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        高中物理教學(xué)中提升科學(xué)思維的探索

        2024-11-08 00:00:00陶夢(mèng)雨
        物理教學(xué)探討 2024年10期

        摘 要:《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》要求在教學(xué)過(guò)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(lái)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(kāi)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(jiǎn)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(jiàn)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(lái)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(guò)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(wèn):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(wèn):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(wèn)題對(duì)研究對(duì)象的分類,在此之前學(xué)生接觸過(guò)的典型例子就是“質(zhì)點(diǎn)”。什么情況下研究對(duì)象可以簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)來(lái)處理,取決于研究的問(wèn)題是否需要考慮其大小、形狀帶來(lái)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(lái)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(shuō)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(lái)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(lái),物體由分子組成,且數(shù)量巨大。

        教師提問(wèn):這一個(gè)空礦泉水瓶能裝500 mL 空氣,看起來(lái)體積不大,但裝的分子數(shù)多到我們數(shù)不完,說(shuō)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(wèn)世,它可以通過(guò)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(lái)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(shuō)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(shuō)明了要想呈現(xiàn)出宏觀可見(jiàn)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(jiàn)的擴(kuò)散現(xiàn)象說(shuō)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(shuō)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(shuō)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(guò)程就可以在高溫條件下通過(guò)分子的擴(kuò)散來(lái)完成。

        教師:你還有沒(méi)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(kāi)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(guò)程。而通過(guò)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(shuō)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(guó)植物學(xué)家布朗就是通過(guò)光學(xué)顯微鏡發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令他無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,轟動(dòng)一時(shí)。接下來(lái),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(shuí)?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(wèn):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(wú)規(guī)則地動(dòng)。

        師:你怎么證明它們?cè)跓o(wú)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(huà)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(wú)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(jiǎn)單遷移。高中物理的學(xué)習(xí)離不開(kāi)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(jiǎn)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(wú)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(lái)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(lái)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(wèn):顆粒為什么動(dòng)?(外界因素排除,發(fā)現(xiàn)不影響)

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

        教師提問(wèn):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(guò)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(wèn):類比一下擴(kuò)散現(xiàn)象,你有沒(méi)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(guò)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(guò)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(guò)顯微鏡發(fā)現(xiàn)花粉顆粒在水中總是會(huì)發(fā)生無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng),這個(gè)現(xiàn)象在當(dāng)時(shí)無(wú)法被解釋。布朗一開(kāi)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(wú)機(jī)物粉末,但發(fā)現(xiàn)即使是用沒(méi)有生命的無(wú)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(wèn)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(guò)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(ài)因斯坦也做過(guò)定量研究,發(fā)表過(guò)相關(guān)論文,而法國(guó)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(wú)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)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(wèn)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):

        [1]沈正杰.基于學(xué)科情境凸顯高中物理科學(xué)思維的問(wèn)題設(shè)計(jì)——以“牛頓第二定律”教學(xué)為例[J].物理通報(bào),2023(8):102-105.

        [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)

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