基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實驗銜接教學(xué)設(shè)計

人教版物理選擇性必修第三冊第一章第二節(jié)“實驗：用油膜法估測油酸分子的大小”是“分子動理論”的重要實驗內(nèi)容，也是高中物理實驗教學(xué)的重點和難點。初中階段學(xué)生對分子的認(rèn)識僅停留在定性層面，缺乏定量測量的實踐經(jīng)驗。因此，科學(xué)設(shè)計該實驗的銜接教學(xué)方案，對幫助學(xué)生建立完整的分子概念體系至關(guān)重要。

“用油膜法估測油酸分子的大小\"實驗在高中物理實驗板塊中相對獨立，與其他物理實驗關(guān)聯(lián)性不強，因此該實驗的銜接教學(xué)存在一定難度。該實驗不僅要求學(xué)生掌握基本實驗技能，更需要培養(yǎng)其元認(rèn)知能力，引導(dǎo)學(xué)生在實驗過程中持續(xù)思考“這一步對實驗有何作用\"\"為什么要這樣做\"\"怎么做才能夠使實驗步驟更加簡單”。若缺少這個過程，學(xué)生可能只會機械執(zhí)行實驗步驟，思維未能深度參與。本研究基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，以初中階段學(xué)生的分子認(rèn)知水平為基礎(chǔ)，設(shè)計學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑，著力提升學(xué)生的科學(xué)探究能力，實現(xiàn)實驗過程中思維發(fā)展與實驗操作的有機統(tǒng)一。

一、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計模型

學(xué)習(xí)進(jìn)階是指學(xué)生在特定時間段內(nèi)，圍繞某一學(xué)習(xí)主題，通過有序的學(xué)習(xí)探索過程，形成連續(xù)發(fā)展的思維模式。實踐是推動學(xué)生能力提升的關(guān)鍵?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計，旨在科學(xué)規(guī)劃學(xué)習(xí)路徑，確保學(xué)習(xí)過程系統(tǒng)高效，促進(jìn)學(xué)生深度理解與全面發(fā)展?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計模型如圖1所示[1]。

“用油膜法估測油酸分子的大小\"實驗的教學(xué)設(shè)計聚焦三大要點：其一，精準(zhǔn)分析學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)與期望認(rèn)知狀態(tài)，合理推測中間認(rèn)知狀態(tài)；其二，設(shè)計有效教學(xué)策略，如采用任務(wù)驅(qū)動、問題導(dǎo)向等方法，激發(fā)學(xué)生主動思考，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展；其三，構(gòu)建完善的反饋體系，持續(xù)優(yōu)化學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑，同時細(xì)致分析各教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計意圖，確保教學(xué)目標(biāo)精準(zhǔn)達(dá)成。

二、基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實驗銜接教學(xué)設(shè)計

（一）基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析

要實現(xiàn)最終的教學(xué)目標(biāo)，需具體分析各教學(xué)環(huán)

節(jié)中學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計學(xué)習(xí)過程?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的學(xué)情分析如表1所示。

（二）學(xué)習(xí)過程的設(shè)計

學(xué)習(xí)過程的設(shè)計應(yīng)參考學(xué)生的現(xiàn)有認(rèn)知狀態(tài)和期望認(rèn)知狀態(tài)來評估其中間認(rèn)知狀態(tài)。此環(huán)節(jié)在教學(xué)設(shè)計中至關(guān)重要，其目的是通過“設(shè)計一實踐一反思一再設(shè)計\"的循環(huán)過程，反復(fù)調(diào)整學(xué)生的中間認(rèn)知狀態(tài)，使其不斷接近學(xué)生的真實學(xué)習(xí)狀態(tài)。“用油膜法估測油酸分子的大小\"實驗的學(xué)習(xí)過程設(shè)計如圖2所示[2]

（三）教學(xué)開發(fā)

教學(xué)開發(fā)是指教師依據(jù)預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)過程，選擇恰當(dāng)?shù)尿?qū)動性問題，設(shè)計循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)任務(wù)和教學(xué)環(huán)節(jié)。本實驗課程主要包含環(huán)節(jié)：引入、實驗思路分析、物理量測量、實驗方案設(shè)計、小組實驗、結(jié)果展示、誤差分析、實驗改進(jìn)和拓展、實驗反思。

