基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“毛細(xì)現(xiàn)象”為例

陳 銘 侯 恕

(東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130000)

學(xué)科核心素養(yǎng)提出以來,受到了廣大教育研究者與一線教師的關(guān)注.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中課程目標(biāo)指出“高中物理課程應(yīng)在義務(wù)教育的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展”.物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括:物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,它是三維目標(biāo)的整合與發(fā)展.其中,物理觀念是較為上位的概念,是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華,具體包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等.在學(xué)生形成物理觀念的過程中,對(duì)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力進(jìn)行培養(yǎng),使學(xué)生逐漸形成模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維和問題、證據(jù)、解釋、交流的科學(xué)探究能力,同時(shí),在這一過程中,滲透STSE的教育理念,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

因此,學(xué)科核心素養(yǎng)的4個(gè)方面在教學(xué)活動(dòng)中是同步培養(yǎng)并提升的.如何讓核心素養(yǎng)落地,成為當(dāng)下亟待解決的問題.

筆者將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落實(shí)在課堂教學(xué)中,綜合分析人教版教科書、滬科版教科書與魯科版教科書,形成了“毛細(xì)現(xiàn)象”一節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)．

1 教材分析

在人教版教科書中,“毛細(xì)現(xiàn)象”是《物理》選修3-3第9章第2節(jié)“液體”的第4部分內(nèi)容.在介紹毛細(xì)現(xiàn)象前,教科書先對(duì)液體表面張力和浸潤與不浸潤進(jìn)行了介紹;然后以玻璃管插入水中的現(xiàn)象引入毛細(xì)現(xiàn)象;之后介紹毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因;最后介紹了毛細(xì)現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用與防止.

人教版教科書對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象介紹較少,對(duì)浸潤與不浸潤介紹較多．從繪圖而非實(shí)驗(yàn)圖引入毛細(xì)現(xiàn)象,更多地關(guān)注毛細(xì)現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用與防止.

在滬科版教科書中,“毛細(xì)現(xiàn)象”是《物理》選修3-3第3章第2節(jié)“研究液體的表面性質(zhì)”一節(jié)的第3部分內(nèi)容.教科書首先介紹了浸潤與不浸潤現(xiàn)象及他們形成的原因.由內(nèi)徑不同的玻璃管插入水中的實(shí)驗(yàn)圖,介紹什么是毛細(xì)現(xiàn)象.提出問題:毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因.討論與思考部分,結(jié)合生活中的現(xiàn)象提出問題:為什么在砌磚的地基上鋪一層油氈或涂上瀝青的厚紙?

滬科版教科書在本部分內(nèi)容的呈現(xiàn)上從實(shí)驗(yàn)開始,到理論分析,再到生活應(yīng)用.注重學(xué)生的觀察與思考能力的培養(yǎng),其中出現(xiàn)了多個(gè)問題,要求學(xué)生自行討論、自主思考解決.

在魯科版教科書中,“毛細(xì)現(xiàn)象”是《物理》選修3-3第3章第2節(jié)的內(nèi)容.此版教科書將其單列為一節(jié)的內(nèi)容,整節(jié)內(nèi)容分為兩部分:浸潤與不浸潤和毛細(xì)現(xiàn)象.第一部分中,教科書首先通過“不同固體材料表面上的水”的實(shí)驗(yàn),介紹浸潤與不浸潤的表現(xiàn);然后從微觀層面分析了形成浸潤與不浸潤現(xiàn)象的原因;最后介紹了日常生活中的浸潤與不浸潤現(xiàn)象．第二部分中,首先通過“內(nèi)徑不同的細(xì)玻璃管插入不同的液體中”的實(shí)驗(yàn)觀察并概括毛細(xì)現(xiàn)象及特點(diǎn);然后提出問題:為什么會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象?從力與運(yùn)動(dòng)的角度對(duì)原因進(jìn)行了分析;最后介紹了生活中的毛細(xì)現(xiàn)象及毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用與防止.

魯科版教科書這部分內(nèi)容最為詳細(xì).兩部分都是由實(shí)驗(yàn)引入,然后分析原因,最后聯(lián)系生活.本節(jié)教學(xué)內(nèi)容中,教科書共有10幅插圖,運(yùn)用插圖更形象地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,解釋實(shí)驗(yàn)原因.

