高中物理“熱學(xué)”教學(xué)與數(shù)字技術(shù)的融合創(chuàng)新
——《分子動理論的基本內(nèi)容》教學(xué)設(shè)計

鄧道平 天津市第二十五中學(xué)

●創(chuàng)新整合點

1.百度網(wǎng)盤的創(chuàng)新使用，探索數(shù)據(jù)互傳新模式

百度網(wǎng)盤的使用使視頻及圖像在不同客戶端實現(xiàn)了實時互傳與分享保存，學(xué)生可以實時看到教師錄制的炭粒運動視頻，并將小組作品即時上傳分享。在交流過程中，學(xué)生的評價反饋更具時效性，學(xué)生參與評價的積極性更高。

2.使用顯微鏡，促進學(xué)科融合

基于跨學(xué)科意識，綜合運用生物和物理學(xué)科觀念以及跨學(xué)科觀念，解決了物理學(xué)習(xí)中的真實問題，整合與拓展學(xué)生的經(jīng)驗，加強不同學(xué)科間知識的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科意識、思維與能力。

3.電子目鏡將微觀現(xiàn)象實時呈現(xiàn)，營造公平學(xué)習(xí)的氛圍

通過技術(shù)手段使每個學(xué)生都實時觀察到現(xiàn)象，保證每個學(xué)生都有均等機會接觸和使用技術(shù)資源，營造了在技術(shù)支持的環(huán)境中公平學(xué)習(xí)的氛圍，滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)需要，讓每個學(xué)生都獲都充分發(fā)展。

4.利用Tracker軟件記錄并分析實驗數(shù)據(jù)，提高師生數(shù)字素養(yǎng)

使用Tracker軟件創(chuàng)設(shè)發(fā)現(xiàn)和解決問題的技術(shù)環(huán)境，幫助學(xué)生掌握用技術(shù)解決問題的策略。通過數(shù)據(jù)可視化方式能夠解釋提出的問題，并能對產(chǎn)生該結(jié)果的原因做深入分析，解決了教育教學(xué)中的真實問題，并考慮了如何利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果改進教育教學(xué)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)Tracker軟件的使用，觀察實驗現(xiàn)象，自行處理數(shù)據(jù)并得到實驗結(jié)論，培養(yǎng)了嚴謹?shù)目茖W(xué)思維，提高了分析并解決問題的能力。

●教材分析

本節(jié)課內(nèi)容選自人教版（2019）高中《物理》選擇性必修第3冊第一章《分子動理論》第一節(jié)《分子動理論的基本內(nèi)容》。通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生認識到自然界中普遍存在的一種運動形式—熱運動。熱學(xué)就是研究物質(zhì)熱運動規(guī)律及其應(yīng)用的一門學(xué)科，是物理學(xué)的一個重要組成部分，本節(jié)課作為熱學(xué)內(nèi)容第一章第一節(jié)，是整章內(nèi)容的核心和基礎(chǔ)。

●學(xué)情分析

知識分析：學(xué)生在初中已經(jīng)知道物體由大量分子構(gòu)成，了解墨汁在水中的擴散，并且知道溫度越高，墨汁擴散得越快，但不知道這些現(xiàn)象證明分子在做無規(guī)則的熱運動。學(xué)習(xí)了力與運動的關(guān)系，為分析布朗運動的原因奠定了基礎(chǔ)。困難之處是分子做無規(guī)則的運動比較抽象，學(xué)生難以理解。本節(jié)課在教學(xué)設(shè)計部分，將抽象的概念形象化，讓學(xué)生通過觀察實驗、處理數(shù)據(jù)、分析討論，得出結(jié)論，培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)的觀察能力、嚴謹?shù)目茖W(xué)思維。

計算機技能分析：高二學(xué)生已經(jīng)掌握計算機基本應(yīng)用技巧，包括下載視頻、保存圖片、軟件操作等。本節(jié)課在學(xué)生用計算機操作的部分，需要通過課堂簡單培訓(xùn)可以進行。

●教學(xué)目標(biāo)

