福建省晉江市第一中學(xué) 朱瑞珠

物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，由此可見實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)在物理教學(xué)中的重要性。物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有很多實(shí)驗(yàn)屬于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，即科學(xué)家已經(jīng)做好的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)相應(yīng)知識(shí)重新體驗(yàn)其過(guò)程，還有些實(shí)驗(yàn)是探究性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以發(fā)揮頭腦風(fēng)暴自己尋求實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終動(dòng)手操作達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。此外，還有一些實(shí)驗(yàn)處于二者之間，學(xué)生以現(xiàn)有的知識(shí)沒(méi)有辦法完全自己探究，但如果教師在教學(xué)中直接給出實(shí)驗(yàn)方案讓學(xué)生進(jìn)行驗(yàn)證又顯得太呆板無(wú)趣?！拔矬w是由大量分子組成的”教學(xué)中就遇到這個(gè)問(wèn)題，本節(jié)課堂教學(xué)有一個(gè)非常好的實(shí)驗(yàn)——“油膜法估測(cè)分子的直徑”，以學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有能力創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)條件，讓實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想貼近學(xué)生生活，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)其巧妙的設(shè)計(jì)技巧，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰胺侵橇σ蛩氐拈_發(fā)有著非常重要的作用。本文以這一案例的研磨過(guò)程為例，闡述物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的處理技巧，讓物理實(shí)驗(yàn)思想更加符合學(xué)生學(xué)習(xí)背景，讓核心素養(yǎng)培養(yǎng)落到實(shí)處。

一、立足教材重難點(diǎn)，專攻教學(xué)價(jià)值所在

人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)是從宏觀到微觀，如何打開它們之間的大門，這其間充分體現(xiàn)了科學(xué)家的智慧和創(chuàng)造能力。他們根據(jù)對(duì)宏觀世界的認(rèn)識(shí)，對(duì)微觀世界建立起與宏觀世界相似的物理模型，利用所測(cè)得的宏觀量推算出微觀值，在物理研究中是非常重要的突破。教師要重視讓學(xué)生體會(huì)這種研究方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想、科學(xué)方法和科學(xué)態(tài)度有十分重要的意義。分析宏觀現(xiàn)象中所隱藏的微觀本質(zhì)，這在“油膜法估測(cè)分子的直徑”實(shí)驗(yàn)中得到了充分體現(xiàn)，做好這個(gè)實(shí)驗(yàn)有助于打開學(xué)生探索微觀世界的思路，對(duì)他們今后學(xué)習(xí)物理非常重要。

二、聚焦重點(diǎn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)引人思考的實(shí)驗(yàn)方案

（一）教師同體異構(gòu)，磨課研課力求做到最合適

第一位教師的課堂處理：首先提出三個(gè)方面證明物體是由大量分子組成的，一是阿伏伽德羅常數(shù)，利用化學(xué)課講過(guò)的一些數(shù)據(jù)讓學(xué)生當(dāng)堂計(jì)算分子的大小。物體分為固體、液體、氣體，其中固體和液體的分子模型為球形，而氣體分子由于空隙比較大不能忽略，所以只能求出分子占據(jù)的空間體積，為立方體模型。學(xué)生在高一接觸過(guò)這些內(nèi)容，基本印象還算深刻，教師和學(xué)生一起把結(jié)果算出來(lái)，發(fā)現(xiàn)固體和液體分子的直徑數(shù)量級(jí)是10-10m，氣體分子平均占據(jù)的空間體積是10-9m。由此得出分子直徑的數(shù)量級(jí)，也明確了氣體分子之間的距離確實(shí)比較大，超過(guò)了分子力作用的范圍，然后計(jì)算了分子的質(zhì)量，得出分子質(zhì)量也很小。接下來(lái)教師提出：“這么小的分子直徑如何用實(shí)驗(yàn)的方法把它測(cè)出來(lái)？”教師開始介紹實(shí)驗(yàn)——“油膜法粗測(cè)分子大小”，這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思想非常巧妙，在教師的引導(dǎo)下學(xué)生領(lǐng)會(huì)了實(shí)驗(yàn)的精髓。結(jié)束了第一個(gè)理論“物體是由大量分子組成的”講課之后，又講了第二個(gè)理論“分子永不停息地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)”，第二個(gè)理論有很多有趣的演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生聽得非常開心。