對(duì)比3版教科書,總結(jié)得出以下結(jié)論:

(1) 學(xué)習(xí)毛細(xì)現(xiàn)象前,需要先學(xué)習(xí)浸潤與不浸潤;(2) 要用實(shí)驗(yàn)展示毛細(xì)現(xiàn)象,然后探究產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因;(3) 毛細(xì)現(xiàn)象在生活中應(yīng)用廣泛,其應(yīng)用需要進(jìn)行詳細(xì)介紹.

2 學(xué)情分析

學(xué)生主體是高中二年級(jí)學(xué)生,在學(xué)習(xí)本節(jié)課內(nèi)容之前已具備力與運(yùn)動(dòng)的相關(guān)知識(shí),知道力能改變物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).學(xué)生已經(jīng)具有一定的觀察、類比和分析推理能力,抽象思維能力與科學(xué)探究能力需進(jìn)一步培養(yǎng).日常生活中存在許多毛細(xì)現(xiàn)象,但學(xué)生并不知道其中蘊(yùn)藏的物理知識(shí).

3 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)本部分內(nèi)容的要求“知道毛細(xì)現(xiàn)象”,結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求,制定以下核心素養(yǎng)教學(xué)目標(biāo):(1) 知道什么是毛細(xì)現(xiàn)象,加深力與運(yùn)動(dòng)的物理觀念;(2) 分析毛細(xì)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因,體會(huì)科學(xué)探究的過程;(3) 介紹毛細(xì)現(xiàn)象的應(yīng)用,進(jìn)一步認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系.

4 教學(xué)過程與分析

4.1 新課引入:從傳說到現(xiàn)實(shí),激發(fā)學(xué)生興趣

圖1 雙色花

教學(xué)片斷1.

師:同學(xué)們,七色花令人神往,今天,老師把她的妹妹雙色花請(qǐng)到了我們的課堂(圖1),想知道如何培育她嗎,接下來,我們來探索培育她的奧秘——毛細(xì)現(xiàn)象.

(同時(shí)把雙色花給學(xué)生,各組學(xué)生爭(zhēng)相傳看.)

設(shè)計(jì)分析.由七色花的傳說引入新課,但給學(xué)生展示的是雙色花,為揭秘后引導(dǎo)學(xué)生制作七色花埋下伏筆;展示雙色花后,便有學(xué)生質(zhì)疑花的真假,學(xué)生們傳閱后,確定花是真花,急于知道如何培育出這種“奇怪”的花.由此引入新課,激發(fā)學(xué)生探索的興趣.

4.2 發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象:從演示到實(shí)踐,鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑

教學(xué)片斷2.

師:毛細(xì)現(xiàn)象是什么呢?我們通過一個(gè)實(shí)驗(yàn)來觀察.

圖2 墨水在狹縫中上升

師：老師這兒有兩塊玻璃板和墨水,把兩塊玻璃板平行貼合在一起,他們中間就會(huì)形成細(xì)小的狹縫,讓這個(gè)狹縫與墨水接觸,會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢?我們一起來看(圖2).

生:墨水在狹縫中向上流.(課堂上發(fā)出驚訝的聲音,同時(shí)有同學(xué)對(duì)這一“反自然”現(xiàn)象提出質(zhì)疑.)

師:看來有同學(xué)在懷疑你看到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的真實(shí)性,請(qǐng)同學(xué)們小組配合,看看你能讓水在玻璃狹縫中上升嗎?

(學(xué)生們操作實(shí)驗(yàn),多組學(xué)生完成此實(shí)驗(yàn).)

師:同學(xué)們親自動(dòng)手,確實(shí)看到液體在毛細(xì)管中上升,所有的液體在毛細(xì)管中都能上升嗎?如果把墨水換成水銀,將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢?我們一起來看老師提前錄制的視頻.(播放視頻)

師:你觀察到什么現(xiàn)象?

圖3 水銀在管中下降

生:水銀在管中下降了(圖3).

師:看來液體在毛細(xì)管中不只會(huì)上升,還會(huì)下降.我們把液體在毛細(xì)管中上升或下降的現(xiàn)象統(tǒng)稱為毛細(xì)現(xiàn)象.

師:我們?yōu)槭裁床辉谡n堂上演示這個(gè)實(shí)驗(yàn),而要觀看視頻呢?

生:因?yàn)樗y有毒.