【環(huán)節(jié)一】引入

教師聯(lián)系初中物理知識，引導(dǎo)學(xué)生回顧分子的數(shù)量級、特性以及分子與物質(zhì)的關(guān)系。

問題1：什么叫分子？

問題2：分子的大小是多少？一瓶水大概有多少個分子？問題3：分子有哪些特性？問題4：分子與物質(zhì)的關(guān)系是什么？問題5：如何測量分子的大??？設(shè)計意圖：問題1至問題4回顧初中物理中關(guān)于分子認(rèn)識的知識，幫助學(xué)生打開思路，避免實驗內(nèi)容的突兀引入，使教學(xué)過渡更自然，最終引出本實驗的核心任務(wù) ——問題5[3]。

【環(huán)節(jié)二】實驗思路分析

安排學(xué)生閱讀教科書5分鐘，熟悉實驗整體思路，同時展示實驗器材，為學(xué)生的思考提供參照，

問題6：本實驗采用了哪種物理實驗方法？

追問：如何運用理想模型法設(shè)計實驗方案？

學(xué)生回答：將油酸分子理想化處理，把滴在水面上的油酸層當(dāng)作單分子油膜層，認(rèn)為油酸分子一個個緊挨著整齊排列，且呈球形。

問題7：根據(jù)這樣的理想化模型，如何計算油酸分子直徑？

教師：請同學(xué)們觀察圖3，將體積為V的油滴滴在水面上形成單分子油膜。若將油膜視為高度為D 的扁平柱體，其體積是 V ，面積是 s ，利用體積公式可得到 V = S D 。由于 D 為油膜分子的直徑，故分子直徑計算公式為

問題8：計算出油酸分子的直徑后，應(yīng)如何進(jìn)一步計算油酸分子的大??？

板書：球體體積公式為 追問：用公式 ml可行嗎？

學(xué)生回答：不可行，因為分子之間是有間隙的，所以用此公式計算誤差較大。

板書：

分子體積和直徑的計算公式：

固體和液體： 為分子直徑；氣體： 是兩個分子間的距離。

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生運用理想模型法進(jìn)行實驗設(shè)計，深化學(xué)生對實驗原理的理解。通過板書實驗原理，實時指導(dǎo)學(xué)生運用該方法思考，幫助學(xué)生聚焦實驗操作，提高學(xué)習(xí)效率，確保實驗教學(xué)效果。

【環(huán)節(jié)三】物理量測量

讓學(xué)生繼續(xù)閱讀教科書，并思考需測量哪些物理量，然后回答以下問題。

問題9：為什么要用酒精來混合油酸？如何計算較小體積的油酸？如果將 1 m L 油酸加入 1 9 9 m L 酒精中，用滴管測得該溶液有50滴，那么1滴中有多少純油酸？

問題10：為什么要撒痱子粉（或細(xì)石膏粉）？撒得太多可以嗎？會有什么影響？

問題11：如何測定油膜的面積？

問題12：該實驗需要哪些器材？

問題13：測出的分子直徑數(shù)量級是多少？（一般分子直徑的數(shù)量級是 ，質(zhì)量的數(shù)量級是 （

設(shè)計意圖：問題9和問題10涉及較為生疏的實驗操作，學(xué)生缺乏相關(guān)實驗基礎(chǔ)。指導(dǎo)學(xué)生通過閱讀教科書自主探究問題答案，培養(yǎng)獨立完成任務(wù)的能力。問題11和問題12基于前文引入及已學(xué)的初中物理實驗，便于學(xué)生展開聯(lián)想，比較不同方法的優(yōu)劣。問題13作為實驗后的思考題，列出待測物理量供學(xué)生作答[4]

【環(huán)節(jié)四】實驗方案設(shè)計

各小組依據(jù)分配的實驗器材，合作設(shè)計并展示實驗方案，方案需包含器材配置圖示及詳細(xì)操作步驟。

設(shè)計意圖：培養(yǎng)學(xué)生實驗方案設(shè)計能力，該成果既可作為學(xué)習(xí)評估依據(jù)，又能為后續(xù)實驗操作提供保障。

【環(huán)節(jié)五】小組實驗

小組實驗時，教師需巡視指導(dǎo)，適時提問：當(dāng)前實驗進(jìn)展如何？此步驟在整體實驗流程中的作用是什么？這一操作對實驗結(jié)果有何影響？操作時需注意哪些細(xì)節(jié)？引導(dǎo)學(xué)生將思維融入實驗操作，確保每一步都經(jīng)過深思熟慮，從而真正實現(xiàn)思維引導(dǎo)下的科學(xué)探究。

