高中物理教學(xué)中提升科學(xué)思維的探索

摘 要：《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》要求在教學(xué)過程中注重對(duì)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，在物理學(xué)科核心素養(yǎng)中，“科學(xué)思維”對(duì)學(xué)生的理科學(xué)習(xí)和未來的科學(xué)研究意義深遠(yuǎn)。高中物理課堂是科學(xué)思維品質(zhì)培養(yǎng)的主陣地，如何設(shè)計(jì)好課堂，使之發(fā)揮最大的育人價(jià)值就很值得教育工作者研究。

關(guān)鍵詞：高中物理教學(xué)；核心素養(yǎng)；科學(xué)思維

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）10-0015-3

收稿日期：2024-07-25

基金項(xiàng)目：江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期課題“系列微視頻模式下新教材高中物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)和研究”（2021JY14-L10）；江蘇省十四五教育科學(xué)規(guī)劃課題“文化意蘊(yùn)視角下的高中物理教學(xué)與評(píng)價(jià)研究”（SJMJ/2021/04）。

作者簡介：陶夢(mèng)雨（1995-），女，中學(xué)一級(jí)教師，主要從事高中物理教學(xué)工作。

“科學(xué)思維”是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用，是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對(duì)不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。其中，證據(jù)意識(shí)、推理論證、歸納反思、模型建構(gòu)等對(duì)學(xué)生的各科學(xué)習(xí)甚至是未來發(fā)展都必不可少。本文以“分子動(dòng)理論的基本內(nèi)容”（第一課時(shí)）為例，通過對(duì)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，旨在提升學(xué)生的科學(xué)思維品質(zhì)，探索高中物理教學(xué)的育人價(jià)值。

1 從生活引入對(duì)微觀世界的探索

1.1 教學(xué)環(huán)節(jié)一：得到微觀世界研究對(duì)象“分子”

請(qǐng)學(xué)生深吸一口氣。

教師提問：吸進(jìn)去的是什么？（生：氣體）氣體是由什么組成的？（生：氣體分子）

教師提問：物體都是由分子組成的嗎？（生：分子、原子、離子）

教師總結(jié)：這是從化學(xué)變化中的不同作用作出的區(qū)分，我們研究物體熱學(xué)基本性質(zhì)和規(guī)律的時(shí)候，把組成物質(zhì)的微粒統(tǒng)稱為分子。

這是根據(jù)研究問題對(duì)研究對(duì)象的分類，在此之前學(xué)生接觸過的典型例子就是“質(zhì)點(diǎn)”。什么情況下研究對(duì)象可以簡化為質(zhì)點(diǎn)來處理，取決于研究的問題是否需要考慮其大小、形狀帶來的影響。同樣的，在這里我們把分子、原子、離子統(tǒng)稱為分子，也是為學(xué)生突出了在接下來的“熱學(xué)”研究當(dāng)中描述的是它們的共性特征，是微觀世界的一般規(guī)律。

1.2 教學(xué)環(huán)節(jié)二：用數(shù)據(jù)說明組成物質(zhì)的分子之“大量”

請(qǐng)學(xué)生估測(cè)：吸一口氣大約有多少分子？

已知人深吸一口氣的氣體體積大約為0.45 L，為方便大家計(jì)算，我們?nèi)‖F(xiàn)在教室環(huán)境下氣體的摩爾體積為22.5 L/mol，根據(jù)阿伏伽德羅常數(shù)為6×1023個(gè)/mol，你能否估算出吸一口氣大約有多少分子？

教師引導(dǎo)：如果讓你每秒數(shù)一顆分子，人的壽命以秒來計(jì)一生也就109秒。你數(shù)不數(shù)得完？數(shù)不完；全班同學(xué)一起數(shù)也數(shù)不完；全地球70多億人一起數(shù)也數(shù)不完。由此看來，物體由分子組成，且數(shù)量巨大。

教師提問：這一個(gè)空礦泉水瓶能裝500 mL 空氣，看起來體積不大，但裝的分子數(shù)多到我們數(shù)不完，說明單顆分子的尺寸如何？（生：很?。?/p>

