面向物理觀念和科學思維整合發(fā)展的教學探索——以高中“液體的表面張力”為例

張 雪 張 靜 李雅蘭

（長江大學物理與光電工程學院物理教育研究所，湖北 荊州 434023）

物理觀念是從物理學視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的完整認識，支持學生從多角度、深層次看待物理現(xiàn)象，解決物理問題；［1］科學思維是從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式，引導學生從符號學習走向?qū)W科思想和意義系統(tǒng)建構(gòu)的理解與掌握.［2］作為物理學科核心素養(yǎng)重要構(gòu)成的物理觀念和科學思維是相互依存的，從概念和意義來看，科學思維的發(fā)展立足于物理觀念，物理觀念的建構(gòu)依賴于科學思維，在物理教學中探索二者的整合發(fā)展，具有一定的現(xiàn)實意義和教育價值.

1 物理觀念和科學思維的整合發(fā)展過程

在物理觀念建構(gòu)的層級發(fā)展中，蘊含著物理知識的提煉、內(nèi)化和升華，［3］包括從物理現(xiàn)象和事實經(jīng)驗中提取事物本質(zhì)特征的知識提煉過程、主動建構(gòu)個人知識體系并能隨時調(diào)用的知識內(nèi)化過程、以及深度掌握知識內(nèi)涵并能夠完成真實問題解決的知識升華過程.為了明確各個階段學生應(yīng)達到的思維水平，并有效促進學生的科學思維發(fā)展，本文在促進物理觀念建構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合科學思維從感性—理性—創(chuàng)造性的遞進，設(shè)計了“物理觀念和科學思維的整合發(fā)展過程”（見圖1）.

圖1 物理觀念和科學思維的整合發(fā)展過程

感性認識是啟迪思維的重要依托，教師可借助實驗、視頻等資源為學生提供形象直觀的感官沖擊，引導學生認識事物的表象特征.理性思維建立在感性材料和邏輯推理的基礎(chǔ)上，是經(jīng)過抽象概括、分析推理和關(guān)聯(lián)整合后形成正確反映客觀世界的本質(zhì)和規(guī)律的認識過程，［4］從這個方面來看，從感性到理性的遞進，也是透過表象深入本質(zhì)的跨越，對于學生初步建立物理觀念發(fā)揮著關(guān)鍵作用.激勵學生學會質(zhì)疑、超越常規(guī)、捕捉靈感擺脫思維傳統(tǒng)的束縛，有助于推動創(chuàng)造性思維的形成.［5］教師可設(shè)置新情景讓學生針對爭議性問題展開質(zhì)疑、論辯和修正，完成有創(chuàng)意的發(fā)明設(shè)計等，同時促進物理觀念在遷移應(yīng)用中進行論證鞏固，乃至更深層次地融會貫通和推進升華.

2 “液體的表面張力”教學案例

“液體的表面張力”在電磁相互作用中占有重要地位，是幫助學生建構(gòu)電磁相互作用觀的良好素材.且生活中豐富的表面張力現(xiàn)象及其微觀結(jié)構(gòu)的抽象性有助于引發(fā)學生以疑導思，以思求知的思維積極性，從而發(fā)展學生思維.本文開發(fā)了“液體的表面張力”的教學案例，為促進學生物理觀念和科學思維的整合發(fā)展提供參考.

2.1 滲透基本概念，啟發(fā)抽象思維

情境創(chuàng)設(shè)：教師展示“紗網(wǎng)盛水”的現(xiàn)象（見圖2），在學生體驗“水流進不流出”的感性認識后，啟發(fā)學生對“液面”的思考，并提出問題“在充滿小孔的紗網(wǎng)上，這層液面為何不會散落成無數(shù)小液滴？”

圖2 紗網(wǎng)盛水

學生討論：形成液面的小液滴間可能因為受到力的作用，相互制衡不易滴落.正如獨立的小竹片堆放在一起很容易散亂，但利用針線將竹片連在一起制成竹席的形態(tài)，小竹片就會相對穩(wěn)定，不易掉落.液面上的小液滴受力可能和竹席上的小竹片類似.

概念滲透：教師引入基本概念“張力”，即為“受到拉力作用時，物體內(nèi)部任意截面兩側(cè)存在的相互牽引力”.引導學生得知，竹席面上的“張力”是使小竹片保持穩(wěn)定的原因，推動學生思考液面上可能存在“張力”.

