符譯丹 陳立萬

（1.重慶三峽學(xué)院教師教育學(xué)院，重慶 404100；2.重慶三峽學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，重慶 404100）

目前，傳統(tǒng)的高中物理教學(xué)側(cè)重理論分析，注重考試分數(shù)；對學(xué)生的實際操作能力不重視，忽視學(xué)生思維方法的培養(yǎng).學(xué)生照搬教師的分析方法，簡單建立了解題思維，而物理科學(xué)思維并沒有建立，學(xué)生的核心素養(yǎng)也沒有得到真正的培養(yǎng).［1］

在新課標(biāo)背景下，為突破傳統(tǒng)的物理教學(xué)方法，本文以“液體的表面張力”為例，探索采用“5E”教學(xué)模式，通過吸引、探究、解釋、遷移、評價等5個教學(xué)環(huán)節(jié)進行高中物理教學(xué)設(shè)計和教學(xué)實踐.［2］在教學(xué)設(shè)計和實踐過程中，以核心素養(yǎng)的科學(xué)思維培養(yǎng)作為教學(xué)主線，融入課程思政、課堂探究體驗，采用結(jié)果評價、過程評價、增值評價相結(jié)合的綜合評價，［3］以期實現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng)，并為教師進行教學(xué)改革提供一個切實可行的方法.

1 教學(xué)內(nèi)容分析

人教社2019版教材相關(guān)的“液體的表面張力”內(nèi)容是在探討氣體和固體性質(zhì)的基礎(chǔ)上，對液體性質(zhì)的進行探討，與上一節(jié)的內(nèi)容構(gòu)成了3種狀態(tài)完整的知識體系.同時，為后續(xù)毛細現(xiàn)象及液晶的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ).［4］

根據(jù)教材內(nèi)容與《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》課標(biāo)要求，依據(jù)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的水平劃分，物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)達到以下4個方面要求.［5］

（1）物理觀念.通過實驗，觀察液體的表面張力現(xiàn)象；知道液體的表面張力概念.

（2）科學(xué)思維.能對物理現(xiàn)象進行科學(xué)推理，提出猜想；通過對物理實驗的科學(xué)推理，獲得液體表面張力特性的有關(guān)結(jié)論；能將液體表面層分子之間的關(guān)系進行模型建構(gòu)；能從不同角度思考物理問題，質(zhì)疑創(chuàng)新，解釋液體表面張力形成原因.

（3）科學(xué)探究.通過液體表面張力實驗和探究，了解科學(xué)探究的方法；通過對表面張力的微觀解釋，了解運用分子動理論解釋宏觀現(xiàn)象的方法.

（4）科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.有學(xué)習(xí)物理的興趣，具有實事求是的態(tài)度，能與他人合作；認識到物理研究與應(yīng)用會涉及道德與規(guī)范問題，了解科學(xué)·技術(shù)·社會·環(huán)境的關(guān)系.

“液體的表面張力”教學(xué)重點為液體表面張力的概念，教學(xué)難點為液體表面張力的產(chǎn)生原因以及微觀解釋.在教學(xué)中運用現(xiàn)場投屏技術(shù)、視頻播放、多媒體動畫展示等現(xiàn)代化教學(xué)手段，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及注意力，將抽象理論“可視化”，最終解決學(xué)習(xí)的重難點問題.

2 “5E”教學(xué)模式的設(shè)計

“5E”教學(xué)模式是美國生物課程研究開發(fā)所（BSCS）針對科學(xué)教育而開發(fā)的教學(xué)模式，是一種基于建構(gòu)主義教學(xué)理論和概念轉(zhuǎn)變理論的模式.包含“吸引（Engagement）”、“探究（Exploration）”、“解釋（Explanation）”、“遷移（Elaboration）”、“評價（Evaluation）”5個教學(xué)環(huán)節(jié).［6-7］

在吸引環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)問題情境以吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生主動探究欲望.在探究環(huán)節(jié)設(shè)置實驗探究任務(wù)，學(xué)生經(jīng)歷問題探究過程，從而解決學(xué)生腦海當(dāng)中存在的認知沖突，得到正確的問題答案，并建立起科學(xué)概念.在解釋環(huán)節(jié)，將探究環(huán)節(jié)中所獲得的結(jié)論進行微觀分析，有助于教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)化，形成新的科學(xué)認知.遷移環(huán)節(jié)是對知識的拓展和應(yīng)用，以提升學(xué)生的知識運用能力.通過評價環(huán)節(jié)，了解學(xué)生對于概念的掌握情況，從而及時的調(diào)整教學(xué)方式和進度以改善教學(xué)的效果.［8］

在“液體的表面張力”教學(xué)中采用“5E”教學(xué)模式進行教學(xué)實踐，能夠調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，發(fā)揮學(xué)生的主動性，幫助學(xué)生建立物理科學(xué)概念，有效培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).教學(xué)流程圖如圖1所示.

