)出這種規(guī)律.

師：這種規(guī)律即統(tǒng)計(jì)規(guī)律.

3.1.3 對比規(guī)律總結(jié)特征

展示牛頓第二定律、平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律、楞次定律，請學(xué)生通過對比總結(jié)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特征.

3.2 打破學(xué)科壁壘，踐行學(xué)以致用

幾年前，筆者注意到學(xué)生在上本節(jié)內(nèi)容前就有了概率等統(tǒng)計(jì)學(xué)概念，翻閱學(xué)生使用的數(shù)學(xué)教材發(fā)現(xiàn)在蘇教版高中數(shù)學(xué)必修3第2章第2節(jié)“總體分布的估計(jì)”中介紹了依據(jù)頻率分布表作頻率分布直方圖、折線圖的方法，數(shù)學(xué)教材中還指出頻率分布折線圖在樣本容量足夠大、分組組距足夠小的情況下趨于一條光滑曲線即為總體分布的密度曲線.這恰恰正是本節(jié)依據(jù)分子速率分布表得到分子速率分布圖的方法.

【教學(xué)片斷設(shè)計(jì)】

在課前讓學(xué)生完成下面這樣一道習(xí)題.

閱讀數(shù)學(xué)必修3 P50～55，完成下面的數(shù)學(xué)題：

表3為某溫度下某種氣體分子的速率分布情況（忽略了速率大于等于1000m/s的分子數(shù)）.

（1）據(jù)表作出數(shù)據(jù)的頻率分布直方圖;

（2）據(jù)頻率分布直方圖作頻率分布折線圖;

（3）滿足怎樣的條件，第⑵問中的頻率分布折線圖趨向于密度曲線？

多數(shù)學(xué)生能夠作出如圖3所示的正確圖線，由此圖結(jié)合習(xí)題中的第⑶問即可自然得出教材中的速率分布曲線.如此將已掌握的數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于物理實(shí)踐中，讓學(xué)生明白圖線的由來也令學(xué)生感受到學(xué)科間知識的聯(lián)系.

3.3 精心設(shè)計(jì)活動(dòng)，實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)并重

為了確定氣體壓強(qiáng)的微觀決定因素到底是單位時(shí)間單位面積上的碰撞次數(shù)與分子平均動(dòng)能，還是氣體分子密集程度與分子平均動(dòng)能，筆者翻閱了大學(xué)教材《熱學(xué)》[1]，查到了氣體壓強(qiáng)的微觀決定式p= 2 3 nEK 及其推導(dǎo)，可見壓強(qiáng)的微觀決定因素應(yīng)該是分子數(shù)密度（即分子密集程度）與分子平均動(dòng)能，但推導(dǎo)過程比較繁瑣不宜在課堂上面向全體學(xué)生直接展開.為使壓強(qiáng)微觀因素的得出顯得有理有據(jù)，同時(shí)學(xué)生還易于接受，筆者設(shè)計(jì)了體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)→探究實(shí)驗(yàn)→對照宏觀決定量推斷→課后自主學(xué)習(xí)推導(dǎo)的教學(xué)活動(dòng).

【教學(xué)片斷設(shè)計(jì)】

3.3.1 體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)

目的：通過模擬實(shí)驗(yàn)體會氣體壓強(qiáng)的微觀產(chǎn)生原因.

器材：一紙杯黃豆、電子秤.

內(nèi)容：將一杯豆子從一定高度位置倒在電子秤的秤盤上，觀察電子秤的示數(shù).

現(xiàn)象：大量豆子頻繁撞擊秤盤，產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的壓力，由此可以體會“氣體壓強(qiáng)是大量氣體分子頻繁撞擊容器壁產(chǎn)生的”.

3.3.2 探究實(shí)驗(yàn)

目的：通過模擬實(shí)驗(yàn)推斷氣體壓強(qiáng)的微觀決定因素.

器材：鐵架臺、自制紙杯彈簧秤、兩種型號的小鋼珠、底部開兩孔與四孔的飲料瓶各一只，如圖4[2].

內(nèi)容（讓學(xué)生自主觀看微視頻）：

①小鋼珠放入低位置的兩孔、四孔瓶中落到紙杯彈簧秤上的對比實(shí)驗(yàn).

②小鋼珠放入四孔瓶中，在高、低兩位置落到紙杯彈簧秤上的對比實(shí)驗(yàn).

③大、小兩種鋼珠放入低位置兩孔瓶中落到紙杯彈簧秤上的對比實(shí)驗(yàn).