猜一猜：分子有多小？你眼睛能直接看到嗎？光學(xué)顯微鏡能看到嗎？

教師：隨著顯微鏡技術(shù)的發(fā)展，1982年掃描隧道顯微鏡問世，它可以通過觀察定位單個(gè)微觀粒子，并且在低溫條件下對(duì)它進(jìn)行排列組合。伴隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)能夠測(cè)算出分子的尺寸非常小，大約是10-10 m。

作為本節(jié)教學(xué)的主要內(nèi)容之一，“物體是由大量分子組成的”，如何突出“大量”？我們可以從兩個(gè)角度來分析：首先是宏觀與微觀的橋梁——阿伏伽德羅常數(shù)，讓學(xué)生動(dòng)手計(jì)算出深吸一口氣會(huì)吸入多少粒子，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)據(jù)說話，養(yǎng)成“證據(jù)意識(shí)”。其次，宏觀體積不大而其組成的微觀粒子數(shù)量龐大，那必然要求微觀粒子本身尺寸極小，從而間接說明了要想呈現(xiàn)出宏觀可見的形狀體積，所需的微觀粒子必須“大量”。

2 尋找“分子運(yùn)動(dòng)”的證據(jù)

2.1 教學(xué)環(huán)節(jié)三：調(diào)用熟悉的“擴(kuò)散現(xiàn)象”

思考：分子是運(yùn)動(dòng)的還是靜止的？（生：運(yùn)動(dòng)的）

教師：你有什么證據(jù)可以證明“分子是運(yùn)動(dòng)的”？（生：擴(kuò)散現(xiàn)象）

教師：人的裸眼分辨率最小可觀察到10-4 m的微小物體，能看到分子嗎？（生：看不到）

教師：那你為什么能由宏觀可見的擴(kuò)散現(xiàn)象說明分子在運(yùn)動(dòng)？（生：因?yàn)閿U(kuò)散是物質(zhì)彼此進(jìn)入，那組成物質(zhì)的分子也必然進(jìn)入，所以說分子運(yùn)動(dòng)了）

教師演示實(shí)驗(yàn)：紅墨水滴入冷熱水中——請(qǐng)學(xué)生解釋為什么擴(kuò)散快慢不同？

學(xué)生猜想溫度不同，并上臺(tái)觸摸驗(yàn)證猜想。

教師引導(dǎo)：如果我們用擴(kuò)散現(xiàn)象說明分子在運(yùn)動(dòng)，那么剛剛的實(shí)驗(yàn)又為我們表明，溫度越高，分子運(yùn)動(dòng)越—— （生：越劇烈）

教師介紹：科學(xué)的發(fā)現(xiàn)必將應(yīng)用于發(fā)展，我們?cè)谏a(chǎn)半導(dǎo)體器件的時(shí)候需要在純凈的半導(dǎo)體材料中滲入其他元素，這一過程就可以在高溫條件下通過分子的擴(kuò)散來完成。

教師：你還有沒有擴(kuò)散的生活應(yīng)用例子？（學(xué)生舉例鹵蛋等）

“分子在運(yùn)動(dòng)”這個(gè)結(jié)論的得出不難，但觀點(diǎn)的提出需要有證據(jù)的支持，這也是對(duì)學(xué)生“證據(jù)意識(shí)”的培養(yǎng)。擴(kuò)散現(xiàn)象是宏觀的，如何由宏觀現(xiàn)象得到微觀粒子運(yùn)動(dòng)的結(jié)論，就需要學(xué)生進(jìn)行邏輯推理。關(guān)于擴(kuò)散現(xiàn)象與溫度的關(guān)系，讓學(xué)生從現(xiàn)象開始作假設(shè)，再實(shí)踐驗(yàn)證猜想，這就是一次完整的科學(xué)探究過程。而通過實(shí)驗(yàn)探究歸納總結(jié)出觀點(diǎn)則是“科學(xué)思維”中歸納推理的應(yīng)用?？茖W(xué)結(jié)論的得出要服務(wù)于社會(huì)發(fā)展，讓學(xué)生在生活中找尋“溫度越高擴(kuò)散現(xiàn)象越劇烈”的應(yīng)用實(shí)例，也是科學(xué)價(jià)值的呈現(xiàn)，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