圖1 “5E”教學(xué)流程圖

（1）吸引環(huán)節(jié)（新課導(dǎo)入）.

采用硬幣“漂浮”水面，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力.展示植物葉面水珠及小時候玩耍的吹泡泡游戲，引起學(xué)生的同頻共振，從生活走進物理.

（2）探究環(huán)節(jié)（實驗探究）.

教師進行實驗演示，學(xué)生分組實施探究活動.通過探究活動，鍛煉學(xué)生的動手能力，語言表達能力，培養(yǎng)熱愛勞動的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的合作精神和分析解決問題的能力.

（3）解釋環(huán)節(jié)（微觀解釋）.

液體的表面張力形成原因的解釋環(huán)節(jié)是本節(jié)課的教學(xué)難點.通過從液面分子拉進液體中形成表面張力觀點，以及液體表面分子間引力形成表面張力觀點來解釋肥皂膜收縮的原因，采用多媒體模擬微觀的液體表面分子間作用，實現(xiàn)了抽象思維“可視化”，加深了學(xué)生對液體表面張力概念的理解.同時，教師提出分子鏈形成“液膜”觀點，鼓勵學(xué)生在科學(xué)探究過程中，要有質(zhì)疑創(chuàng)新精神.

（4）遷移環(huán)節(jié)（知識應(yīng)用）.

對硬幣“漂浮”現(xiàn)象進行受力分析，鞏固表面張力的概念，避免概念的混淆.選取風(fēng)油精瓶設(shè)計和液體表面張力測試儀案例的應(yīng)用講解，鞏固所學(xué)知識，促進學(xué)生對科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境之間關(guān)系的了解.

（5）評價環(huán)節(jié)（綜合評價）.

評價環(huán)節(jié)貫穿整個教學(xué)過程中，包含學(xué)生在吸引環(huán)節(jié)、探究環(huán)節(jié)、解釋環(huán)節(jié)、遷移環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)表現(xiàn)的評價，以及課后作業(yè)完成情況的評價.

3 “5E”教學(xué)法的教學(xué)設(shè)計實踐

3.1 吸引環(huán)節(jié)

3.1.1 魔術(shù)表演

教師在課堂上進行硬幣“漂浮”水面的魔術(shù)表演（采用投屏技術(shù)，將表演過程投放到屏幕上）.第1次，隨意把硬幣慢慢往水中放，發(fā)現(xiàn)硬幣馬上沉入水中，如圖2（a）所示；第2次，用手指托起硬幣，使硬幣水平接觸水面上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)硬幣有“漂浮”在水面上的趨勢時，再將手慢慢從水中拿出，如圖2（b）所示.

圖2 魔術(shù)表演效果

教師提問：硬幣為什么能夠“漂浮”在水面上？

學(xué)生猜測：硬幣受到的浮力等于硬幣的重力.

教師引導(dǎo)：硬幣受到液體的浮力跟排開液體的容積有關(guān)，第1次，硬幣沉入水中，說明硬幣受到的浮力小于硬幣的重力.第2次，硬幣“漂浮”在水面上，并沒有排開液體，沒有受到浮力，反而沒有沉入水中.大家仔細觀察硬幣“漂浮”時，液體的表面現(xiàn)象.

學(xué)生分析：液面上好像有一個具有彈性的“液膜”，把硬幣托起.

3.1.2 生活現(xiàn)象重現(xiàn)

教師通過多媒體動畫向?qū)W生展示植物葉面水珠形狀，以及肥皂水吹出球狀的泡泡.如圖3所示.

圖3 生活現(xiàn)象演示

教師引導(dǎo)：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)液體表面有什么特點？

學(xué)生分析：液體表面好像有一層“膜”產(chǎn)生，將液體包圍成球形.

3.2 探究環(huán)節(jié)

3.2.1 教師演示肥皂膜收縮實驗

（1）利用中間綁有棉線和棉線圈的圓形金屬圈進行水膜實驗（采用投屏技術(shù)，將實驗過程投放到屏幕上），如圖4所示.