初步建模：教師指導學生用科學建模的手段——畫圖法，將液體的結(jié)構(gòu)表征出來，并抽象出學生理解的小液滴（或液體分子）受力和液面受力情況（見圖3）.

圖3 液面結(jié)構(gòu)的初始模型

設(shè)計意圖：通過“紗網(wǎng)盛水”現(xiàn)象帶來的感性認識，激發(fā)認知沖突，引導學生將疑惑和所熟悉的事物聯(lián)系起來，認識“張力”的概念.建模環(huán)節(jié)旨在幫助學生忽略次要因素，抓住液面的主要特征，同時讓學生在抽象思維的訓練中，實現(xiàn)思維從感性到理性的轉(zhuǎn)變.

2.2 探討宏觀表象，分析微觀本質(zhì)

合作實驗：學生分小組進行合作實驗以驗證“液面中是否有張力存在”.一位學生將帶有吸管的矩形框（見圖4）放入肥皂水中，取一層液膜，另一位學生戳破吸管左側(cè)的液膜，并記錄吸管的狀態(tài)變化.接著，在右側(cè)液體未破裂的情況下，將吸管輕輕左移至最初位置，還原右側(cè)液膜的初始狀態(tài)，固定吸管不會右移后，戳破右側(cè)的液膜，并記錄吸管的狀態(tài).改變吸管最初位置、使用其他形狀的鐵框如半圓框等多次重復實驗.

圖4 矩形框

分析歸納：教師引導學生猜想第1次戳破左側(cè)液膜時，吸管向右運動的兩個可能原因：或是右側(cè)液膜提供的張力、或是左側(cè)液膜破裂時產(chǎn)生的沖力.第2次戳破右側(cè)液膜時，吸管運動狀態(tài)不變的現(xiàn)象則否定了第2種原因，證實液面中張力的存在.

微觀剖析：教師帶領(lǐng)學生回顧“液體由大量液體分子組成，且液體分子間存在相互作用力”的相關(guān)知識.安排學生自主分析表面層分子D和內(nèi)部分子C的受力情況［見圖5（甲）］，明晰表面層分子所受的合力指向液體內(nèi)部.

圖5 液體內(nèi)部微觀分析

仿真模擬：教師運用仿真軟件先模擬一滴立方體形的液體［見圖6（甲）］，不受外力影響.再根據(jù)微觀剖析結(jié)果設(shè)置液體分子受力，并加上重力場和地面環(huán)境，模擬液滴的動態(tài)變化過程和最終形態(tài)［見圖6（乙）］，引導學生觀察表面層分子間距離大于內(nèi)部分子間距離.

圖6 仿真模擬

概念講解：根據(jù)“分子動理論”知識啟發(fā)學生知道表面層分子間作用力表現(xiàn)為引力，宏觀表現(xiàn)為液面上任意直線兩側(cè)存在一對與分界線垂直、大小相等，方向相反的力［見圖5（乙）］，這種力使液體表面繃緊，稱為“液體的表面張力”.

設(shè)計意圖：實驗的宏觀表象能夠提供有力證據(jù)，支持學生分析出液面上張力的存在.由表及里的微觀剖析結(jié)合形象的仿真模擬，能促進學生感性思維和理性思維的相互碰撞，讓學生不僅掌握表面張力這一重要概念，更能深入理解表面張力產(chǎn)生的本質(zhì)原因是分子間的作用力，具體為表面層分子稀疏導致的引力表現(xiàn).

2.3 強調(diào)知識關(guān)聯(lián)，引導觀念初建

本質(zhì)深究：教師解析分子間作用力的產(chǎn)生原因“分子是由原子組成，原子內(nèi)部有帶正電的原子核和帶負電的電子，分子間作用力就是由這些帶電粒子相互作用產(chǎn)生的”，借此闡述表面張力屬于電磁相互作用的緣由.

教師提問：物體相互擠壓會產(chǎn)生彈力，從表面來看，彈力似乎與電磁無關(guān)，但彈力卻是眾所周知的電磁相互作用，為什么？彈力和表面張力的作用來源又有何不同？

學生解釋：當物體受到擠壓后，物體內(nèi)部分子間距離會變小，致使分子間作用力表現(xiàn)為斥力，彈力就是斥力作用的宏觀表現(xiàn).彈力源于外部擠壓，而表面張力源于內(nèi)部作用.

