創(chuàng)設(shè)物理情境 培養(yǎng)科學(xué)思維

林潔清

摘? ?要：分子間存在作用力是一種微觀現(xiàn)象，在物理課堂中無法直接展示。需借助宏觀現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)分子間作用力及其特點(diǎn)。在教學(xué)中，通過情境創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、模型建構(gòu)、科學(xué)探究、總結(jié)論證等過程，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)、科學(xué)推理、質(zhì)疑創(chuàng)新、科學(xué)論證的科學(xué)思維。? 關(guān)鍵詞：分子間作用力;創(chuàng)設(shè)情境;經(jīng)歷過程;科學(xué)思維

物理是一門基礎(chǔ)自然科學(xué)，與日常生活密切相關(guān)。豐富的生活情境以及教師創(chuàng)造性地創(chuàng)設(shè)的物理情境，能夠讓物理學(xué)習(xí)充滿挑戰(zhàn)和樂趣。創(chuàng)設(shè)情境進(jìn)行物理教學(xué)本身就有“參與”的價(jià)值，包括教師的參與和學(xué)生的參與。只有參與了，才能經(jīng)歷過程。

分子間存在作用力是微觀領(lǐng)域的問題，由于學(xué)生在生活中缺乏相關(guān)體驗(yàn)，故而在概念建立、規(guī)律探索時(shí)存在巨大的困難，如引導(dǎo)學(xué)生思考：分子間是否存在作用力？如何證明分子間存在作用力？作用力到底是引力還是斥力？分子間作用力在現(xiàn)實(shí)生活中有無對(duì)應(yīng)現(xiàn)象等。這些問題對(duì)學(xué)生來說，無從思考。此時(shí)，教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，循序漸進(jìn)，將學(xué)生引入微觀世界。筆者就此以 “分子間存在相互作用力”教學(xué)為例，帶著學(xué)生一起經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)規(guī)律的思維過程。

1? 創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，建構(gòu)模型

在分子動(dòng)理論中，擴(kuò)散現(xiàn)象、布朗運(yùn)動(dòng)等大量的事實(shí)證明分子在永不停息地做無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。那么既然這樣，為什么固體有固定的形狀？此時(shí)，中學(xué)生會(huì)聯(lián)想到某種神奇的力量。教師引導(dǎo)學(xué)生尋找思考的切入點(diǎn)，即，建立模型。為了突出主要因素，引導(dǎo)思考像鉛塊、鐵塊等純凈物固體，建構(gòu)理想化的物理模型。若將分子簡(jiǎn)化為一個(gè)球形模型，則可認(rèn)為鉛塊是由大量鉛分子組成。教師提示：什么叫做有固定的形狀？即形狀很難被外力改變。這說明有某種作用阻礙物體發(fā)生形變，讓物體維持一定的形狀。此時(shí)，多數(shù)學(xué)生的思維好像被扯開一道口子。

既然分子間可能存在這種作用，那么，教師可以引導(dǎo)學(xué)生做出一個(gè)大膽的猜想：若將兩個(gè)固體緊緊壓在一起，那么大量分子就靠得很近，這種力量能讓兩個(gè)固體組成一體嗎？

像這樣在真實(shí)的生活情境中，發(fā)現(xiàn)問題，以“物”為本，不趕進(jìn)度，引導(dǎo)學(xué)生慢慢悟出其中的道理，凸顯知識(shí)建構(gòu)過程，可以最大化地實(shí)現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)[ 1 ]。

活動(dòng)設(shè)計(jì)：學(xué)生將兩個(gè)一樣的鉤碼用力擠壓，發(fā)現(xiàn)無法擠壓在一起。生活常識(shí)亦是如此。此時(shí)，教師取兩個(gè)鉛塊，讓力氣不是很大的學(xué)生將兩個(gè)鉛塊擠壓在一起，兩個(gè)鉛塊還是很難被壓在一起。但有一定的粘滯效果。最后，教師引導(dǎo)：鉤碼表面存在氧化膜，鉛塊暴露在空氣中也會(huì)被氧化，如果刮掉表面氧化膜會(huì)怎么樣？

刮掉表面的氧化層后，教師借助壓力器（如圖1所示）將兩個(gè)鉛塊用力擠壓，學(xué)生觀察到兩個(gè)鉛塊粘在一起，下面還能懸掛一定的重物。此時(shí)，實(shí)驗(yàn)事實(shí)與學(xué)生猜想發(fā)生了第一次劇烈的撞擊，激發(fā)了學(xué)生探究的熱情：為什么普通固體很難被壓在一起？而對(duì)于鉛塊，為什么輕輕擠壓不易粘在一起，用力之后就可以吸在一起？在真實(shí)的情境與學(xué)生原有認(rèn)知的沖突的基礎(chǔ)上，開發(fā)提出有價(jià)值的問題，激發(fā)了學(xué)生的探究熱情[ 2 ]。

