立足方法教育的生成性教学案例①——以“分子热运动”为例

徐　展

(江苏省常州市第二中学，江苏　常州　213003)

①　本文为江苏省教育科学十二五规划课题“生成性教学研究”(课题编号D/2013/02/419)与“高中物理显性科学方法教育课堂的构建研究”(课题编号B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

立足方法教育的生成性教学案例①
——以“分子热运动”为例

徐展

(江苏省常州市第二中学，江苏常州213003)

①本文为江苏省教育科学十二五规划课题“生成性教学研究”(课题编号D/2013/02/419)与“高中物理显性科学方法教育课堂的构建研究”(课题编号B-b/2013/02/230)的研究成果之一.

摘要：本文以教学案例，介绍笔者立足教会学生科学方法的教育实践，采用根据课堂中的互动状态，及时调整教学思路和教学行为，践行生成性教学.

关键词：分子热运动；教学案例；方法教育；生成

1引言

长期以来，物理课堂中的方法教育得不到应有的重视，教师们总倾向于按照知识内在的逻辑顺序来设计教学活动.事实上，无论是在从现象中归纳得出物理知识这一知识获取过程中，还是在由物理知识演绎解决新问题，或延伸得到新知识的应用过程中，科学方法才是核心，才是我们要学生逐步掌握的重点.

要教会学生方法，简单采用“告诉”的方式显然不会收到预期效果，教师采用互动对话型的教学方式，根据课堂中师生互动情况及时调整教学思路和教学行为，这种动态的教学方式将有利于学生体会、思考、运用方法，从而实现方法教育的目标.

2设计思路

从科学家看待自然现象的角度异于常人切入主题，让学生观察花粉颗粒的无规则运动，围绕“看到现象，如何研究”这一中心，引导学生观察、描述、深入研究现象，从而总结出研究自然现象的方法，最后以扩散现象为例进行方法教育.

3教学过程

3.1引入课题

第八届江苏省花博会在常州举行，身为常州人，我很自豪！花在文人墨客眼中自有一番诗情画意，而在科学家眼中却另有一番含义.

课件展示：1827年，英国著名植物学家布朗在研究植物授粉过程中，用显微镜观察悬浮于水中的花粉小微粒，看到了令他惊奇的现象，这里模拟一下当时的实验.

3.2观察现象、描述现象

实验演示：紫薇花花粉微粒悬浊液切片观察(使用数码显微镜Motic BA210，物镜40×).

师：请同学们描述现象.

生：有很多东西在动！

师：什么东西在动？

生：应该是花粉微粒.

师：在怎样运动？

生1：往复运动.

师：仔细观察，花粉微粒是在某一位置附近来来回回地运动吗？

生：不是.

生2：做永不停息地无规则运动.

师：就观察了这么一段时间，就能说永不停息吗？仅靠肉眼观察你怎么知道运动一定无规则呢？

生：……

师：这种运动是否永不停息，是否无规则，需要进一步研究，这里我们只能说“花粉微粒不停运动”.

师：除了“花粉微粒不停运动”，还有什么现象呢？

生：有的微粒运动得快.

师：什么微粒“快”？

生：小的微粒.

师：观察大微粒、小微粒，谁的运动范围大？

生：小的.

师：用怎样一个词描述小微粒运动的特点更确切而简洁呢？

生：微粒越小，运动越明显.

3.3实验研究花粉微粒的运动

师：设想你就是1827年的布朗，当你观察到这个现象，你准备怎样研究这一现象？

生：分析花粉微粒的受力.

师：很好！牛顿定律没有白学.这是从已有知识出发进行理论研究，但花粉微粒受力比以前我们研究的要复杂许多，你的知识储备并不足以进行这种理论研究，就像1827年的布朗一样.

师：理论研究不行，我们可以……

生：实验研究.

师：你准备进行怎样的实验研究呢？

生：找个放大倍数更大些的显微镜来观察.

师：好！

实验演示：紫薇花花粉微粒悬浊液切片观察(使用数码显微镜Motic BA210，物镜100×).

生1：看得更清晰了.

生2：的确不是往复运动.

生3：微粒越小，运动的确越明显.

师：还能进行怎样的实验研究呢？猜猜这种运动与什么因素有关？

生：温度.

师：猜想与温度有什么关系？

生：温度高，运动快.

师：如何验证你的猜想？

生：加热！

实验演示：加热悬浊液后再观察.

