基于物理學科核心素養(yǎng)提升的“問題串”教學設計

云南省廣南縣第一中學 張保雷 663300

云南省文山學院 胡家光 663000

“問題串”是教學過程中常用的一種方法，根據(jù)學生的心理狀況和授課內(nèi)容，教師將知識轉(zhuǎn)化為一個一個的問題，引導學生完成思維從具體到抽象、從特殊到一般、從零散到系統(tǒng)、從實踐到理論的認知、從知識到觀念的過程，“問題串”是教學中對有效信息進行傳輸、加工和運用，用來逐漸培養(yǎng)學生掌握知識、了解理論、科學探索、解決問題的能力.在高中物理教學中，利用“問題串”搭建合理臺階層進式教學，有助于培養(yǎng)學生科學思維能力與科學探究能力，有助于培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任，乃至形成正確的物理觀念.本文以人教版高中物理選修3-3《熱力學第二定律的微觀解釋》的教學為例，探尋“問題串”教學法在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的作用.

1 設計思路

熱力學第二定律以宏觀事實為基礎，告訴我們熱現(xiàn)象和熱學過程遵循的方向性的規(guī)律，本節(jié)課從微觀角度說明為什么涉及熱運動的宏觀過程會具有方向性，概念性較強，學生普遍認為深奧、難理解.本節(jié)課以培養(yǎng)學生的物理學科素養(yǎng)為目標，采用“問題串”教學模式，由生活現(xiàn)象引入，對深奧的物理規(guī)律進行思考，注重數(shù)學思想方法在物理教學中應用，從而對熵的概念有初步的認識，初步形成能量是可以轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的，轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是有方向性和事物是運動發(fā)展的，發(fā)展是具有方向性的觀念.

2 教學目標

核心素養(yǎng)物理觀念形成觀念科學思維解釋現(xiàn)象模型建構(gòu)科學推理科學論證目標設計理解熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性，初步形成能量是可以轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化的，轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化是有方向性和事物是運動發(fā)展的，發(fā)展是具有方向性的觀念能用熱力學第二定律解釋自然現(xiàn)象理想“四分子”模型利用數(shù)學思想與方法通過對撲克牌和“四分子”模型推理認識有序和無序,推理得到熵增加原理利用自然現(xiàn)象再次論證熱力學第二定律問題引領問題1～3、11、19～23、25～27問題21～23、25～27問題12～21問題5～11、12～21問題27、28

科學探究問題證據(jù)解釋科學本質(zhì)問題2、3、25問題5～11問題12～26問題5～11、25、26科學態(tài)度與責任科學態(tài)度觀察模擬實驗，形成猜想；能分析相關事實和結(jié)論,提出怎么來描述分子運動無序性的程度通過對撲克牌無序性分析，認識無序性大即微觀態(tài)多分析證據(jù),發(fā)現(xiàn)規(guī)律，形成熵的定義經(jīng)歷無序性和熵概念建立的過程,認識到物理研究是一種對自然現(xiàn)象進行抽象的創(chuàng)造性工作本節(jié)課由生活現(xiàn)象引入，循序漸進逐步揭開科學的面紗，并通過拓展問題讓學生把學習延伸到課外，有利于培養(yǎng)學生學習物理的內(nèi)在動機，樹立正確的科學態(tài)度與價值觀問題30、31

3 教學重點、難點及教學策略

重點：1.有序和無序概念的形成.策略：用撲克牌排列引領，通過排列組合知識的具體運算加以說明有序和無序及其相對性，讓枯燥的理論變得有趣.2.熱力學第二定律的微觀意義.策略：通過理想化“四分子”模型模擬演示和理論分析，推廣到更多分子擴散過程，再運用統(tǒng)計規(guī)律推廣到實際氣體分子中，運用概率知識說明分子熱運動的方向性，讓擴散現(xiàn)象變得有理論支撐.

難點：1.熱力學第二定律的微觀意義.策略：同上.2.熵概念的形成及熵的增加原理的教學.策略：應用熱力學第二定律的微觀意義去理解熵的概念，讓深奧的理論變得通俗易懂；并將熵的概念推廣到生活事例加以理解，理論聯(lián)系生產(chǎn)、生活實際.