2? 創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，建立觀念

帶著這么多的問題，教師不急著答復(fù)，而是留足思考的空間給學(xué)生，讓學(xué)生主動(dòng)提出質(zhì)疑。學(xué)生的想法很豐富，可能非常不嚴(yán)謹(jǐn)，但教師應(yīng)尊重并予以鼓勵(lì)和引導(dǎo)。該實(shí)驗(yàn)中，多數(shù)學(xué)生難以從分子引力的角度思考，因?yàn)槲⒂^的作用力是學(xué)生的生活體驗(yàn)無法觸及的一種存在。而很大一部分學(xué)生通過搜索僅有的部分知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為，用力擠壓之后，鉛塊之間的空氣被排除，故而應(yīng)該是大氣壓力把兩個(gè)鉛塊擠壓在一起。少數(shù)學(xué)生會(huì)思考到鉛塊不會(huì)脫離應(yīng)該是鉛塊和鉛塊之間存在某種引力。

那么，到底是大氣壓力的作用結(jié)果還是分子間存在引力？憑空猜想？可以通過什么方法來論證猜想？留足時(shí)間，學(xué)生可能會(huì)提出各種方案，例如，有學(xué)生提出若把兩個(gè)吸著的鉛塊放置于真空環(huán)境，看兩鉛塊是否分離。有學(xué)生提出通過計(jì)算比較大氣壓力大還是鉛塊的重力大等。教師根據(jù)現(xiàn)有條件引導(dǎo)驗(yàn)證。筆者在課堂上用的是如圖2所示的鉛塊：鉛塊內(nèi)部為空心，有一定的厚度，通過測(cè)量得橫截面內(nèi)外半徑分別為r外=1 cm和r內(nèi)=0.6 cm，如圖3所示。當(dāng)兩個(gè)鉛塊吸在一起時(shí)，內(nèi)部有空氣，故而內(nèi)部存在大氣壓力。1個(gè)鉛塊受到的大氣壓力為內(nèi)外橫截表面的大氣壓力之差，即PS=P（πr外2-πr內(nèi)2）=20 N，而鉛塊自身重1 N（如圖4），顯然大氣壓力完全有能力“托住”下面的那個(gè)鉛塊，此時(shí)，學(xué)生很快就想到新的論證方案：在鉛塊下面繼續(xù)懸掛重物，看是否可以超過19 N，若無法超過，則說明是大氣壓力使兩個(gè)鉛塊壓在一起。若超過19 N，則說明鉛塊之間存在其他引力。

實(shí)際上，如圖5所示，事實(shí)證明鉛塊能承受的拉力遠(yuǎn)不止19 N（圖5）。說明兩個(gè)鉛塊之間存在引力。至此，很自然建立分子間存在引力的概念。這個(gè)過程教師步步為營(yíng)，通過演示實(shí)驗(yàn)創(chuàng)設(shè)新問題、探究并解決問題，培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新和推理探究能力。

在學(xué)生認(rèn)識(shí)到分子間存在引力之后，教師以身邊常見的分子引力的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生從物理回歸生活。例如，水瓶壁上的水滴為何不流下？引導(dǎo)認(rèn)識(shí)這是分子引力的宏觀表現(xiàn)。再如，讓學(xué)生通過測(cè)力計(jì)提起一片緊貼液面的玻璃片，發(fā)現(xiàn)：需用比玻璃片自身重力更大的力才能將玻璃片提離液面，如圖6所示，這也是分子間存在引力的一種宏觀表現(xiàn)。

教師繼續(xù)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，分組實(shí)驗(yàn)：引導(dǎo)學(xué)生取一針筒，抽水，要求用手堵住針筒的嘴，如圖7所示，推動(dòng)活塞。提出問題：活塞可否被壓縮下去？學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)明顯感受到活塞被壓縮一點(diǎn)點(diǎn)之后就再也無法被壓縮。究其原因，水由大量水分子組成，無法被繼續(xù)壓縮，是因?yàn)榉肿娱g存在斥力。學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)真實(shí)感受水分子間微觀的斥力的宏觀效果。

在上面的環(huán)節(jié)當(dāng)中，教師引導(dǎo)學(xué)生通過觀察、實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)分子間存在作用力，并體驗(yàn)分子作用力有時(shí)表現(xiàn)為引力，有時(shí)表現(xiàn)為斥力。學(xué)生參與了建立概念的過程，在過程中體驗(yàn)探究，發(fā)展科學(xué)思維。