知識與技能目標(biāo)：知道分子動理論的基本內(nèi)容；知道熱運動及決定熱運動劇烈程度的因素。

過程與方法目標(biāo)：通過演示實驗了解擴散現(xiàn)象，觀察并能解釋擴散現(xiàn)象；通過布朗運動的觀察和實驗，學(xué)習(xí)初步的探究問題的方法，理解布朗運動產(chǎn)生的原因和影響因素。

情感態(tài)度與價值觀目標(biāo)：通過布朗運動的觀察和實驗，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W(xué)思維；通過共同完成觀察及實驗，學(xué)會和同伴的協(xié)作和配合。

●教學(xué)環(huán)境與準備

教學(xué)環(huán)境：無線寬帶網(wǎng)絡(luò)、seewo觸控一體機、筆記本電腦（學(xué)生用）、無線投影儀。

教學(xué)準備：seewo觸控一體機安裝好電子目鏡配套實驗軟件及Tracker軟件；學(xué)生用筆記本電腦均安裝好Tracker軟件；百度網(wǎng)盤軟件（已提前登錄）；課前將Tracker軟件、百度網(wǎng)盤軟件使用教程提前發(fā)給學(xué)生預(yù)習(xí)，提前熟練使用。

●教學(xué)過程

1.導(dǎo)入新課—回憶海上絲綢之路，試問為何聞到檀香

師：我們知道，中國的絲綢之路是古代貿(mào)易與文化交流的重要通道，廣義上的絲綢之路分為陸上絲綢之路和海上絲綢之路，而海上絲綢之路又被稱為香料之路。檀香是中國四大名香之一，老師提前用檀香將印有天津著名地標(biāo)建筑的明信片進行了處理，大家聞聞。余香繚繞，大家有沒有想過為什么能夠聞到檀香呢？

設(shè)計意圖：“海上絲綢之路—香料之路”引申出香味，積極挖掘其中可用的德育資源，既是對傳統(tǒng)文化的傳承與發(fā)揚，也能讓學(xué)生在立足家鄉(xiāng)地標(biāo)建筑的基礎(chǔ)上樹立起正確的價值觀念。

2.課堂授課—四大活動環(huán)環(huán)相扣，步步揭秘分子理論

活動一：尋找分子

師：我們聞到明信片上的檀香，卻沒有看到一縷縷的檀香飄進我們的鼻子里，這說明檀香分子是我們?nèi)庋劭床坏降模@個分子到底有多小呢？讓我們一起通過觀看視頻，探尋分子到底有多小。

設(shè)計意圖：由聞到香味卻沒有看到檀香分子引出分子很?。和ㄟ^播放視頻，尋找分子，讓學(xué)生親身體驗分子的小。

師：既然分子這么小，那么用什么儀器可以看到它呢？（掃描隧道顯微鏡）我國科學(xué)家在1993年首次利用超真空掃描隧道顯微鏡技術(shù)，在一塊晶體硅的表面直接移動硅原子寫下了“中國”兩字（如圖1）。微觀世界的中國兩個字，像宏觀世界的中國夢一樣蒼勁有力。

圖1

設(shè)計意圖：介紹觀察分子的儀器掃描隧道顯微鏡，由掃描隧道顯微鏡引出微觀中國及宏觀中國，由我國的微觀科學(xué)技術(shù)過渡到宏觀國粹書法，滲透學(xué)科德育，同時引出阿伏伽德羅常數(shù)。

師：微觀世界和宏觀世界是怎么聯(lián)系在一起的呢？它是通過一個橋梁聯(lián)系的，這個橋梁就是阿伏加德羅常數(shù)，我們把1摩爾（mol）任何物質(zhì)所含的粒子數(shù)叫做阿伏加德羅常數(shù)，用Na表示。Na=6.02×1023mol-1。一滴水中，含有多少水分子呢？

生：1摩爾水（mol）含有6.02×1023個水分子，1滴水約重0.05g，也就是0.00278mol，1.67×1021個水分子。

教師通過學(xué)生計算結(jié)論分析得出：物體是由大量分子組成的，并簡要解釋在研究物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和物體的熱運動性質(zhì)、規(guī)律時，分子離子稱謂的不同。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過自己的計算得出一滴水中含有的水分子數(shù)，在熟悉運用阿伏伽德羅常數(shù)的同時，對一滴水含有的分子數(shù)量有了直觀的認識，這樣更有利于理解認識物體是由大量分子組成的。