4 教學過程

4.1 復習提問

問題1:如圖1，中間有擋板的密閉容器，左側(cè)充滿空氣，右側(cè)為真空，某時刻突然拔掉擋板的插銷后會看到什么現(xiàn)象？

圖1

集體：氣體會自動充滿整個空間.

用一10L左右中間有擋板（透明收納盒即可）長方體透明容器，一側(cè)裝滿分子（乒乓球模擬），抽去擋板，同時搖動容器模擬分子的運動，觀察現(xiàn)象.

問題2:氣體推動活塞充滿整個空間后，會自發(fā)地回到起始狀態(tài)嗎？為什么？

集體：不會.因為與熱現(xiàn)象有關的宏觀過程都具有方向性.

問題3:與方向性有關的熱力學定律又叫什么定律？

集體：熱力學第二定律.

問題4:請同學們回憶它的兩種表述.A:克勞休斯：略；開爾文：略.

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：基于模擬實驗現(xiàn)象的觀察，讓學生經(jīng)歷提出問題，引起思考，形成猜想的科學探究過程.

4.2 新課教學

4.2.1 有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)

（板書：有序和無序宏觀態(tài)和微觀態(tài)）問題5:根據(jù)生活經(jīng)驗和所掌握的知識，請舉例說明你對有序和無序的理解.

準備三幅撲克牌（大小鬼除外），分別給三位學生，讓其分別按下列三種方式排列.①按黑桃、紅桃、梅花和方塊的花色，并且在同種花色中按照從小到大（1→K）的順序排列；②同樣的一副撲克要求同花色的按照從小到大（1→K）的順序排列，對于四種花色的排列不作要求；③同樣的一副撲克排列不作要求.

問題6：現(xiàn)對一副撲克（大小王除外）的排列作如下要求，規(guī)定1，按黑桃、紅桃、梅花和方塊的花色，并且在同種花色中按照從小到大（1→K）的順序排列，請問有幾種排列的方法？

集體：1種.

問題7:規(guī)定2，同樣的一副撲克（大小鬼除外）要求同花色的按照從小到大（1→K）的順序排列，對于四種花色的排列不作要求有幾種排列方法？問題8:規(guī)定3，同樣的一副撲克（大小鬼除外）不作任何要求，將這副撲克排列有幾種排列方式？展示三種規(guī)定排列的撲克牌.

問題9:在上述三種規(guī)定中，按規(guī)定2所排列的撲克是有序的還是無序的？（老師突然襲擊提問兩名學生）

D：有序.

E：無序.

集體：要看具體情況.

（板書：有序無序是相對的）

問題10:像剛才的撲克牌一樣，每一種規(guī)定就是它的一個宏觀態(tài)，而每一種規(guī)定下具體的排列就是它的微觀態(tài).上述三種宏觀態(tài)中各對應有幾個微觀態(tài)？

問題11：上述幾種規(guī)定（宏觀態(tài)）中哪一個較無序？從宏觀態(tài)和微觀態(tài)的概念來說無序有怎樣的特點？

G：宏觀態(tài)3，某一宏觀態(tài)對應的微觀態(tài)越多，就越無序.

（板書：宏觀態(tài)所對應的微觀態(tài)越多，就越無序；無序意味著各處都一樣、平均、沒有差別）

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：讓學生經(jīng)歷運用數(shù)學方法得到不同排列規(guī)定下?lián)淇说呐帕星闆r，得到有序和無序的科學定義的科學思維過程.

4.2.2 氣體向真空的擴散

（板書：氣體向真空的擴散）

取四個分子（乒乓球模擬）放置于長方體透明容器的一側(cè)，抽去擋板，同時搖動容器模擬分子的運動，觀察現(xiàn)象.