生：温度越高，微粒运动越快.

师：明显这个词更确切.

师：回顾刚才我们的这一段实验研究的研究方法，是先怎样，再怎样？

生：先猜想，再验证.

师：的确，实验研究一类现象往往按先猜想后验证，再猜想，再验证的顺序.

师：那么下面我们还可以作哪些猜想呢？

生：猜想这种运动与磁场、电场有关.

师：猜想后呢？

生：用磁铁或者带电体靠近，看花粉微粒的运动有什么变化.

师：这些实验同学们可以课后到实验室去完成.

师：最初让同学们描述现象的时候，有同学说“无规则运动”，那也都是猜想，那么你可以设计怎样的实验来验证呢？

生：用方格纸描轨迹.

师：你这个想法太棒了！一个世纪前的一次科学会议上，一个叫肖塞格的学生报告了一种观测微粒运动的方法：用照相机映画器将微粒的位置显示在纸面上，跟踪一个颗粒，每隔半分钟标一次位置.我仿照这种方法在方格纸上绘制得到了三个微粒的这种图像(如图1).

图1　显微镜下三颗大小不同微粒运动位置的连线(切片倾斜)

师：这是三个微粒的轨迹图吗？

生：不是.

师：应该是位置连线.从位置连线图中我们能说微粒做无规则运动吗？

生：不能，偏向一边.

师：后来发现这是切片放置稍有倾斜所致，将切片水平放置得另一张图(如图2).

图2　显微镜下三颗大小不同微粒运动位置的连线(切片水平)

师：恐怕据此图说明微粒的运动无规则底气更足.这里的三个位置连线图是大中小三种微粒的，据图说“微粒越小，运动越明显”也更有说服力.

师：那么“永不停息”这一猜想如何验证呢？

生：放置一段时间再观察是否还有这种运动.

师：放置多久？

生：几天，几个月，更长……

师：很好！

师：有没有思考过这种永不停息无规则运动的产生原因呢？

生：是不是因为花粉是活的？

师：在采集花粉的时候，我看到过混杂在花粉颗粒中极小的虫子，由此很容易让人产生“这种无规则运动是生命活动”的想法，进化论提出者达尔文也这么认为.那你设计一个实验验证一下.

生：杀死花粉，比如烧.

师：烧可能引起花粉微粒较大的变化，比如变成焦炭了，尽量不要用这种方法.但这种进行灭活处理的思路是正确的.当年布朗先生利用其植物学家的便利，用标本室里放置了上百年的花粉标本制作悬浊液切片观察.

师：那么除了对花粉进行灭活处理外，你还能设计怎样的实验来验证呢？花粉可能是活的，是否可以用其它肯定不是活的微粒制成悬浊液切片也能观察到这种运动呢？

生1：用粉笔灰.

生2：用碾碎的石块.

师：很好！

实验演示：藤黄颜料配制的悬浊液切片观察.

师：当年布朗先生用存放百年以上的花粉标本、碾碎的窗玻璃、无机矿物、雕像碎片等做成悬浊液切片观察，结果都发现了这种运动.这样自然会产生一个疑问：用什么样的微粒能观察到这种无规则运动？

生：不能太大，不能太小.

师：多大呢？

生1：(在显微镜观察到的图中)量一下微粒的大小.

生2：据放大倍率算一下.

师：先量后算.很好！由于时间关系我们不演示，而是做个直观的对比实验.

演示实验：颗粒与头发丝对比实验(如图3).

图3　以头发丝为背景的布朗粒子

师：头发丝直径大约是0.1毫米数量级的，据此估算微粒大小的数量级.

生：微粒的尺寸大约是头发丝的百分之一，因此微粒大小的数量级大约是10-6米.

师：现在你认为用什么样的微粒能观察到这种无规则运动？

生：用大小为10-6米数量级的微粒能观察到这种运动.

师：你觉得用10-6米数量级的铁屑微粒也能观察到这种运动吗？

生：不可以.

生：用大小为10-6米数量级、能悬浮在液体中的微粒，能观察到这种运动.

师：这也只是猜想，同学们可以发挥想象力，自己去寻找微粒，制作悬浊液切片进行更为广泛的实验验证.

课件展示：布朗在1828年的两篇论文中基本涵盖了刚才讨论的内容，后人把这种悬浮在液体中大小为10-6米数量级微粒的无规则运动称为布朗运动.

