基于學習進階理論的智慧課堂建構
——以“物體是由大量分子組成的”課堂教學為例

吳必龍

(江蘇省蘇州第一中學校，江蘇 蘇州 215006)

“物體是由大量分子組成的”一節(jié)是學生用微觀的方法研究物質(zhì)世界的開始,是分子動理論的基礎.學生對分子的認識,是學習分子熱運動知識的基礎.油膜法估測分子的大小,通過動手實驗,利用宏觀量的測定,求出微觀量的大小.

這節(jié)課體現(xiàn)了重要的物理思想和方法,在物理課中是頗具代表性的,其物理思想是豐富的.在“學習進階理論”指導下建構智慧課堂,加強物理實驗和科學探究,把物和理緊密結合起來,關注科學概念和內(nèi)涵的理解,關注學生的理解,尊重學生的感受,關注學生的自主活動和交流.

1 感受分子,啟迪智慧

學生在學習這部分知識之前,對分子缺少感性認識,教師先展示空間尺度比較的圖片,讓學生感知分子的大小.從浩瀚的宇宙到微觀的粒子,世界由物質(zhì)構成,物質(zhì)具有無限可分性.物理學的研究對象從宏觀到微觀,大到宇宙天體,小到原子核、質(zhì)子、中子和夸克等,這些都充分證明了世界的物質(zhì)性.

課本是先估測大小,再討論物質(zhì)是由大量分子組成的,邏輯性強,但是,先做實驗,由于操作比較難,在困難的情況下得到數(shù)據(jù),再討論物質(zhì)是由大量分子組成的,感覺有點頭重腳輕.

我們不是從教材或從教師的假想問題出發(fā),而是從學生的實際出發(fā),從學生的原有的知識基礎、認識水平和思維能力找到教學的原始起點,所以,根據(jù)學習進階理論,把握“最近發(fā)展區(qū)”,加速學生的發(fā)展.學習進階圖示(如圖1).

(1) 觀看圖片,感受分子的“實”,即物質(zhì)性.教師先展示空間尺度比較的圖片,讓學生感知分子的大小,從浩瀚的宇宙到微觀的粒子,世界由物質(zhì)構成,物質(zhì)具有無限可分性.物理學的研究對象從宏觀到微觀,大到宇宙天體,小到原子核、質(zhì)子、中子和夸克等,這些都充分證明了世界的物質(zhì)性.

圖1

(2) 模型類比,感受分子的“小”.用這種方法,讓學生感受分子很小.分子放大至網(wǎng)球這么大,相當于將網(wǎng)球放大至地球大小.充分說明了分子的空間尺度,為學生感知分子鋪設了道路.

(3) 數(shù)量計算,感受分子的“多”.分子究竟有多小呢?可以從分子數(shù)量來感受,依據(jù)學生學過的化學知識——阿伏加德羅常數(shù),提出問題:喝一口水喝掉了多少分子?再算全世界每人每秒鐘數(shù)一個分子,要數(shù)多少時間?一滴水卻含有如此之大數(shù)量的分子,可以想象分子有多小.通過這個實例使學生初步了解我們現(xiàn)在研究的是極小的分子.

2 認識分子,生長智慧

適度對接科技前沿,激發(fā)求知欲,讓學生“認識”分子的大小.

人們長久以來一直沒有停下對微觀世界的探索,對于分子大小的研究也可以用直接測量的方法,如果能把分子放大到幾千萬倍甚至幾億倍就能看得到了.這就要求科學家們不斷地改進測量工具,掃描隧道顯微鏡的問世(如圖2),使人類第一次觀察到原子的排列.

通過投影葉子在放大不同倍數(shù)情況下的圖片(如圖3),讓學生體會組成物質(zhì)的分子是很小的,不但用肉眼不能直接看到它們,就是用光學顯微鏡也看不到它們.

圖3

掃描隧道顯微鏡不僅可以觀察物體表面原子,還可以進行操作,把原子進行重新排列(如圖4、5).

圖4 溴原子圍成一圈

通過儀器直觀地“看”到分子,讓學生進一步感覺到分子的真實存在,這是探索微觀世界的一種直接方法,但是,對于工具的要求是非常高的.

3 研究分子,生成智慧

用高科技手段當然很方便,但是,今天我們不用這些“洋辦法”,只用“土辦法”來研究分子的大小,沿著前人的足跡,來了解和感知微觀世界.

在沒有先進儀器的情況下,我們該如何去估測它的大小呢?學習進階如圖6.

圖6

(1) 轉(zhuǎn)變測量思路.

通過轉(zhuǎn)變思維,尋找方法,解決問題.

初中時,用什么方法測量一個較小的物理量呢?例如,如何用實驗室的彈簧秤測出一顆小螺帽的重力,如何用刻度尺來測量一張紙的厚度?

通過測較大量求較小量,我們也可以通過測宏觀量求得微觀量.

(2) 尋找測量方法.

現(xiàn)有一堆綠豆如圖7,要求粗略測出一顆綠豆的直徑.提供的器材有:透明帶方格塑料板(每方格的邊長為1 cm)、記號筆;試簡要給出測量原理和計算公式.

圖7

圖8

圖9

(3) 構建理想模型.

做測綠豆的直徑實驗,有利于深化學生對微觀世界的認識,提高學生的實驗技能、技巧,可以充分利用這一教學資源,引導學生大膽設想,提出各種實驗方案,篩選出最佳方案,理清實驗的設計思想,把握住關鍵步驟進行實驗探究,收集實驗數(shù)據(jù),得出實驗結論.讓學生在學習物理知識與技能的同時,提高科學探究的能力.實際上,分子(原子)并不是一個個的小球,可以通過照片來說明,這里,把分子看做小球,是對分子建立的一種簡化模型,是人們根據(jù)研究的問題建立的.