設(shè)計(jì)分析.(1) 演示實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象與學(xué)生“以為的”現(xiàn)象存在差異,鼓勵(lì)學(xué)生質(zhì)疑,并親自動(dòng)手進(jìn)行驗(yàn)證.(2) 引導(dǎo)學(xué)生全面思考問題.(3) 提醒學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí),要考慮安全性問題.

4.3 原因探析:從實(shí)驗(yàn)到理論,培養(yǎng)科學(xué)思維

教學(xué)片斷3.

師:為什么液體在毛細(xì)管中會(huì)產(chǎn)生上升或下降的現(xiàn)象呢?要想解開這個(gè)謎團(tuán),我們把毛細(xì)管放大,先來看看液體在管中會(huì)是什么樣的.請(qǐng)同學(xué)們小組合作,觀察水在玻璃管中的液面形狀.

(學(xué)生小組開展實(shí)驗(yàn))

生:水在玻璃管中是凹液面(圖4).

師:水銀在玻璃管中會(huì)是什么形狀呢?我們一起來看圖片(圖5).

圖4 水在玻璃管中

生:水銀在玻璃管中是凸液面.

師:看來水和水銀在玻璃管中的液面形狀也是不相同的,為什么出現(xiàn)這種情況呢?我們一起從微觀角度進(jìn)行分析(播放動(dòng)畫).

液體與固體接觸時(shí),接觸面上會(huì)形成一層液體薄層,我們把這個(gè)薄層叫做附著層.當(dāng)固體分子對(duì)液體分子的吸引力大于液體內(nèi)部分子間的吸引力時(shí),附著層內(nèi)分子比較密集,分子間距離比較小,當(dāng)分子間距離小于平衡距離時(shí),將表現(xiàn)為排斥力.附著層上的分子相互排斥,附著層就有了擴(kuò)張的趨勢(shì).此時(shí),我們稱液體浸潤固體.用這種固體制成管,并把這種液體加入管中,由于附著層的擴(kuò)張趨勢(shì),將呈現(xiàn)為凹液面.現(xiàn)在,你知道為什么水在玻璃管中是凹液面了嗎?

生:由于玻璃分子對(duì)水的吸引力大于水分子之間的吸引力.

師:玻璃分子嗎?調(diào)動(dòng)你的化學(xué)知識(shí),玻璃的主要成分是什么?

生:SiO2,是SiO2分子對(duì)水分子的吸引力大于水分子之間的吸引力.

設(shè)計(jì)分析.(1) 為了探尋毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生原因,需要把毛細(xì)管放大,看看液體在管中的情況.符合思維邏輯.(2) 實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)不同液體在管中的液面不同,究其不同的原因,需要從微觀的角度進(jìn)行分析.這是本部分學(xué)習(xí)的難點(diǎn),能夠培養(yǎng)學(xué)生思維的嚴(yán)密性,進(jìn)行科學(xué)推理與論證.(3) 將實(shí)驗(yàn)探究與理論探究相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究的能力.(4) 加入了小組合作與討論,增加學(xué)生間的溝通與交流,增強(qiáng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作的意識(shí).(5) 科學(xué)探究的過程從特殊到一般又到特殊,加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解.(6) 綜合運(yùn)用物理知識(shí)與化學(xué)知識(shí),培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科融合解決問題的能力.

教學(xué)片斷4.

請(qǐng)同學(xué)們類比剛才的分析,分析:為什么水銀在玻璃管中是凸液面,完成學(xué)案第二部分,如下.

固體分子對(duì)液體分子的吸引力小于液體分子之間的吸引力；

附著層內(nèi)液體分子較________(填“稀疏”或“密集”)；

附著層內(nèi)液體分子間距離________(填“大于”或“小于”)分子力平衡的距離；

附著層內(nèi)液體分子表現(xiàn)為________(填“引力”或“斥力”)；

附著層有________(填“收縮”或“擴(kuò)張”)趨勢(shì)，稱為________(填“浸潤”或“不浸潤”)；

液體在該固體制成的管中為________(填“凹液體”或“凸液面”).

設(shè)計(jì)分析.類比合作探究的過程進(jìn)行自主探究,一方面可以檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)上一個(gè)難點(diǎn)是否理解,另一方面可以培養(yǎng)學(xué)生自主思考與探究的能力.

教學(xué)片斷5.