磨課心得：教學(xué)一環(huán)扣一環(huán)，沒(méi)有一句廢話，對(duì)優(yōu)生比較合適。不足之處是節(jié)奏偏快，可以改講一個(gè)理論觀點(diǎn)，把觀點(diǎn)講清楚，把實(shí)驗(yàn)思想理解透徹，同時(shí)讓學(xué)生有更多的思考時(shí)間。

第二位教師的教學(xué)順序完全相反，該教師建議把后面的“油膜法估測(cè)分子大小”的實(shí)驗(yàn)調(diào)到前面講，再講阿伏伽德羅常數(shù)的應(yīng)用。相對(duì)于第一位教師的教學(xué)，實(shí)驗(yàn)講得更加詳細(xì)，常數(shù)的應(yīng)用也更加具體。后面的第二個(gè)理論“分子永不停息地做無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)”則沒(méi)時(shí)間進(jìn)行講解，該教師一節(jié)課只講一個(gè)理論。

實(shí)驗(yàn)先講還是后講？實(shí)驗(yàn)要怎么講才能讓學(xué)生順利地從宏觀世界進(jìn)入微觀世界？教無(wú)定法，每個(gè)人的理解各有千秋。教學(xué)不能東施效顰，要有自己的理解和靈魂。在教學(xué)順序處理上，其實(shí)隱含一朵“烏云”：無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是阿伏伽德羅常數(shù)的提出都顯得過(guò)于刻意，學(xué)生被動(dòng)接受較多，缺少思考的氛圍。

（二）注入思考的維度，讓思維活躍起來(lái)

1.新課引入

教師介紹相關(guān)物理學(xué)史：“自古以來(lái)，人們不斷研究物質(zhì)的組成。2500年前，古希臘德謨克利特認(rèn)為，物質(zhì)是由不可再分的原子構(gòu)成。從本章開始學(xué)習(xí)熱學(xué)，研究與熱現(xiàn)象有關(guān)的事物，研究熱現(xiàn)象的規(guī)律，從宏觀的內(nèi)能和微觀的分子運(yùn)動(dòng)論兩個(gè)方面討論熱現(xiàn)象，兩種方法相輔相成，使人們對(duì)熱現(xiàn)象的研究越來(lái)越深入。科學(xué)技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，這種猜想已被證實(shí)，構(gòu)成物質(zhì)的單元多種多樣，如原子、離子和分子等，熱學(xué)中統(tǒng)稱為分子?！?/p>

設(shè)計(jì)意圖：從古代研究到現(xiàn)在技術(shù)發(fā)展，人類智慧已經(jīng)攻克很多謎團(tuán)，這個(gè)過(guò)程聚集了許多科學(xué)家共同的汗水，激發(fā)學(xué)生的榮譽(yù)感。

2.新課教學(xué)

教師解釋什么是熱學(xué)中的分子：“因?yàn)闊釋W(xué)中由于原子、離子或分子做熱運(yùn)動(dòng)時(shí)遵從相同的規(guī)律，所以統(tǒng)稱為分子。物體都是由大量分子組成的?！苯處熖嵝眩骸啊矬w都是由大量分子組成的’這句話有什么字眼需要我們注意？”（學(xué)生發(fā)現(xiàn)：大量）師生共同分析得出：“大量”說(shuō)明分子很小。那么到底有多小呢？我們?nèi)绾蔚贸鲞@么小的分子的尺寸呢？引發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。教師讓學(xué)生感受分子有多?。骸胺肿邮强床灰姷?，用光學(xué)顯微鏡也看不到。但是隨著科學(xué)發(fā)展，科學(xué)家發(fā)明了電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡，通過(guò)它們我們能間接看到某些分子的大小?！苯處熡没脽羝o出放大的碳原子圖片以及利用納米技術(shù)把鐵原子排成“師”字引起學(xué)生的興趣，提出疑問(wèn)：“我們?nèi)绾蔚贸鲞@么小的分子的尺寸呢？”

設(shè)計(jì)意圖：教師先從比較大的肉眼可見的物體測(cè)量開始，由大到小的物體測(cè)量方法各不相同，以宏觀現(xiàn)象為引子，打開微觀世界的大門，層層推進(jìn)激發(fā)學(xué)生的思考。

（1）引入大物體“乒乓球”的直徑測(cè)量。利用刻度尺測(cè)量，誤差較小，也有的學(xué)生回答用游標(biāo)卡尺，其實(shí)也可以，但稍顯大材小用。