問題12：我們再來研究氣體的擴散現(xiàn)象，假設開始時左箱只有4個分子，右箱真空，如圖2.則抽掉擋板后分子的分布為左4右零（宏觀態(tài)），有幾種微觀態(tài)？

問題13：抽掉擋板后分子的分布為左3右1（宏觀態(tài)），有幾種微觀態(tài)？

圖2

圖3

問題14：抽掉擋板后分子的分布為左2右2（宏觀態(tài)），有幾種微觀態(tài)？

問題15：結(jié)合上述5種狀態(tài)（宏觀態(tài)1）中的圖形說明哪些最有序？哪些最無序？為什么？

H：1和5最有序，因為對應的微觀態(tài)只有一種；3最無序，因為對應的微觀態(tài)最多有6種.

圖4

圖5

圖6

圖7

問題16：上述5種狀態(tài)包括了抽去擋板后，分子分布的全部可能情況，其中哪一種狀態(tài)出現(xiàn)的概率最高？為什么？

問題18：抽掉擋板后，氣體分子從狀態(tài)1自發(fā)地向狀態(tài)3進行，實際是自發(fā)地從有序狀態(tài)向無序狀態(tài)進行，無序意味著各處都一樣，無差別.從PPT上列出的圖形及數(shù)據(jù)我們很快就能算出左4右零（或左零右4）的概率，如果老師沒有列出這些數(shù)據(jù)，你能用數(shù)學的方法快捷地算出它的概率嗎？

問題19：實際汽缸中只有4個氣體分子嗎？實際氣體分子的數(shù)量是多少呢？

集體：不是，有很多分子.

問題20：實際汽缸中有4、5、10、50、100個氣體分子各個微觀態(tài)概率分布如何？

學生思考后，用PPT展示分子數(shù)為4、5、10、50、100個氣體分子各個微觀態(tài)概率分布.

問題21：假設有1mol的氣體密閉在汽缸的左側(cè)，抽掉擋板后，氣體分子又自發(fā)聚集到左側(cè)的概率有多大呢？

總結(jié)：對，這是一個小概率事件，宏觀是不可能事件，實際氣體中含有大量的氣體分子，當抽掉擋板后，這些氣體分子自發(fā)地聚到汽缸左側(cè)的概率為零，所以氣體自由擴散是有方向的，即一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行，這也是力學第二定律的一種表述.

（板書：熱力學第二定律表述三：一切自發(fā)過程總是沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的）

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：從“四分子”現(xiàn)象開始，提出問題，形成猜想，通過4、5、10、50、100個氣體分子各個微觀態(tài)概率直觀分布，從特殊開始，逐層推進推理到一般規(guī)律.

問題22：溫度對應著分子運動的哪個微觀物理量呢？

集體：溫度跟分子的平均動能相對應.

問題23：怎樣從微觀角度去理解熱力學第二定律表述一？

L：開始時物體的溫度不相同，平均動能大的分子相對集中，平均動能小的分子也相對集中，總體來看比較有序，而最終溫度相同，分子的平均動能也相同，比較無序，即是自發(fā)地沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的.

問題24：怎樣從微觀角度去理解熱力學第二定律表述二？

師：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響.機械能是大量分子有序運動的能量，而內(nèi)能是大量分子無序運動的能量，所以也是自發(fā)地沿著分子熱運動無序性增大的方向進行的.

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：利用所學熱力學第二定律的微觀解釋熱力學第二定律，有助于學生理解熱力學第二定律，有助于學生深層次認識熱力學第二定律，有助于學生把認識上升為觀念.4.2.3 熵（板書：熵）

1865年克勞休斯命名了一個物理量：熵.閱讀教材回答問題.

問題25：熵的物理意義是什么？熵S=klnΩ各符號的意義是什么？

M：熵描述系統(tǒng)內(nèi)分子運動無序性的程度，S：熵、Ω：微觀狀態(tài)的數(shù)目、k：波爾茲曼常量.

問題26：在引入熵之后，關于自然過程的方向性可以怎么表述？

N：一切自發(fā)過程總是沿著熵增大的方向進行的.

總結(jié)：在“氣體向真空的擴散”中，微觀態(tài)數(shù)目增多了，即系統(tǒng)“熵”增加了.而且一切不可逆過程必然朝著熵不斷增加的方向進行.在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小，這就是熵增加原理，也是熱力學第二定律第四種表述.

