指向?qū)W生科學思維發(fā)展的教學設(shè)計

摘" 要：分子動理論的相關(guān)概念較容易理解，學生要識記相關(guān)內(nèi)容也并不困難，但分子動理論三條規(guī)律的知識建構(gòu)過程對學生來說是科學思維發(fā)展的重要過程，教師不可錯失這個教學機會。本文以人教版物理九年級“分子熱運動”的教學為例，說明如何在課堂教學中發(fā)展學生科學思維。

關(guān)鍵詞：分子熱運動；物理科學思維；物理核心素養(yǎng)

基金項目：

本文系江蘇省2021年度第十四期教學研究課題“基于課堂實驗培養(yǎng)初中生物理思維能力的實踐研究”（課題編號：2021JY14-XK-L05）的研究成果。

1" 初中學生物理科學思維發(fā)展現(xiàn)狀

《義務教育物理課程標準（2022年版）》把“科學思維”列為初中學生的四大物理核心素養(yǎng)之一，它不僅是一個建立物理觀念的方法，更是學生科學素養(yǎng)的一個重要組成部分?？茖W思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式；是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學推理對不同信息、觀點和結(jié)論進行質(zhì)疑和批判，予以檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力。［1］

然而，申亞琴在《初中生的物理科學思維能力現(xiàn)狀調(diào)查》中明確提出，初中生往往更關(guān)注表面、程序、結(jié)果的討論行為，而科學推理能力和科學論證能力相對較弱。課堂上很少有學生會對同學的表述質(zhì)疑或者產(chǎn)生疑問，這顯示出初中生

缺乏質(zhì)疑創(chuàng)新能力，對相關(guān)信息和方案不能提出自己的見解。［2］因此，在初中物理課堂上，教師應當有意識地培養(yǎng)學生的科學思維。

2" “分子熱運動”學習內(nèi)容分析

“分子熱運動”是人教版《義務教育教科書" 物理" 九年級" 全一冊》第十三章第1節(jié)的內(nèi)容，這是學生第一次將研究的視角轉(zhuǎn)移到物體的內(nèi)部。由于肉眼無法直接觀察到物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，教師必須通過各種物理方法來建構(gòu)學生對分子熱運動的認識。在本節(jié)課的教學中，教師應當引導學生嘗試模仿科學家探索微觀世界的方式，根據(jù)現(xiàn)象選擇合適的物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并運用類比的方法來理解分子之間存在空隙這一事實；通過設(shè)計實驗和收集生活經(jīng)驗中的證據(jù)，歸納得出分子在做永不停息的無規(guī)則運動的結(jié)論，并根據(jù)擴散現(xiàn)象選擇分子無規(guī)則運動的模型；同時，學生需要通過設(shè)計實驗和收集生活經(jīng)驗中的證據(jù)，歸納得出分子間存在引力和斥力的結(jié)論，并用類比的方法理解分子間引力和斥力的表現(xiàn)。通過本節(jié)內(nèi)容的學習，學生不僅要收獲物理知識，還要提升科學思維能力。

3" 教學實施

科學思維主要包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。思維鏈可概括為：物理現(xiàn)象—頭腦中的物理圖景—物理模型—邏輯推理—數(shù)學處理—結(jié)論分析—規(guī)律應用。教師在教學過程中，應讓學生通過對實例的分析來學習正確的思維程序，以此培養(yǎng)學生良好的思維習慣。

3.1" 在模型建構(gòu)過程中培養(yǎng)學生的科學思維

學生實驗1：請用炭筆在素描紙上輕輕畫一條線，然后用放大鏡觀察所畫的筆跡，你觀察到什么現(xiàn)象？

學生實驗2：玻璃管中已有一半體積的水，用注射器向其中注入酒精直至總液體體積到達指定刻度線所在位置。隨后封閉管口，并將玻璃管反復翻轉(zhuǎn)，使水和酒精充分混合后將玻璃管

管口朝上靜置，觀察液面的位置，你有什么發(fā)現(xiàn)？

師：以下是關(guān)于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三種模型。你認為哪種模型能夠解釋上述活動中看到的現(xiàn)象？請選擇一種模型，并嘗試解釋上述現(xiàn)象。