2.2 教學(xué)環(huán)節(jié)四：“布朗運(yùn)動(dòng)”實(shí)驗(yàn)

2.2.1 實(shí)驗(yàn)觀察

思考：你還有什么辦法可以說明分子在運(yùn)動(dòng)？（生：用顯微鏡直接觀察）

教師介紹：大約在200年前，英國植物學(xué)家布朗就是通過光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令他無法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，轟動(dòng)一時(shí)。接下來，老師為大家重現(xiàn)一下當(dāng)時(shí)布朗的研究。

教師邊操作邊介紹實(shí)驗(yàn)器材。

請(qǐng)學(xué)生觀察現(xiàn)象：你看到了什么？（PPT提示：誰？在干嘛？有什么特點(diǎn)？）

教師引導(dǎo)：看到了？

生：分子在動(dòng)。

教師提問：我們使用的光學(xué)顯微鏡放大倍數(shù)為1000倍，用它能觀察到分子嗎？

生：不能。

師：為什么不能？

生：尺寸不一樣，用光學(xué)顯微鏡我們看到的是10-7 m大小的微小顆粒，分子的尺寸是10-10 m。

師：所以我們觀察到的是不是分子在動(dòng)？（生：不是）

教師引導(dǎo)：它在怎么動(dòng)？

生：無規(guī)則地動(dòng)。

師：你怎么證明它們?cè)跓o規(guī)則運(yùn)動(dòng)？（請(qǐng)學(xué)生在黑板上描幾個(gè)點(diǎn)，投影放大看）

教師進(jìn)一步引導(dǎo)：你和科學(xué)家們想的一樣，他們也追蹤了一些顆粒，畫了這些圖樣。這些是不是顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡？（生：不是，因?yàn)橹虚g的時(shí)刻點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置不一定在折線上）你能不能預(yù)測(cè)下一刻在哪？（生：不能）

生總結(jié)：微小顆粒在做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于“運(yùn)動(dòng)”，學(xué)生在剛步入高中階段就學(xué)習(xí)了對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述，所以由“觀察”直接得到分子運(yùn)動(dòng)，是對(duì)前期學(xué)習(xí)的簡單遷移。高中物理的學(xué)習(xí)離不開實(shí)驗(yàn)，觀察能力是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)簡明扼要地描述實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，對(duì)學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)至關(guān)重要。由數(shù)據(jù)分析得到尺寸不對(duì)進(jìn)而證明微小顆粒不是分子，這也是對(duì)學(xué)生證據(jù)意識(shí)、推理能力的鍛煉。而最終讓學(xué)生總結(jié)出“微小顆粒在做無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)”也是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重要步驟——?dú)w納，從大量實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中歸納總結(jié)出一般性規(guī)律是我們物理學(xué)發(fā)展的重要途徑。抓住每一次機(jī)會(huì)讓學(xué)生學(xué)會(huì)總結(jié)與反思，對(duì)學(xué)生未來發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

2.2.2 建模推理解釋現(xiàn)象

再觀察：同學(xué)們描點(diǎn)反映出來的顆粒的運(yùn)動(dòng)劇烈程度好像也不一樣？（生：小的運(yùn)動(dòng)更劇烈）

分析觀察結(jié)果產(chǎn)生的原因。

教師提問：顆粒為什么動(dòng)？（外界因素排除，發(fā)現(xiàn)不影響）

教師提問：那你能不能解釋一下顆粒運(yùn)動(dòng)的無規(guī)則性？

教師提問：那你能不能解釋一下為什么大小顆粒的運(yùn)動(dòng)情況不同呢？

學(xué)生分組討論。

總結(jié)：通過顆粒的運(yùn)動(dòng)間接推理出了周圍水分子的運(yùn)動(dòng)。

教師提問：類比一下擴(kuò)散現(xiàn)象，你有沒有辦法讓顆粒運(yùn)動(dòng)得更劇烈？（生：加熱）

教師演示：冷熱對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想。（先錄屏保留微粒未加熱前的運(yùn)動(dòng)情況，再和加熱后的同屏播放對(duì)比）