知識關(guān)聯(lián)：教師引導學生從宏觀的“表面張力”、“彈力”進行微觀解釋再深入電磁本質(zhì)，建立知識關(guān)聯(lián)圖（見圖7）.

圖7 彈力與表面張力關(guān)聯(lián)圖

設(shè)計意圖：彈力作為生活中最常見的一種作用力，對彈力和表面張力進行分析推導，可以達到抽絲剝繭的效果，幫助學生建立宏觀和微觀的本質(zhì)聯(lián)系，領(lǐng)會電磁相互作用的統(tǒng)攝性.這是對電磁相互作用認識的一次質(zhì)的飛躍.

2.4 激勵質(zhì)疑論辯，加強觀念鞏固

開展論辯：教師選擇與教學主題相關(guān)的爭議性問題，開展論辯活動（見表1），鼓勵學生踴躍通過口頭論辯來闡述自己的主張和捍衛(wèi)自己的觀點.

表1 論辯活動內(nèi)容

分析總結(jié)：安排學生歸納出浮力和液體的表面張力的異同（見表2），排除繡針受到浮力和表面張力的可能.根據(jù)液面凹陷源于繡針的外部擠壓，并非內(nèi)部作用，證實液面和繡針間彈力的存在，肯定學生3的分析解釋.隨后，教師 總結(jié)紛繁現(xiàn)象背后的統(tǒng)一規(guī)律“除引力相互作用外，在分子、原子構(gòu)成的宏觀物體中的一切相互作用都可歸結(jié)為電磁相互作用”，再以自然界中液體為代表，列舉浮力和表面張力產(chǎn)生原因和作用效果的不同，滲透電磁相互作用的形式多樣性.

表2 液體的表面張力與浮力的異同

設(shè)計意圖：“針行水面”的問題能夠激勵學生敢于質(zhì)疑、善于釋疑的思維習慣，引導學生通過推理論證修正對表面張力和浮力的錯誤認知，明晰液體中電磁相互作用的異同，進而領(lǐng)會自然界中電磁相互作用的多樣統(tǒng)一，在活學活用中達到物理觀念的鞏固效果.

2.5 創(chuàng)新拓展延伸，促進觀念升華

拓展活動：表面張力在水質(zhì)監(jiān)控、液面清污等機械裝置的創(chuàng)造生產(chǎn)中都有體現(xiàn).鼓勵學生搜集資料，嘗試設(shè)計一個仿生水黽裝置，實現(xiàn)水面行走的功能.

任務(wù)引導：（1）信息檢索水黽的相關(guān)資料，了解水黽能在水面自由行走的原因；（2）根據(jù)水黽的腿部結(jié)構(gòu)特征，選擇制作驅(qū)動腿的材料（如涂敷疏水劑的鐵絲）；（3）設(shè)計驅(qū)動腿的前行方式（如旋轉(zhuǎn)劃動，設(shè)置多條支撐腿保證穩(wěn)定移動）；（4）安裝承重板和驅(qū)動裝置，實踐檢測效果.

設(shè)計意圖：仿生科技作為人類創(chuàng)造力的智慧結(jié)晶，為學生思維突破常規(guī)、構(gòu)筑新意提供了空間.另外，仿生水黽裝置是“針行水面”的驅(qū)動化升級，可以讓學生親身體驗液體中各種電磁作用可能對裝置產(chǎn)生的影響，思考如何減小水面擾動、保證水面完整，落實電磁相互作用觀在問題解決中的意義性升華.

3 結(jié)束語

物理核心素養(yǎng)的各個要素是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的.物理觀念和科學思維分別作為其他物理核心素養(yǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)和途徑，具有特別重要的教學意義.在教學實踐中，一方面教師需把握物理知識的提煉、內(nèi)化和升華過程，引導學生在深入理解概念或規(guī)律后，正確看待物理現(xiàn)象，多維思考問題解決，促進物理觀念的逐步建構(gòu).另一方面教師可給予學生充足的時間與空間去體驗感知、動手思考、論辯交流、質(zhì)疑創(chuàng)新，將學生的思維逐漸引向深入，促進物理學科核心素養(yǎng)的整合發(fā)展.