設(shè)計(jì)意圖：從最簡(jiǎn)單的測(cè)量大物體開始，讓學(xué)生從熟悉的事物開始，比較容易接受新的知識(shí)，同時(shí)引起學(xué)生思考，避免形而上學(xué)的思維習(xí)慣。

（2）引入小物體“小米”的直徑測(cè)量。

方法一：由于小米尺寸較小，所以用刻度尺誤差太大，可以用游標(biāo)卡尺，由卡尺可以讀出小米的直徑大約是1.2mm。

設(shè)計(jì)意圖：從大物體測(cè)量慢慢進(jìn)入小物體測(cè)量，物體從大到小，從小到微小，慢慢地引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

方法二：這種方法學(xué)生一般無(wú)法自己想出來(lái)，所以教師要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行提醒，啟發(fā)學(xué)生思考，感受這種方法的巧妙之處。教師給出3張圖片，分別是盛有小米的量筒、鋪成方形的一層一顆緊挨一顆的小米、刻度尺一把，讓學(xué)生根據(jù)圖片猜測(cè)其用途。學(xué)生通過(guò)圖片的提醒，得出如下估算方法：①量體積V：用注射器量出1mL小米；②平鋪測(cè)面積S（小米一顆緊挨一顆）：把1mL小米攤在方格本上，單層排列，測(cè)出邊長(zhǎng)，計(jì)算小米的面積；③計(jì)算：d=V/S。

設(shè)計(jì)意圖：人們眼里首先是看見肉眼可見的物體，測(cè)量物體大小也是先從可見物體出發(fā)。教師設(shè)計(jì)由比較大的物體慢慢過(guò)渡到比較小的物體，由此引出估測(cè)法。

學(xué)生存在的困惑：擔(dān)心小米之間的空隙影響計(jì)算結(jié)果。教師進(jìn)行解釋：“首先，間隙確實(shí)會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以排列時(shí)小米要一顆緊挨一顆。其次，顆粒越小的物體空隙越小，測(cè)量越準(zhǔn)確?！痹倏葱∶椎墓浪憬Y(jié)果，和游標(biāo)卡尺讀出來(lái)差不多。教師強(qiáng)調(diào)測(cè)量的注意事項(xiàng)：“小米必須是單層且一顆緊挨一顆?！?/p>

設(shè)計(jì)意圖：抓住主要因素，忽略次要因素。由于小物體之間間隙很小，所以可以忽略小顆粒間隙帶來(lái)的影響。

提出問(wèn)題：“目前測(cè)量分子大小面臨的困難—常用測(cè)量工具太大，分子太小，無(wú)法直接測(cè)量，能否利用上面的估算方法去估算分子的大小呢？”在解決這個(gè)問(wèn)題之前，我們得思考一件事：“分子到底長(zhǎng)什么樣？”由于肉眼看不見分子的大小，所以我們要先建立分子模型，根據(jù)問(wèn)題需要可以有不同的模型。一般熱學(xué)里是這樣想象物體分子模型的：固體、液體分子間距很小，一般認(rèn)為它們是一個(gè)緊挨一個(gè)排列且每個(gè)分子是球形。氣體分子間距很大，氣體分子間的間隙不能忽略，將每個(gè)氣體分子平均占有的空間設(shè)想成一個(gè)小立方體。根據(jù)這一微觀模型，氣體分子間的距離就等于小立方體的邊長(zhǎng)d（d并非分子的直徑）。

設(shè)計(jì)意圖：教師提出模型，同時(shí)指出固體、液體與氣體分子間距的區(qū)別，讓學(xué)生構(gòu)成完整的物質(zhì)結(jié)構(gòu)概念，避免想當(dāng)然的定式思維。

教師介紹一種求不規(guī)則面積的方法——互補(bǔ)法，即以坐標(biāo)紙上方格數(shù)目來(lái)計(jì)算，不足半個(gè)的舍去，多于半個(gè)的算1個(gè)。教師總結(jié)：“用宏觀量來(lái)測(cè)量微觀量的實(shí)驗(yàn)方法是科學(xué)研究的重要方法之一。”