3? 創(chuàng)設(shè)問題情境，探索規(guī)律

分子之間的作用力到底是引力還是斥力？要回答這個(gè)問題，就必須先思考分子之間為什么存在相互作用力？這又是一個(gè)大難題，需要留足時(shí)間給學(xué)生思考。

經(jīng)過思考，有些學(xué)生認(rèn)為分子有質(zhì)量，故而分子力是萬有引力。但很快就被否定了。因?yàn)槿f有引力不會(huì)出現(xiàn)斥力。有些學(xué)生深入挖掘分子自身的結(jié)構(gòu)，考慮到，分子由原子構(gòu)成，原子內(nèi)部有正負(fù)電荷。當(dāng)分子靠得很近時(shí)，正負(fù)電荷間的引力和斥力便體現(xiàn)出來。課堂通過計(jì)算得到庫侖力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于萬有引力的數(shù)量級(jí)。即分子間的萬有引力完全可以忽略不計(jì)。分析至此，分子間作用力的實(shí)質(zhì)便有了初步結(jié)論。即，分子間同時(shí)存在著同種電荷之間的斥力和異種電荷之間的引力。分子間表現(xiàn)出來的作用力為這兩種力的合力。教師結(jié)合圖8所示F-r圖象引導(dǎo)認(rèn)識(shí)分子間作用力的規(guī)律，其中當(dāng)r>10r0時(shí)分子間的作用力就可以忽略不計(jì)（r0≈10-10 m）。

4? 創(chuàng)設(shè)體驗(yàn)情境，應(yīng)用規(guī)律

在教學(xué)中，學(xué)生在體驗(yàn)過程生成了兩個(gè)資源。一是：鉛塊內(nèi)聚力實(shí)驗(yàn)中，既然兩鉛塊間的分子引力足以額外承受大于19 N的重物，那么為什么兩個(gè)鉤碼通過擠壓沒能吸引在一起？為什么力氣小的學(xué)生很難將兩個(gè)鉛塊擠壓在一起？二是：為什么壓縮水的時(shí)候，水先被輕微壓縮之后，才表現(xiàn)出分子斥力。這些現(xiàn)象實(shí)際上是由分子力的規(guī)律決定的。

這些課堂資源恰好可以鞏固理解分子間作用力的特點(diǎn)。當(dāng)分子間距r>10r0時(shí)，分子作用力可以忽略不計(jì)。而普通固體表面凹凸不平，用較小的力擠壓時(shí)，兩固體表面分子間距離遠(yuǎn)大于r0，分子間作用力無法表現(xiàn)出來。故而普通的固體通過擠壓并不會(huì)表現(xiàn)出吸在一起的效果，去掉氧化層的鉛塊如果不是用力擠壓也很難擠壓在一起。同理，用針筒壓縮水的時(shí)候，起初水分子間距處于平衡距離，即r0≈10-10 m。在壓縮水的時(shí)候，分子間距小于r0，分子間體現(xiàn)出斥力的效果。

學(xué)生對(duì)分子間作用力規(guī)律的理解還需要在解釋這類宏觀現(xiàn)象中提升。教師直接利用課堂生成的資源，引導(dǎo)應(yīng)用規(guī)律解釋現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的能力。

最后，本節(jié)課呼應(yīng)引入時(shí)的問題：固體、液體分子間距離較小，如果分子距離太近，分子間表現(xiàn)出斥力;分子間距太大，分子間又會(huì)表現(xiàn)出引力，因此分子力可以讓固體保持一定的形狀，可以讓液體保持一定的體積。氣體分子間距一般都大于10r0，故而氣體沒有固定的體積和形狀。

像這樣，科學(xué)思維的培養(yǎng)是貫穿在像建立概念和探索規(guī)律這樣每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)和細(xì)節(jié)的過程中。教師利用情境教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生參與物理模型構(gòu)建，參與概念建立，參與規(guī)律探索，參與科學(xué)推理，參與科學(xué)論證。學(xué)生在參與的過程中，發(fā)展科學(xué)思維，落實(shí)核心素養(yǎng)的發(fā)展[ 3 ]。

鑒于高中階段還未深入到量子領(lǐng)域，該問題并未過分深入探討，僅止步于中學(xué)教學(xué)。望能為同仁提供有價(jià)值的教學(xué)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]林明華.物理教學(xué)的“慢悟理”[J].中國教師，2020（1）：41-43.

[2]黃巧曦.以情境啟迪思維 促核心素養(yǎng)發(fā)展[J].中學(xué)理科園地，2019，15（1）：7-8，11.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.