模型一：物質(zhì)是由微粒組成的，各個微粒緊靠在一起。

模型二：固體是由微粒組成的，液體是連成一片的。

模型三：物質(zhì)是由微粒組成的，微粒之間有空隙。

演示實驗：乒乓球和米粒混合。

師：老師剛剛演示的現(xiàn)象與你們做的實驗2有什么相似之處？同學們利用模型和類比的方法初步了解了物質(zhì)的內(nèi)部構(gòu)成，直至今天，科學家們?nèi)匀辉谑褂眠@些科學方法。科學家們認為，常見物質(zhì)都是由極其微小的微粒——分子、原子構(gòu)成，微粒之間有空隙。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，科學家們已經(jīng)可以通過電子顯微鏡親眼看到物質(zhì)內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)了。這是電子顯微鏡下水分子的分布樣態(tài)圖（見圖1）。

師：科學家們所說的極其微小是有多小呢？讓我們來認識一下。分子的直徑大約只有10－10m。如果把一個分子跟一個乒乓球作比較的話，他們大小的比例關(guān)系相當于把一個乒乓球與地球作比較。一滴水中大約含有1021個水分子，假如一個人一秒鐘可以數(shù)出1萬個（104個）水分子，那么一個人要把一滴水中的分子數(shù)完，需要多長時間？（約30億年）

設(shè)計意圖：借用科學家的“觀察—建模—驗證”的邏輯來認識物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，是一種非常貼近學生認知發(fā)展區(qū)的方法。關(guān)于分子之間是連續(xù)的還是有空隙的問題，學生已經(jīng)通過水和酒精的混合實驗，有了初步的感知和猜想，再利用乒乓球和米粒的混合現(xiàn)象與水和酒精的混合現(xiàn)象之間的相似性，幫助學生進行類比遷移。事物之間的相似性為類比方法提供了邏輯推理的客觀依據(jù)，人腦的生理結(jié)構(gòu)和功能又為類比方法提供了生理條件，二者共同作用，可以幫助學生很好地理解肉眼無法觀察到的現(xiàn)象。例如，分子之間存在著空隙。學生通過這部分內(nèi)容的學習，可以促進自身模型建構(gòu)能力的發(fā)展。

3.2" 在實驗探究中培養(yǎng)學生的科學思維

師：物體內(nèi)部有如此多的分子，它們是處于運動狀態(tài)，還是靜止狀態(tài)呢？要研究這個問題，我們得有轉(zhuǎn)換的思想，通過能直接感知的現(xiàn)象，來推測無法直接感知的事實。讓我們一起來進行這項探索。

演示實驗：下方的瓶子中裝有密度較大的紅棕色二氧化氮氣體，而上方的瓶子中裝有密度較小的無色空氣。抽取隔板，你有什么發(fā)現(xiàn)？

師：我們把不同的物質(zhì)在互相接觸時彼此進入對方的現(xiàn)象，叫作擴散。你覺得這一擴散現(xiàn)象說明了什么？

師：你還能想到哪些證據(jù)表明分子在運動？這種運動是有規(guī)律的，還是無規(guī)則的？依據(jù)是什么？

師：你能用生活實例或者所給實驗器材設(shè)計實驗證明擴散也可以發(fā)生在液體（固體）之間嗎？

師：你覺得他的設(shè)計方案怎么樣？

演示實驗：向水中滴紅墨水，這一實驗真能證明液體發(fā)生了擴散嗎？說說你的想法。如何改進實驗？

師：請將紅墨水分別滴入不同溫度的水中（見圖2），觀察是否發(fā)生了擴散現(xiàn)象？兩者現(xiàn)象有何不同？說明什么？

師：我們把分子的無規(guī)則運動叫作分子的熱運動。你覺得哪一個模型（見圖3）更接近分子的無規(guī)則運動？

師：我們再一次運用模型法來解決下面的問題。

例" 下列現(xiàn)象屬于擴散現(xiàn)象嗎？說說你的想法。

A. 花香四溢B. 塵土飛揚

C. 炊煙四起D. 糖溶于水

設(shè)計意圖：這部分教學設(shè)計運用了比較法和轉(zhuǎn)換法。運用科學的物理方法可以幫助學生更好地建立物理圖景，提升科學思維能力。這些方法在學生將來的學習中會發(fā)揮重要作用，授之以魚，不如授之以漁?？茖W方法的習得，是科學思維能力真正提升的開始。

