優(yōu)化物理演示實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

范榕華

【內(nèi)容摘要】本文以滬科版八年級(jí)11.2《看不見的運(yùn)動(dòng)》中探究水與酒精混合的實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在分析混合后體積減少存在多種猜想，無(wú)法理解為分子間存在空隙。因此，以教材實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，創(chuàng)新演示實(shí)驗(yàn)，利用優(yōu)化的演示實(shí)驗(yàn)，對(duì)比排除其他影響因素，同時(shí)，結(jié)合物理模型，進(jìn)一步分析混合后體積減少是分子間存在空隙的宏觀表現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】分子間隙? 演示實(shí)驗(yàn)? 科學(xué)思維? 核心素養(yǎng)

通常，物質(zhì)是由大量分子構(gòu)成的，這些又小又輕的分子是一個(gè)挨著一個(gè)擠在一起不動(dòng)嗎？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究呢？

一、教材實(shí)驗(yàn)操作與分析

滬科版教材通過(guò)將水和酒精混合后體積減少的現(xiàn)象，來(lái)說(shuō)明分子間存在空隙。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備兩個(gè)相同（量程100cm3）的量筒，分別裝有50cm3的水和50cm3的染色酒精，并將酒精完全注入到水中，觀察到混合后的總體積小于100cm3，說(shuō)明分子間存在空隙①。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)水和酒精的混合，觀察到混合后總體積減少到98cm3左右，但由于量筒橫截面積較大，不能明顯的觀察到體積變化。教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生在觀到體積減少的現(xiàn)象后進(jìn)行如下分析，在倒出酒精后量筒壁上有酒精殘留可能影響結(jié)果;同時(shí)，由于酒精蒸發(fā)較快，導(dǎo)致體積減少。另一方面，由于酒精的密度小于水的密度，當(dāng)酒精注入裝有水的量筒時(shí)，量筒不便晃動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，則無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)完全混合，因此學(xué)生認(rèn)為可能是酒精和水密度不同導(dǎo)致體積變化。

兩種液體混合體積減少是同學(xué)們?cè)诤暧^尺度上觀察到的現(xiàn)象，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究排除其他可能的影響因素，使學(xué)生理解是分子間存在空隙造成的，是該實(shí)驗(yàn)需要突破的關(guān)鍵。

二、優(yōu)化教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)

1.基于演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與物理思維能力的培養(yǎng)

以教材中的實(shí)驗(yàn)為例，分析水和酒精混合后體積會(huì)減少的原因，需要排除其他影響因素，因此創(chuàng)設(shè)教師演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）演示實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)器材是一個(gè)上端帶細(xì)管的容器，如下圖，先向容器中注入約一半體積的水，再注入染色酒精至裝滿整個(gè)容器，由于酒精密度小于水，所以出現(xiàn)上下兩種液體的分層現(xiàn)象，即容器容積為混合前的總體積。用橡皮塞塞住管口，將容器上下翻轉(zhuǎn)搖晃，使兩種液體完全混合，通過(guò)細(xì)管可以觀察到混合后的體積減少更加明顯。

通過(guò)對(duì)比教師演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的差異，引導(dǎo)學(xué)生分析：a.演示實(shí)驗(yàn)中混合前后水和酒精都已裝在容器中，排除酒精殘留而引起的體積減少;b.該容器管口很小，混合前用橡皮塞塞住，排除酒精蒸發(fā)而導(dǎo)致的體積變化;c.讓學(xué)生理解密度是物質(zhì)的特性，與體積無(wú)關(guān)，水和酒精密度雖然不同，但一定量的水（或酒精）對(duì)應(yīng)的體積是不變的。通過(guò)以上分析，認(rèn)識(shí)到混合后減少的體積與分子的空隙有關(guān)。

（2）物理科學(xué)素養(yǎng)的提高

學(xué)生在進(jìn)行水和酒精的混合實(shí)驗(yàn)中，不僅觀察到體積減少的現(xiàn)象，創(chuàng)設(shè)探究問(wèn)題的情境，激發(fā)他們的求知欲;同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，通過(guò)觀察與思考，猜想體積變化可能與殘留、蒸發(fā)等因素有關(guān)，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究與科學(xué)思維的物理學(xué)習(xí)能力。

教師通過(guò)優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)，與學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，分析體積減少的原因，以客觀事實(shí)為依據(jù)，分析并排除由于實(shí)驗(yàn)中的殘留、蒸發(fā)等因素引起的體積減少。明確體積變化是微觀（分子）特性所引起的，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的全面性;同時(shí)，激發(fā)學(xué)生敢于創(chuàng)新和思考的意識(shí)，進(jìn)一步提高學(xué)生的物理科學(xué)素養(yǎng)。

2.基于物理模型的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與物理思維能力的培養(yǎng)

（1）構(gòu)建物理模型與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)酒精和水混合后體積減少的原因分析，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)無(wú)法用肉眼直接觀察，學(xué)生缺乏微觀粒子的模型概念，因此，學(xué)生對(duì)分子間存在空隙的理解上存在困難。針對(duì)該難點(diǎn)，從宏觀現(xiàn)象入手，借助構(gòu)建模型的方式使學(xué)生更加深刻的理解分子存在空隙，了解物質(zhì)的微觀特性。

模型實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)水分子和酒精分子的體積大小關(guān)系，用乒乓球模擬“酒精分子”，用玻璃球模擬“水分子”，將兩種“分子”分別裝在兩個(gè)燒杯中，將代表“水分子”的玻璃球倒入裝有“酒精分子”的燒杯內(nèi)，搖晃使兩種分子混合均勻，可以觀察到“水分子”進(jìn)入并填滿“酒精分子”的空隙，使混合后總體積減少，進(jìn)一步說(shuō)明這種宏觀現(xiàn)象是由于分子間存在空隙引起的。

（2）培養(yǎng)中學(xué)生的物理思維能力

以球代替分子構(gòu)建物理模型，將抽象的分子結(jié)構(gòu)以具體化、可視化的方式呈現(xiàn)②，排除研究分子間隙無(wú)關(guān)的其他因素，從本質(zhì)上理解分子間存在空隙。學(xué)習(xí)過(guò)程中強(qiáng)化學(xué)生的物理思維能力，使學(xué)生學(xué)掌握物理分析方法，排除次要因素、簡(jiǎn)化研究對(duì)象，抓住分子間存在空隙的本質(zhì)，了解分子結(jié)構(gòu)的基本特征，掌握物理規(guī)律，進(jìn)一步提高物理核心素養(yǎng)。

【注釋】

① 義務(wù)教育教科書·物理·八年級(jí)·全一冊(cè)[M]. 上海：科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

② 張濱. 重視培養(yǎng)中學(xué)生的物理模型思維能力[D]. 福建師范大學(xué)，2001.

【本文系福州市教育科學(xué)研究課題“中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的實(shí)踐研究”階段性研究成果之一，課題編號(hào)：MJYKT2016-213?！?/p>

（作者單位：福建省福州市晉安區(qū)福州則徐中學(xué)）