師:通過剛才的分析,我們知道浸潤液體在管中為凹液面,不浸潤液體在管中為凸液面.結(jié)合上節(jié)課所學(xué)的液體表面張力的知識(shí),你找到液面在毛細(xì)管中上升、下降的原因了嗎?

生:是液體表面張力的作用.

師:能具體分析一下嗎?

生:液體表面張力與液面相切,當(dāng)為凹液面時(shí),液體表面張力斜向上,拉著液體使液體上升(圖6);當(dāng)為凸液面時(shí),液體表面張力斜向下,壓著液體使液體下降(圖7).

圖6 浸潤液體在毛細(xì)管中

圖7 不浸潤液體在毛細(xì)管中

師:現(xiàn)在,我們已經(jīng)找到了產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象的原因,請(qǐng)你回顧剛才的分析過程,對(duì)毛細(xì)現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確概括.

生:浸潤液體在毛細(xì)管中上升,不浸潤液體在毛細(xì)管中下降.

師:浸潤與不浸潤的本質(zhì)是什么?

生:分子間作用力的差異.

設(shè)計(jì)分析.(1) 運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)必然有力的作用,加深學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.(2) 溫故知新,鼓勵(lì)學(xué)生自主分析,找到液體上升、下降的原因.(3) 一問一答,梳理探究過程及結(jié)果,對(duì)探究過程進(jìn)行交流、評(píng)估與反思．

4.4 應(yīng)用:認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系

教學(xué)片斷6.

師:探究毛細(xì)現(xiàn)象的過程雖然抽象,但毛細(xì)現(xiàn)象在生活中卻所處可見．大家選擇毛巾時(shí),喜歡選擇什么樣的毛巾?

生:柔軟的、吸水的……

師:毛巾吸水就是由于毛巾中有許多細(xì)小的縫隙,發(fā)生了毛細(xì)現(xiàn)象．大家還能舉出你見到的毛細(xì)現(xiàn)象嗎?

生:紙巾吸水、酒精燈的燈芯……

師:很好.現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)培育雙色花的奧秘了嗎?她的奧秘就在她的花莖中,花莖中有許多毛細(xì)管,把花莖剪開,插入不同顏色的墨水中,墨水就能沿著花莖到達(dá)花瓣,使花瓣呈現(xiàn)出不同的顏色了.根據(jù)這個(gè)培育方法,你能培育出七色花嗎?

設(shè)計(jì)分析.將毛細(xì)現(xiàn)象與生活聯(lián)系,使學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)的基礎(chǔ)上,體會(huì)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的關(guān)系,增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感.并對(duì)所學(xué)內(nèi)容進(jìn)行拓展,鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)踐,并發(fā)現(xiàn)實(shí)踐中的困難.

4.5 問題解決:解決實(shí)際問題,實(shí)現(xiàn)知識(shí)運(yùn)用

教學(xué)片斷7.

師:請(qǐng)大家?guī)屠蠋熃鉀Q一個(gè)問題:長(zhǎng)假之后,教室的花常因?yàn)槿彼菸?qǐng)你運(yùn)用本節(jié)課所學(xué)知識(shí),為花朵設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)供水裝置.

設(shè)計(jì)分析.運(yùn)用毛細(xì)現(xiàn)象解決生活中遇到的問題,培養(yǎng)學(xué)生探索自然的內(nèi)在動(dòng)力.同時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新,在查閱資料的過程中,學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)在科技生活等多方面的應(yīng)用. 目前,利用毛細(xì)現(xiàn)象已有收集廢油裝置、捆扎式樹木治療裝置、超聲血液分流裝置、太陽能制取純凈水裝置等.這表明,毛細(xì)現(xiàn)象在環(huán)保、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有應(yīng)用.讓學(xué)生解決問題的同時(shí),學(xué)生查閱資料,可以了解其在其它各領(lǐng)域的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感.

本節(jié)課教學(xué)設(shè)計(jì)運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)和問題討論的教學(xué)方式,對(duì)教科書及相關(guān)學(xué)習(xí)資源進(jìn)行了開發(fā)和處理.從奇異的雙色玫瑰花導(dǎo)入新課,提高學(xué)生的探究興趣;用演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)與小組討論等方式,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象、探究其產(chǎn)生的原因,并進(jìn)行概括;介紹毛細(xì)現(xiàn)象在生活中的應(yīng)用,使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境(STSE)的關(guān)系.