3.4布朗运动产生的原因

师：既然这种运动与生命活动无关，那么产生原因到底是什么呢？布朗本人认为布朗运动就是分子运动，你认为呢？

生：不对.

师：这也是你的猜想，如何验证？

生：用实验.

师：只有用实验才能验证？换句话说，除了实验研究外，还有其他研究方法吗？

生：前一节学过分子直径的数量级是10-10米，做布朗运动的微粒才10-6米数量级.

师：很好！看来，以同学们目前的知识储备已经能够从已有结论角度去分析，推断得布朗运动不是分子运动了.的确，检验猜想可以从现有理论推断、实验验证两个角度进行.

课件展示：19世纪的一位物理学教授提出：布朗运动是液体从照明光线中吸热，使液体流动而使微粒移动所致.这也是个猜想，你准备如何验证？

生：在无光照条件下观察.

师：没有照明显微镜是不能工作的.当无法通过减小某因素的方法检验该因素是否影响实验时，我们可以……

生：增大这一因素.

师：如何增大？

生：增大照明光线的光强，看布朗运动是否有变化！

师：这个设计很好！同学们可以课后到实验室尝试.

课件展示：1904年，法国著名物理学家彭加莱指出：1μm的微粒受液体分子各向撞击不平衡是布朗运动的产生原因.

师：彭加莱的解释也是猜想，有待验证的猜想，这个验证工作由著名理论物理学家爱因斯坦和实验物理学家佩兰共同完成.

课件展示：爱因斯坦、佩兰对布朗运动的研究.

师：理论大师与实验大师强强联手，果真“无坚不摧”.

3.5扩散现象再研究

实验演示：切开几只在酱油中浸了几小时、2天、4天的三个熟鸡蛋.

师：这是什么现象？

生：扩散.

师：你准备怎样研究扩散现象？

生：猜想、验证.

师：如何验证？

生：运用理论或者实验.

师：猜想可以有哪些方面？

生：探究影响扩散运动的内部因素、外部因素，解释产生原因等.

3.6小结

自然现象无处不在，以艺术的眼光去发掘能陶冶我们的情操，以生活的眼光看待能使我们享受平凡的生活，而你从科学的角度去探索则能提升我们的科学素养.

今天花博会的召开使身为常州人的我们倍感自豪，希望明天常州能因为具有你们这些高素养的市民而骄傲，更希望你们能象布朗、爱因斯坦等科学家一样，因深入研究自然现象而名垂青史.

4课后反思

在本节课中，教师将课堂核心放在“看到现象，如何研究”这一问题上，力图让学生体会、思考，并运用探究自然现象的方法.在教学实施过程中努力与学生以平等关系、开放心态交流思想，让学生在教师帮助下体验研究自然现象的过程.对于笔者而言，这是一次全新的尝试，经过若干次课堂实践后，有两点感受与大家分享.

4.1适度预设，才能有效推进课堂

生成性教学不能被学生“牵着鼻子走”！某次课堂上笔者让学生“设计实验证明布朗运动不是生命活动”，一位学生提出事先将花粉烧一下的方法，笔者没有加以引导，结果学生都往如何杀死花粉方面去考虑，在这个问题上浪费了许多宝贵的课堂时间.反思后决定将预设的问题改为“是否只有花粉微粒才有这种现象呢？同学们设想如果你来做这个实验，还会用什么东西制作切片来观察？”这样可以减少学生回答太过发散、课堂难以驾控的麻烦.

但最终笔者还是没有修改问题，因为“布朗运动是不是生命活动”，是研究花粉微粒无规则运动这一自然现象过程中必然会产生的问题，“如何验证该运动与生命活动无关”也是必定要经历的思考.与其在课堂上回避不如课前多设想学生可能的回答，思考引导的具体方法.由此可见，设计教学时既不能预设过多，限定学生思维，又不能预设不足，使课堂难以驾控，预设要适度.

4.2形成常态，才能真正促进发展

无论是生成性教学还是方法教育，高中生都比较陌生.长期以来学生适应了立足“考点”的应试型课堂教学，适应了教师讲、学生听的教学方式，突然在某次课堂上教师将“学会如何研究自然现象”作为课堂核心目标，以师生对话作为主要教学手段，学生真有点不适应.

唯有常态化，把方法教育、生成性教学的理念融入每节课中，才能逐渐展现出传统教学无法比拟的优势，真正促进学生的发展.