【環(huán)節(jié)六】結(jié)果展示

以小組為單位展示測得的油膜面積數(shù)據(jù)以及計算得出的油酸分子直徑。

問題14：你是如何計算油膜面積的？

追問：使用方格紙測量時，未填滿整格的部分應(yīng)如何計算？

設(shè)計意圖：問題14及追問引導(dǎo)學(xué)生理解方格紙在計算油膜面積中的作用。通過比較不同計算方法，培養(yǎng)學(xué)生的探究意識。最終由教師確定最優(yōu)方法，以提升學(xué)生思維的嚴(yán)謹(jǐn)性。

【環(huán)節(jié)七】誤差分析

問題15：我們已經(jīng)利用實驗測得了油酸分子的直徑，但各組測量的油酸分子直徑存在差異，說明實驗存在誤差。那么，本實驗存在哪些誤差呢？

問題16：這些誤差對實驗結(jié)果有哪些影響？有哪些改進(jìn)措施？

設(shè)計意圖：問題15通過對比各組實驗數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析可能的誤差來源，如溶液濃度偏差、滴液體積誤差、油膜形狀及分布對面積計算的影響、油酸擴(kuò)散不完全等。問題16首先具體分析誤差對實驗結(jié)果的影響，然后指出實驗操作中的常見問題，最后提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。通過這一過程，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)分析實驗誤差的能力，使其深刻認(rèn)識誤差分析在科學(xué)探究中的核心地位，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與較強的分析能力。

【環(huán)節(jié)八】實驗改進(jìn)和拓展

引導(dǎo)學(xué)生從誤差分析或?qū)嶋H操作實踐出發(fā)，提出實驗改進(jìn)方案，并思考能否運用此方法測量其他分子的大小，從而培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

問題17：除了油酸分子，能否用此方法測量其他分子的大??？

追問：測量不同種類分子時，實驗操作需進(jìn)行哪些具體調(diào)整？

設(shè)計意圖：問題17及追問旨在引導(dǎo)學(xué)生突破對本實驗的固有認(rèn)知。通過思考能否用此方法測量其他分子大小，促使學(xué)生將本次實驗的原理和方法進(jìn)行遷移拓展，培養(yǎng)其知識運用能力與發(fā)散思維能力；探討測量不同分子時實驗操作的具體調(diào)整，讓學(xué)生深入理解實驗的本質(zhì)和適用條件，提升對實驗變量的控制和優(yōu)化能力，進(jìn)而全面提升學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維能力。

【環(huán)節(jié)九】實驗反思

引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實驗反思并填寫以下表格（見表2）。

設(shè)計意圖：通過實驗反思幫助學(xué)生全面回顧實驗流程，深化細(xì)節(jié)記憶，激發(fā)新思考?！白⒁馐马棥陛o助復(fù)習(xí)步驟并促進(jìn)自我評估與反思；“改進(jìn)方法”引導(dǎo)學(xué)生突破思維定式，運用所學(xué)知識批判性分析實驗局限，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。實驗反思過程不僅可以幫助學(xué)生鞏固知識，還能提升學(xué)生的思維能力與創(chuàng)新能力。

（四）教學(xué)反饋

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初高中物理實驗銜接教學(xué)設(shè)計應(yīng)把握以下四個要點：（1）以初中物理知識為基礎(chǔ)創(chuàng)設(shè)問題情境，幫助學(xué)生基于現(xiàn)有認(rèn)知基礎(chǔ)展開學(xué)習(xí)；（2）根據(jù)學(xué)習(xí)關(guān)鍵點設(shè)置相應(yīng)的“階”，并在學(xué)生“進(jìn)階\"后給予反饋；（3）分層設(shè)計物理實驗情境，優(yōu)化學(xué)習(xí)路徑，降低實驗操作難度；（4）預(yù)設(shè)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可能提出的問題，并準(zhǔn)備解答方案，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)[5]

[參考文獻(xiàn)]

[1][2］戴耀東.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理實驗教學(xué)設(shè)計：以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例[J].物理教師，2023，44（9）：13-16.

[3」丁松，鄭宏偉.巧用“瓶瓶罐罐”做教具讓深度學(xué)習(xí)真實發(fā)生：以“實驗：用油膜法估測油酸分子的大小”教學(xué)設(shè)計為例[J].中學(xué)物理，2022，40（9）：36-39.

[4]喬蒙蒙，耿宜宏.“學(xué)習(xí)即研究”觀點下的實驗教學(xué)實踐：以“實驗：用油膜法估測油酸分子的大小”教學(xué)為例[J].物理之友，2024（1）：6-8.

[5」蔡千斌.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的高中物理“學(xué)生實驗”教學(xué)設(shè)計：以“測定玻璃的折射率”為例[J].物理教師，2020，41（11）：16-19.

（責(zé)任編輯 黃春香）