（板書：熱力學第二定律表述四（熵增加原理）：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減?。?/p>

問題27：光合作用的熵“減小”了，“光合作用”違反了熱力學第二定律嗎?

O：不違反，研究系統(tǒng)擴大到太陽，太陽的能量輻射到天空中的量遠比植物得到的多，整體上熵在增加.

問題28：請舉例說明在自然過程中熵總是增加的？

R:要讓操場上的一群學生按班級、按身高，或按任何規(guī)則來站隊都是比較麻煩的：每個學生都要尋找自己的位置.但是要讓已經(jīng)站好隊的學生解散，那就非常簡單：每個學生隨便朝一個方向跑去，隊形就亂了.

X:磁體磁性隨時間會減弱：要讓磁性物質(zhì)的磁子排列規(guī)則（熵減小）是困難的，要讓磁性物質(zhì)的磁子排列無序（熵增加）是簡單的.

……

總結(jié)：從微觀的角度看，熱力學第二定律是一個統(tǒng)計規(guī)律.一個孤立系統(tǒng)總是從熵小的狀態(tài)向熵大的狀態(tài)發(fā)展，而熵值較大代表著較為無序，所以自發(fā)的宏觀過程總是向無序度更大的方向發(fā)展.

（板書：熱力學第二定律是一個反映宏觀自然過程的方向性的統(tǒng)計規(guī)律）

問題29：我們已經(jīng)學習了熱力學第二定律的四種表述，分別是怎么表述的？

表述一：熱量不能自發(fā)地從低溫物體傳到高溫物體；

表述二：不可能從單一熱庫吸收熱量，使之完全變成功，而不產(chǎn)生其他影響；

表述三：一切自然過程總是沿著分子熱運動的無序性增大的方向進行；

表述四：在任何自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總熵不會減小.

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：有了熱力學第二定律的微觀認識，理解熵就相對輕松了，有了熵的概念又可以把熱力學第二定律上升為更為普遍的表述.

4.2.4 拓展

問題30：熱力學體系中，熱力學定律共有4個，請課后查找資料，了解另為兩個定律的內(nèi)容是什么？

熱力學第三定律：不可能通過有限的過程把一個物體冷卻到絕對零度.

熱力學第零定律：如果兩個熱力學系統(tǒng)中的每一個都與第三個熱力學系統(tǒng)處于熱平衡(溫度相同)，則它們彼此也必定處于熱平衡.

問題31:有人說熱力學第二定律是讓人絕望的定律，為什么？你怎么看？“熵”已經(jīng)深入到現(xiàn)代社會的多方面，有些意義已經(jīng)超出了物理概念的范疇，請課后查找資料，了解“熵”？

……

基于核心素養(yǎng)的設計意圖：兩個拓展問題讓學生把學習延伸到課外，問題30有助于學生形成熱力學完整的知識體系，問題31有助于學生學以致用，有利于培養(yǎng)學生學習物理的內(nèi)在動機，樹立正確的科學態(tài)度與價值觀.

4.2.5 課堂小結(jié)

問題32:請總結(jié)本節(jié)課我們一起學習了哪些內(nèi)容？

在學生回答的基礎上總結(jié)：本節(jié)課從認識“序”出發(fā)，區(qū)別有序和無序，引入描述系統(tǒng)無序程度的物理量——熵，認識了熵增加原理，知道它是熱力學第二定律的另外兩種表述，體會了現(xiàn)實生活中的熵增加.

5 結(jié)束語

“問題串”教學過程，采用“問題”引領學生思維與探究，“問題”激發(fā)學生好奇與思考，“問題”承載活動、推進教學；同時，讓問題以“串”的形式出現(xiàn)，讓學生進行系列的、連續(xù)的思維活動，學生的思維能不斷攀升到新的高度.核心素養(yǎng)從理論到理念需要教育者的學習與感悟，核心素養(yǎng)從理論到落實是需要教育者主動迎難而上，課堂是落實核心素養(yǎng)的集中體現(xiàn)，基于學生核心素養(yǎng)提升，立足于學生的認知，設計有梯度“問題串”進行教學，不失為落實核心素養(yǎng)的一種簡單有效的辦法.