活動二：觀察擴散現(xiàn)象

師：既然物體是由大量分子組成的，那么這些分子怎樣運動的呢？

演示實驗：教師演示液體擴散（將黑墨水分別滴入熱水和冷水中，觀察液體的擴散，用實物投影做大屏幕實時展示）。

師：通過剛才的實驗，你觀察到了什么實驗現(xiàn)象？

生：墨水在熱水和冷水中都發(fā)生了擴散現(xiàn)象，而且熱水中擴散得快。

師：同樣，在氣體和固體中都會發(fā)生擴散現(xiàn)象，擴散現(xiàn)象在生活和科學(xué)技術(shù)中也有很多應(yīng)用，你能想到哪些擴散現(xiàn)象的應(yīng)用？

生1：鮮花的香味。

生2：白酒的味道。

生3：炒菜的香味。

師（補充）：鹵蛋的制作方式是醬油的色素分子擴散到了蛋清內(nèi)。同樣，在科學(xué)技術(shù)研究中，在高溫條件下可以通過分子的擴散在純凈的半導(dǎo)體材料中摻入其他元素。這些都是擴散現(xiàn)象在生活和科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀察實驗現(xiàn)象分析得出溫度對擴散現(xiàn)象的影響，并舉出生活中的擴散現(xiàn)象實例，對該現(xiàn)象理解更加深入。

活動三：觀察并研究布朗運動

師：除了擴散現(xiàn)象，分子的運動方式還有另外一種體現(xiàn)，就是布朗運動。在19世紀初，一些人觀察到，懸浮在液體中的小顆?？傇诓煌５剡\動。1827年，英國的植物學(xué)家布朗用顯微鏡研究了這種運動。這種運動是什么呢？現(xiàn)在我們就一起研究一下，如圖2所示。從科學(xué)的角度，我們的結(jié)論要有大量的數(shù)據(jù)支撐，所以，我來給大家示范一組數(shù)據(jù)，后面大量的數(shù)據(jù)支持由你們來完成。

圖2

教師實驗活動：介紹電子目鏡原理及使用、墨水標(biāo)本的制作方式、Tracker軟件的使用，并示范演示實驗操作—利用電子目鏡觀察墨水標(biāo)本，記錄實驗現(xiàn)象；利用Tracker軟件定位炭粒并記錄運動位置的連線；將炭粒運動的視頻上傳百度網(wǎng)盤供學(xué)生下載使用，并交代學(xué)生在實驗結(jié)束后將實驗結(jié)果上傳百度網(wǎng)盤分享。

學(xué)生實驗活動：利用筆記本電腦進行實驗，利用百度網(wǎng)盤下載炭粒運動視頻，利用Tracker軟件定位炭粒并記錄運動位置的連線，反饋百度網(wǎng)盤分享。

師：哪個小組和大家分享一下實驗現(xiàn)象？

生：我們是“天津之眼”小組，我們小組一共挑選了8個炭粒，繪制了8幅運動圖像，從中挑選了4幅圖像與大家分享，如圖3所示。

圖3

師：實驗現(xiàn)象有了，哪個小組來和大家分享一下你們組的實驗結(jié)論？。

生：通過觀察這些圖像，我們發(fā)現(xiàn)炭粒的運動是無規(guī)則的。

師：在擴散現(xiàn)象中，我們發(fā)現(xiàn)溫度高，擴散得快，那么在布朗運動中，有沒有這樣的現(xiàn)象呢？我們繼續(xù)實驗。改變懸濁液的溫度，再次實驗。重復(fù)上述操作，我們得到不同溫度下的布朗運動。你觀察到了什么樣的實驗現(xiàn)象？

生：溫度高，懸濁液中小炭粒運動越劇烈。

師：你有沒有想過，炭粒在水里正常就是懸浮的狀態(tài)，炭粒為什么要做這樣的運動呢？

生：布朗運動實際上研究的是微粒，但是由微粒的無規(guī)則運動，我們推導(dǎo)出水分子的無規(guī)則運動，也就是說，布朗運動間接反映了液體分子的無規(guī)則運動。