請(qǐng)學(xué)生總結(jié)：溫度越高，顆粒運(yùn)動(dòng)越劇烈。

這個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)主要是鍛煉學(xué)生“科學(xué)推理”的能力，去找尋微小顆粒運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)原因。并且通過模型建構(gòu)解釋“為什么越小的微粒運(yùn)動(dòng)越劇烈”“為什么溫度越高運(yùn)動(dòng)越劇烈”等由他們自己觀察發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生形成建構(gòu)物理模型抽象概括和推理論證的科學(xué)思維品質(zhì)。讓學(xué)生通過類比遷移提出“升溫讓顆粒運(yùn)動(dòng)更劇烈”的辦法，也是對(duì)前面知識(shí)的調(diào)用和對(duì)“溫度影響”的進(jìn)一步強(qiáng)化。

2.2.3 物理學(xué)史教育

教師介紹：剛剛我們的實(shí)驗(yàn)其實(shí)就是重現(xiàn)1827年布朗的研究，他通過顯微鏡發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在水中總是會(huì)發(fā)生無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)無法被解釋。布朗一開始認(rèn)為可能是植物花粉有生命產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)，于是他換成了上百年的植物標(biāo)本，換成了無機(jī)物粉末，但發(fā)現(xiàn)即使是用沒有生命的無機(jī)物粉末，也可以看到相似的情況。布朗發(fā)現(xiàn)并提出這個(gè)微觀世界運(yùn)動(dòng)的問題在當(dāng)時(shí)激起了很多科學(xué)家的探索熱情，紛紛提出了自己的猜想，建模并嘗試通過實(shí)驗(yàn)佐證自己的觀點(diǎn)，推動(dòng)了微觀世界的探索進(jìn)程。包括我們所熟悉的愛因斯坦也做過定量研究，發(fā)表過相關(guān)論文，而法國物理學(xué)家佩蘭也因?yàn)槎繉?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了布朗運(yùn)動(dòng)理論而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

為了紀(jì)念布朗，我們將“懸浮在液體（或氣體）中的微小顆粒永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)”稱為布朗運(yùn)動(dòng)。

科學(xué)推動(dòng)社會(huì)發(fā)展，布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于核磁共振成像、金融股票建模等領(lǐng)域。

這里是對(duì)物理學(xué)史的回顧，讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己的探究路徑和科學(xué)家不謀而合，進(jìn)而產(chǎn)生自豪感；前人因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)，更是激發(fā)了學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的熱情。布朗的探究過程，也體現(xiàn)出了科學(xué)家鍥而不舍、嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。而如今，布朗運(yùn)動(dòng)模型在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用更是推動(dòng)了社會(huì)發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生為科學(xué)進(jìn)步而努力的責(zé)任意識(shí)。

3 抓住課堂總結(jié)，提升歸納能力

教師引導(dǎo)：圍繞著“分子運(yùn)動(dòng)的證據(jù)”，我們研究了擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)，你能否總結(jié)一下它們有哪些聯(lián)系？

生：無規(guī)則，永不停息，和溫度有關(guān)。

教師總結(jié)：這些其實(shí)就是分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，因?yàn)楹蜏囟扔嘘P(guān)，所以我們把分子永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)叫作熱運(yùn)動(dòng)。

這部分是對(duì)本堂課的總結(jié)，讓學(xué)生歸納能夠幫助他們回顧知識(shí)點(diǎn)和提煉重點(diǎn)，在過程中體會(huì)歸納對(duì)物理學(xué)習(xí)的重要性。

一節(jié)物理課可容納的核心素養(yǎng)提升點(diǎn)很多（歸納、推理、建模等），把細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)好，讓學(xué)生在教師引導(dǎo)下把問題有理有據(jù)地講明白，才能真正實(shí)現(xiàn)物理核心素養(yǎng)指引下高中物理課堂中對(duì)知識(shí)教學(xué)、能力提升、素養(yǎng)培育的教育教學(xué)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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［2］覃揮光.以科學(xué)思維整合高中重點(diǎn)物理知識(shí)的教學(xué)研究［J］.物理教學(xué)探討，2023，41（6）：7-11.

［3］趙娟娟，王慧慧.基于科學(xué)思維的高中物理教學(xué)設(shè)計(jì)——以“液體的表面張力”為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2023，52（14）：33-35.

（欄目編輯 趙保鋼）