3.3" 在觀察類比中培養(yǎng)學生的科學思維

師：既然組成物質(zhì)的分子在不停地做無規(guī)則運動，那么物體為什么沒有因此而解體，始終能夠保持一個完整的形態(tài)呢？你的猜想是什么？（例如分子之間有引力）

演示實驗：用刨刀將兩個鉛柱的底面削平并清理干凈，然后將它們緊緊擰壓在一起，說說你觀察到的現(xiàn)象。

師：這一實驗一定能證明分子間有引力嗎？還記得我們在八年級時做過的一個實驗嗎？我們將兩個吸盤壓在一起后再松手，發(fā)現(xiàn)兩個吸盤也會緊緊地吸在一起，這是因為什么呢？對于這個鉛柱實驗，我們應該如何改進，才能排除大氣壓的干擾呢？

圖4（a） 在空氣中相互吸引在一起的兩鉛柱能吊起重物，無法判定是由于分子間引力還是大氣壓的作用。

圖4（b） 在真空罩中相互吸引在一起的兩鉛柱仍然能吊起重物，排除了大氣壓的作用，可以判定該現(xiàn)象

是由于分子間存在吸引力。

圖4（c） 在真空罩中相互吸引在一起的兩吸盤會自然脫落，是由于真空中大氣壓強為零。

（a）

（b）

（c）

師：我們用鉛柱實驗證明了固體分子之間有吸引力，那么你能設(shè)計一個實驗來證明液體分子或氣體分子間有吸引力嗎？（例如肥皂膜實驗、液橋?qū)嶒灒?/p>

師：分子之間有斥力嗎？你能列舉出哪些證據(jù)？（例如固體和液體很難被壓縮）

師：分子間既有相互作用的引力，又有相互作用的斥力。那么，在什么情況下它們會表現(xiàn)為引力，又在什么情況下會表現(xiàn)為斥力呢？我們不妨利用“彈簧＋小球”的模型來加深理解。

學生演示：當把小球向外拉開時，彈簧的作用表現(xiàn)為向內(nèi)的引力。當把小球向內(nèi)擠壓時，彈簧的作用表現(xiàn)為向外的斥力。

分子之間的作用力也可以類比為這樣的模型。當分子處于平衡位置時，分子之間引力等于斥力；當分子間距離變小時，分子間作用力表現(xiàn)為斥力；當分子間距離變大時，分子間作用力表現(xiàn)為引力；當分子相距很遠時，分子間幾乎無作用力。

師：為什么手機屏裂了之后無法自動復原？

設(shè)計意圖：這部分教學運用到觀察法、模型法、類比法、轉(zhuǎn)換法、歸納法等多種教學方法，既能讓學生更好地建立關(guān)于分子動理論的物理觀念，又能提升他們的科學思維能力。一些教師會將高中課本上的分子間作用力與分子間距的關(guān)系圖引入本節(jié)課的教學，試圖幫助學生理解分子間的作用力。然而，這張關(guān)系圖需要學生從力的合成的角度去認識分子間作用力，這實際上并沒有降低理解難度，反而增加了學生的認知障礙，因此不建議采用這種方法。

4" 結(jié)語

在物理教學中，物理知識的學習通常表現(xiàn)為顯性的收獲，這種收獲更容易引起師生雙方的關(guān)注。然而，物理思維的發(fā)展也屬于教學內(nèi)容，但這是一個隱性的成長過程。教師在教學中要處理好顯性與隱性的關(guān)系，循序漸進地開展教學，幫助學生提升科學素養(yǎng)。教師要注重挖掘教學中的有利契機，一般來說，在物理知識點的建立、引申和擴展中，在知識點之間的連接處，以及在應用知識解決實際問題中，均有物理科學思維發(fā)展的機會。在日常教學中，教師還應當加深對科學方法教育的認識與理解，這樣才能更好地在教學中促進學生物理科學思維的發(fā)展。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：4-5.

［2］ 申亞琴.初中生的物理科學思維能力現(xiàn)狀調(diào)查［J］.中學物理，2023，41（6）：23-25.