圖4 水膜收縮實驗

教師提問：刺破肥皂膜的一邊后，另一邊變化如何？將變化的現(xiàn)象填在表1中.

表1 水膜實驗現(xiàn)象

學(xué)生觀察：刺破棉線一側(cè)薄膜，另一側(cè)薄膜收縮，棉線繃緊，呈圓弧形狀；刺破棉線圈中間薄膜，棉線圈呈圓形.

教師引導(dǎo)：液體表面具有收縮趨勢，形成最小面積的“液膜”.下面請各位同學(xué)進行探究體驗，利用實驗和數(shù)學(xué)推導(dǎo)來證明老師的說法是否正確？

3.2.2 學(xué)生探究體驗

（1）肥皂膜收縮實驗.

提供金屬絲、鉗子、棉線、肥皂水等材料，教師現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)生制作各種金屬框進行肥皂膜收縮實驗.

教師點評：同學(xué)們做的金屬框非常有創(chuàng)意，也非常精美；肥皂膜收縮實驗也很成功.學(xué)生探究成果如圖5所示（現(xiàn)場拍攝照片）.

圖5 學(xué)生探究成果展示

（2）同周長圓面積最大推導(dǎo).

教師引導(dǎo)：對比周長為2πR的圓、正六邊形、正方形、等邊三角形（如圖6所示），推導(dǎo)出面積最大的平面圖形.

圖6 同周長不同形狀平面圖形

學(xué)生推導(dǎo)：圓的面積為3.14R2，正六邊形的面積為2.81R2，正方形的面積為2.46R2，等邊三角形的面積為1.91R2；形狀越趨近于圓，面積越大.

教師提問：為什么平面液膜收縮實驗的棉線呈現(xiàn)弧形，繃緊狀態(tài)？

學(xué)生分析：液體表面具有收縮趨勢，刺破的液面面積最大，剩下的液面形成最小面積的“液膜”.

（3）同體積球面積最小推導(dǎo).

圖7 同體積不同形狀立體圖形

學(xué)生推導(dǎo)：球的面積為12.56R2，正圓柱體的面積為14.38R2，正方體的面積為15.59R2，正三棱錐的面積為18.75R2；形狀越趨近于球，面積越小.

教師提問：為什么露珠和肥皂泡泡是球形？

學(xué)生分析：液體表面具有收縮趨勢，包圍在露珠和肥皂泡泡的“液膜”，形成最小面積的球狀.

教師總結(jié)：表面張力作用于液面上，使液面具有收縮趨勢的力.在物理中我們就把這種力叫做液體的表面張力.

3.3 解釋環(huán)節(jié)

采用PPT展示液體內(nèi)部及表面分子分布情況，從液面分子拉進內(nèi)部觀念、液面分子吸引力觀點、分子鏈形成“液膜”觀點進行類比分析講解，多角度來思考理解表面張力.

3.3.1 液體表面分子拉進內(nèi)部觀點

教師引導(dǎo)：表面層分子受一個指向液體內(nèi)部的合力f⊥，在f⊥作用下，液體表面的分子有被拉進液體內(nèi)部的趨勢（如圖8所示）.

圖8 液體表面的分子排布及受力情況

學(xué)生猜想：在宏觀上表現(xiàn)為液體表面有收縮的趨勢.

3.3.2 液體表面分子吸引力觀點

教師引導(dǎo)：同學(xué)們觀察分子間作用力與距離的關(guān)系示意圖，當(dāng)分子間距r＞r0，作用力為吸引力.當(dāng)分子間距r＜r0，作用力為排斥力（如圖9所示）.

圖9 液體表面的分子間作用情況

學(xué)生分析：表面層分子間距比較稀疏，分子間距r＞r0，分子間的作用表現(xiàn)為相互吸引.分子引力的有效作用距離大于斥力.

教師總結(jié)：液體的表面張力作用于液面，方向與液面相切，使液面有收縮的趨勢.

3.3.3 分子鏈形成“液膜”觀點

播放航天員王亞平開設(shè)的太空第一課視頻，展示太空中大水球?qū)嶒?

教師引導(dǎo)：設(shè)想水球表面的分子鏈排布均勻有序，導(dǎo)致液面表面形成“液膜”，具有張力，表現(xiàn)為彈性“膜”（如圖10所示）.在失重狀態(tài)下，水能夠形成一個大水球.

圖10 分子鏈形成“液膜”情況

鼓勵學(xué)生：同學(xué)們覺得老師的觀點是否可行？同學(xué)們要有勇于質(zhì)疑、大膽創(chuàng)新的科學(xué)探究精神，你們就有可能成為未來的物理學(xué)家.