4 測量分子,碰撞智慧

用單分子油膜法測定分子大小的原理,理解和學會用單分子油膜法估算分子大小(直徑)的方法是本節(jié)的重點與難點.有利于激發(fā)學生愛科學、講科學、用科學的熱情,讓學生在活動中體驗學習、創(chuàng)造、動手、動腦的樂趣,從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力.

測油酸分子直徑中,學生會遇到的3個問題: (1) 怎樣去測量它的直徑?(2) 為什么用油酸這一材料?(3) 怎樣更好地去測量它的直徑?

實驗中,更重要的是如何把握它的物理思想,讓學生實驗得出結果,用宏觀量測微觀量,讓學生在實驗中不僅知道怎樣做,還讓學生知道為什么這樣做,學生在交流過程中積極性很高,盡管結果實驗誤差較大,但是,更重要的是方法.

油膜法測分子直徑是早期測定分子大小的方法,是高中階段學生第一次利用對宏觀量的測定求出微觀量大小的實驗.選擇油酸是由于其特性決定的,氣體的流動性太大,固體的分子結合得太緊,想控制它們的行為實在很難,用液體來研究是一個不錯的選擇,油酸分子的特性為用油膜法測分子直徑奠定了基礎.油酸在常溫下為液態(tài),它的分子是長形的,一端是具有親水性的羧基,另一端是具有憎水性的烴基.當油酸在水面上形成有自由邊界的油膜時,每個分子都是直立的,烴基在油膜表面,成為一個單分子層.

實際操作中,學生對扉子粉的擴散現(xiàn)象、面積的計算方法等方面產(chǎn)生了懷疑,我們對實驗進行了創(chuàng)新,并作為一個演示實驗,成為本節(jié)課的一大亮點.

(1) 材料創(chuàng)新.將原有的扉子粉改為碳粉,由于碳粉不溶于水且比水輕,能較好地浮在水面上且均勻散開,是較為理想的實驗材料.

(2) 方法創(chuàng)新.我們采用了“像素法”求面積,快捷方便精確,效率很高.數(shù)碼照片中最小的影像單元就是一個像素,所描面積與整個面積之比,恰好是所描部分像素與整個圖片像素之比.只要掌握該方法.對實驗中遇到的求不規(guī)則圖形面積的問題均可處理.

(3) 操作創(chuàng)新.在電腦中打開Adobe phtoshop,外接高清攝像頭,只需經(jīng)過拍照、選取、記錄、比較等幾個簡單步驟就能輕松搞定.

5 計算分子,呵護智慧

通過對油膜法估測實驗,培養(yǎng)學生良好的科學研究態(tài)度和科學的思想與方法.通過阿伏加德羅常數(shù)進行的有關計算,理解它是聯(lián)系微觀世界和宏觀世界的橋梁.

1 mol的任何物質(zhì)中都含有阿伏伽德羅常數(shù)個微粒,用NA表示.科學工作者不斷用各種方法測量它,以期得到它精確的數(shù)值.如果已經(jīng)知道分子的大小,能否估算出阿伏伽德羅常數(shù).學生得出的數(shù)據(jù)與精確值是比較接近的,學習成就感油然而生.

阿伏伽德羅常數(shù)是聯(lián)系微觀世界和宏觀世界的橋梁,它把摩爾質(zhì)量、摩爾體積等這些宏觀量與分子質(zhì)量、分子體積等這些微觀量聯(lián)系起來.阿伏加德羅常數(shù)是聯(lián)系微觀量和宏觀量的橋梁,是一個重要的常數(shù).通過用阿伏加德羅常數(shù)計算每個分子的大小和質(zhì)量,可以使學生對一個分子大小和質(zhì)量的數(shù)量級有大概的認識,同時也使學生進一步理解這個常數(shù)的意義.用阿伏加德羅常數(shù)進行有關計算或估算的方法也是本節(jié)教學的重點.

在利用阿伏加德羅常數(shù)進行有關計算或估算時,常常用到“數(shù)量級”的概念.記住一些特殊的數(shù)量級對考慮問題或粗略檢查自己估算是否出現(xiàn)了錯誤有一定的幫助,其中,分子直徑的數(shù)量級10-10m,主要是指無機物分子,有些有機物分子比10-10m大得多.

本節(jié)課運用學習進階理論,通過由感性到理性、由定性到定量的知識呈現(xiàn)讓學生感到“親切”,使學生對分子的感受逐步加深,激發(fā)了學生的探究欲望,再通過學生動手、合作、討論等方式,讓學生自主設計實驗方案,增強了學生的主體活動,達到提升探究問題能力和實驗動手能力的目的.從教學內(nèi)容、教師活動、學生活動3個方面，將進階流程可視化，如圖10所示.

圖10

在課堂教學過程中,將學生始終置于探索者的位置,學習過程成為“發(fā)現(xiàn)”或“再發(fā)現(xiàn)”的過程,教師設計一個個小的臺階,充分發(fā)揮學生學習的積極性、主動性,讓學生在進階的過程中,體驗探索的快樂,強化學習的樂趣.

圖11

基于學習進階理論建構的智慧課堂(如圖11)，教師的主導作用也得到了有效的體現(xiàn),用教師的智慧來開啟學生的智慧,讓教師的智慧碰撞學生的智慧,形成了師生平等、生生合作、充滿幸福的智慧課堂.