設(shè)計(jì)意圖：教師直接給出用油酸酒精溶液做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)閷W(xué)生這方面經(jīng)驗(yàn)有限，教師重點(diǎn)引導(dǎo)學(xué)生思考為什么實(shí)驗(yàn)要這樣做，以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的細(xì)節(jié)處理問(wèn)題。之后教師播放實(shí)驗(yàn)錄像，讓學(xué)生再次感受實(shí)驗(yàn)的精心設(shè)計(jì)及操作難度，體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的奇妙之處。

三、鼓勵(lì)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，享受實(shí)驗(yàn)過(guò)程

由于上課時(shí)間有限，本節(jié)課實(shí)驗(yàn)操作首先解決細(xì)節(jié)問(wèn)題，有條件的學(xué)校應(yīng)安排學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)。師生動(dòng)手做演示實(shí)驗(yàn)也很精彩，能讓學(xué)生再次感受實(shí)驗(yàn)的精心設(shè)計(jì)及操作難度，體會(huì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的奇妙之處。本實(shí)驗(yàn)最可貴的精神是通過(guò)測(cè)量宏觀物理量進(jìn)而求出微觀物理量，把宏觀與微觀巧妙地聯(lián)系在一起，這種思想方法具有劃時(shí)代的意義，非常值得學(xué)習(xí)與分享。同時(shí)，動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到很多細(xì)節(jié)處理問(wèn)題，細(xì)節(jié)往往決定成敗，一個(gè)實(shí)驗(yàn)的成功是由無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)共同鑄就的，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及動(dòng)手能力有很大的幫助。比如在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一個(gè)現(xiàn)象：痱子粉灑得不夠均勻，以致油酸酒精溶液推開時(shí)呈現(xiàn)鋸齒形，不容易計(jì)算面積。筆者經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，一直難以克服這個(gè)問(wèn)題?？此坪?jiǎn)單的過(guò)程，動(dòng)手操作才知道需要足夠的耐心和細(xì)心。本節(jié)課一個(gè)問(wèn)題接一個(gè)問(wèn)題的提出，讓學(xué)生掌握為什么要這樣做以及解決問(wèn)題的方法。油膜法的理解與實(shí)驗(yàn)過(guò)程是本節(jié)課教學(xué)的難點(diǎn)與重點(diǎn)，細(xì)節(jié)之處讓人驚訝，其巧妙的設(shè)計(jì)又讓人感嘆。同時(shí)利用化學(xué)課學(xué)過(guò)的一些數(shù)值引出阿伏伽德羅常數(shù)的用處，讓學(xué)生明白物理與化學(xué)之間的聯(lián)系與區(qū)別，即化學(xué)課上研究的方向與物理方向不同。

物理教學(xué)的載體是實(shí)驗(yàn)，教學(xué)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)不僅承擔(dān)著再現(xiàn)物理現(xiàn)象、揭示物理學(xué)概念和規(guī)律的作用，更重要的是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中可以有效培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)探究精神。高中物理教學(xué)過(guò)程中，如何有效把教書育人具體到培養(yǎng)學(xué)生良好的生活習(xí)慣中，應(yīng)作為教學(xué)思想和教學(xué)方法重點(diǎn)進(jìn)行的新探究。運(yùn)用物理教學(xué)自身的教育功能培養(yǎng)學(xué)生的道德品質(zhì)，這是新時(shí)期賦予教師的使命，教師在教學(xué)中應(yīng)該結(jié)合教材實(shí)際，有目的、有針對(duì)性地進(jìn)行培養(yǎng)和引導(dǎo)。

經(jīng)過(guò)幾位教師的磨課，這節(jié)課的設(shè)計(jì)思路落了地。這節(jié)課在傳統(tǒng)教法的基礎(chǔ)上跳出了新意，避免了枯燥單一給出物理量的教學(xué)，讓整個(gè)知識(shí)傳授流暢自然，學(xué)生的求知欲強(qiáng)烈，感受用常規(guī)方式認(rèn)識(shí)微觀世界的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的美妙。一堂課的教學(xué)效果沒(méi)有絕對(duì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，物理學(xué)是一門時(shí)刻發(fā)人深省的學(xué)科，教師在教學(xué)過(guò)程中要充分發(fā)掘各種素材，以調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維為主要任務(wù)，化被動(dòng)為主動(dòng)，避免“滿堂灌”的看似高效卻無(wú)實(shí)效的模式。在教學(xué)設(shè)計(jì)上，教師之間的磨課無(wú)疑是提高教學(xué)能力、優(yōu)化教學(xué)模式的高效方式。