師（補充）：通過不同溫度下的擴散現(xiàn)象，我們發(fā)現(xiàn)溫度越高，擴散越快，通過觀察不同溫度下的布朗運動，我們發(fā)現(xiàn)溫度越高，炭粒運動越劇烈，通過前后兩個實驗，發(fā)現(xiàn)分子的無規(guī)則運動特別容易受溫度的影響。因此，分子永不停息的無規(guī)則運動叫作熱運動，而溫度是分子熱運動劇烈程度的標(biāo)志。

設(shè)計意圖：教師利用電子目鏡將微觀現(xiàn)象實時呈現(xiàn)，使每個學(xué)生都實時觀察到現(xiàn)象，營造在技術(shù)支持的環(huán)境中公平學(xué)習(xí)的氛圍。通過探索炭粒運動位置的連線，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力；通過進行多組實驗，確定實驗結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)思維；通過網(wǎng)盤分享成果，培養(yǎng)學(xué)生端正的學(xué)術(shù)態(tài)度、與同伴的協(xié)作和配合能力及表達能力。

活動四：探究分子間作用力

師：既然分子永不停息地?zé)o規(guī)則運動，那為什么大量分子卻能聚集在一起呢？（演示鉛分子引力實驗）為什么掛了這么多重物還沒有掉下來呢？

生：依靠鉛分子與鉛分子之間的分子引力作用。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過觀察、猜想、參與鉛分子引力實驗，從駐足觀看到動手實驗，親身體驗到分子間真實存在的引力作用。

3.課堂小結(jié)—理論與實際互相聯(lián)系，總結(jié)收獲，學(xué)以致用

教師進行課堂小結(jié)及布置隨堂練習(xí)，并提出實際問題。

師：本節(jié)課中應(yīng)用到的Tracker軟件還可以用來研究生活中的哪些運動呢？

生1：研究操場上跑步鍛煉的同學(xué)的運動，如測量運動的實時速度、路程等。

生2：研究物理學(xué)中的平拋運動、自由落體運動等。

師：靜謐的檀香依舊余香繚繞，分子在永不停息地做無規(guī)則運動，如同絲路一般，至今依舊為我國與鄰邦的合作發(fā)展發(fā)揮著巨大的作用。

設(shè)計意圖：通過讓學(xué)生舉例，將理論與實際相聯(lián)系，擴散思維，學(xué)以致用。將絲路比喻成分子，在學(xué)習(xí)物理知識的同時，讓學(xué)生了解到中國古老的絲路文化博大精深，并心生敬畏，學(xué)習(xí)中滲透學(xué)科德育。

●教學(xué)反思

1.電子目鏡與手機支架的進一步思考

本案例在教師演示實驗部分，在準備實驗時，在電子目鏡和手機支架兩個設(shè)備之間對比很久，最后考慮到穩(wěn)定性的因素，選擇了電子目鏡。然而手機支架設(shè)備在這個實驗中也有很多亮點，如手機在生活中的普遍性比電子目鏡強很多，手機支架價格相對較低，但性價比高。所以通過手機支架直接在手機中觀看實驗現(xiàn)象還有很多需要思考的地方，日后將加以改進并應(yīng)用到本實驗中，同時也應(yīng)用到物理和生物學(xué)科的相關(guān)方面。

2.Tracker軟件演示實驗到學(xué)生實驗的大膽嘗試

對于Tracker軟件的使用，本節(jié)課最開始僅僅是教師演示實驗，偶然一次嘗試才發(fā)現(xiàn)，原來不僅教師對信息技術(shù)輔助教學(xué)充滿熱情，學(xué)生對此也充滿好奇與探究的欲望。在Tracker軟件使用的學(xué)生實驗部分，學(xué)生們都從座位上站起來，每個人都想嘗試一下追蹤繪制的過程，并且真的做到了。學(xué)生的能力需要挖掘與培養(yǎng)，有時大膽放手，會帶來無限的驚喜。

3.反饋與評價需改進

針對本節(jié)課最后的習(xí)題反饋部分，本想采取反饋器等形式進行反饋，但因時間及設(shè)備的限制，沒有找到合適的方式。另外，開放式思考題正在探索學(xué)生的開放式答案如彈幕般呈現(xiàn)出來。以上兩部分教學(xué)設(shè)計還需要繼續(xù)改進。