3.4 遷移環(huán)節(jié)

3.4.1 硬幣“漂浮”受力分析

教師引導(dǎo)：對“漂浮”在水面上的硬幣進行受力分析，畫出受力分析圖.

學(xué)生分析：硬幣受到液體表面張力T1、T2的作用，液體表面張力的合力與硬幣受到的重力G相等，硬幣靜止在水面上（如圖11所示）.

圖11 硬幣受力分析（第1次）

教師分析：液體的表面張力作用于液體的表面，不作用于硬幣，因此，硬幣沒有受到液體表面張力的作用，受力分析錯誤.請同學(xué)們思考后，再進行受力分析.

學(xué)生猜想：難道有新的力出現(xiàn)，托住了硬幣？

教師引導(dǎo)：同學(xué)們猜想很有道理，液面的表面張力形成的“液膜”具有“彈性”，硬幣靜止在水面上，“液膜”發(fā)生彈性形變，出現(xiàn)向上的彈力.請同學(xué)們再次進行受力分析，第2次畫出受力分析圖.

學(xué)生分析：硬幣受到“液膜”向上的彈力F，硬幣受到的重力G與F相等，硬幣靜止在水面上（如圖12所示）.［9］

圖12 硬幣受力分析（第2次）

3.4.2 生活應(yīng)用

（1）風(fēng)油精瓶口設(shè)計.

教師引導(dǎo)：同學(xué)們在使用風(fēng)油精的時候，發(fā)現(xiàn)很難倒出來，每次都需要用點力甩一甩才行（如圖13所示）.同學(xué)們能解釋一下原因嗎？

圖13 風(fēng)油精瓶

學(xué)生分析：風(fēng)油精的瓶口比較小，在瓶口處形成的液體表面張力，使瓶內(nèi)的液體很難靠重力自然流出.使用的時候甩一下，破壞表面張力，風(fēng)油精就可以流出.

教師總結(jié)：同學(xué)們分析正確.風(fēng)油精瓶口很小，形成的液體表面張力可以防止風(fēng)油精揮發(fā)，這個設(shè)計在很多相似的情境都有應(yīng)用.

（2）表面張力測試儀.

教師引導(dǎo)：不同液體的表面張力大小不同.利用表面張力測試儀（如圖14所示）測量河流污染前后河水的表面張力大小，經(jīng)過對比，即可知道該河流的污染情況.

圖14 表面張力測試儀

同時，播放水資源環(huán)境保護及習(xí)近平總書記講話視頻，引出環(huán)境保護重要性，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)境保護意識，將思政元素融入課堂.

教師對課程進行小結(jié)，并布置課后作業(yè).課后作業(yè)包含觀察水黽停在水面上的現(xiàn)象、紙片逃跑實驗、肥皂小船制作3個任務(wù)，并分析產(chǎn)生現(xiàn)象的原因.

3.5 評價環(huán)節(jié)

在評價過程中，選舉學(xué)生代表及家長代表與任課教師共同組成評價小組.依據(jù)評價方案，利用釘釘?shù)刃畔⒒脚_，線上線下方式開展評價.評價方案如表2所列，根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)、思政表現(xiàn)、課堂任務(wù)完成情況、課后作業(yè)完成情況，采用結(jié)果評價、過程評價、增值評價、綜合評價相結(jié)合的“4個評價”，對學(xué)生學(xué)習(xí)效果進行評價及檢驗.［10］

表2 教學(xué)評價方案

4 總結(jié)

“液體的表面張力”這一節(jié)內(nèi)容很好地反映了“理論和實際”、“宏觀和微觀”的結(jié)合，能夠幫助學(xué)生建立抽象思維、體驗科學(xué)探究過程、運用知識解釋生活現(xiàn)象并處理相關(guān)問題，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維的重要教學(xué)內(nèi)容.［11］

在“液體的表面張力”教學(xué)中采用“5E”教學(xué)模式進行教學(xué)設(shè)計及教學(xué)實踐.遵循學(xué)習(xí)梯度和認知規(guī)律，按照啟發(fā)思維、強化思維、呈現(xiàn)微觀思維、訓(xùn)練思維的層層遞進邏輯；對應(yīng)教學(xué)內(nèi)容設(shè)置“吸引”、“探究”、“解釋”、“遷移”、“評價”5個教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生從物理學(xué)的角度認識自然，從生活走進物理，建立起物理科學(xué)思維，實現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的有效培養(yǎng).