結(jié)論：

①實(shí)驗(yàn)中決定壓力大小的因素是單位時(shí)間與紙板碰撞的鋼珠個(gè)數(shù)、碰前鋼珠的速度、鋼珠的質(zhì)量.

②由此可以推斷氣體壓強(qiáng)與容器器壁在單位時(shí)間單位面積發(fā)生的分子碰撞次數(shù)、分子速率、分子質(zhì)量有關(guān).

3.3.3 據(jù)宏觀決定量推斷

一定質(zhì)量氣體壓強(qiáng)的宏觀決定量是溫度與體積，從微觀角度看溫度是分子平均動(dòng)能的標(biāo)志，體積則反映了分子數(shù)密度，由此可以推斷出氣體壓強(qiáng)的微觀決定因素是分子平均動(dòng)能與單位體積內(nèi)的分子個(gè)數(shù)，此結(jié)論與探究實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯然不矛盾.

3.3.4 課后自主學(xué)習(xí)理論推導(dǎo)

筆者將上述推導(dǎo)過程錄制成視頻微課程，上傳至學(xué)校微信公眾號在線課程欄目中，供有興趣的學(xué)生課后自主學(xué)習(xí).

4 教學(xué)啟示

4.1 細(xì)無聲者方潤物

對于本課“拋硬幣實(shí)驗(yàn)”中信息技術(shù)的選取，筆者曾有這樣的嘗試：讓學(xué)生從各自平板電腦上的瀏覽器中登陸網(wǎng)站輸入數(shù)據(jù)，在指定討論區(qū)中發(fā)表對數(shù)據(jù)中隱藏規(guī)律的看法，設(shè)想讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)空間中通過發(fā)表看法并不斷相互討論與思考，最終自主得出相關(guān)結(jié)論，教師只在適當(dāng)時(shí)機(jī)作適當(dāng)引導(dǎo).但在實(shí)際教學(xué)活動(dòng)中學(xué)生對平板電腦的操作并不熟悉，教師需花大量時(shí)間在課前培訓(xùn)平板電腦的相關(guān)操作方法.在課后的問卷調(diào)查中，有學(xué)生甚至直言不諱地指出“繁瑣的操作導(dǎo)致學(xué)生兩極分化”“幫助不大、不利于獨(dú)立思考”“這種課就是花瓶”……

教師在選用信息技術(shù)手段時(shí)必須考慮學(xué)生接入課堂的成本，為了上這樣一堂課讓學(xué)生在額外的操作培訓(xùn)上花費(fèi)時(shí)間顯然是本末倒置的.信息技術(shù)融入學(xué)科教學(xué)，學(xué)生應(yīng)感受不到信息技術(shù)帶來的操作障礙，正所謂細(xì)無聲者方潤物.因此筆者放棄了形式花哨的設(shè)計(jì)方案，而讓學(xué)生在熟悉的PC機(jī)環(huán)境下操作，提升了學(xué)生接入課堂的效率.

4.2 高屋建瓴才全面

本節(jié)核心知識為統(tǒng)計(jì)規(guī)律特點(diǎn)與氣體溫度壓強(qiáng)的微觀意義，如果僅僅立足于高中物理教材，教師自身將難以全面深入理解.突破學(xué)科界限使教師能了解從而利用學(xué)生已有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，突破學(xué)段界限，從普通物理學(xué)的角度思考，使壓強(qiáng)微觀決定因素的困惑迎刃而解，因此要厘清高中物理知識的內(nèi)在邏輯，有時(shí)就得“站得更高”.

4.3 合理取舍明主線

一堂精心設(shè)計(jì)、傾力打造的課堂往往會顯得過于飽滿，甚至偏離主題，因?yàn)閷τ趥湔n過程中產(chǎn)生并解決的困惑，教師總想在課堂上展示一下.這就要求教師在設(shè)計(jì)教學(xué)時(shí)不僅立足學(xué)科知識的內(nèi)在邏輯，更應(yīng)兼顧物理教學(xué)的規(guī)律與學(xué)生學(xué)習(xí)的規(guī)律，在教學(xué)內(nèi)容上合理取舍，以凸顯課堂主線.

參考文獻(xiàn)：

[1] 李椿，章立源，錢尚武.熱學(xué)[M] .北京：高等教育出版社，1978：51-53.

[2]胡小軍.讓學(xué)生進(jìn)行“氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生機(jī)理”的模擬探究[J].物理教師，2012，33（11）：28.

（收稿日期：2019-09-22）