基于学习进阶的物理概念教学策略*——以“液体的表面张力”为例

董友军 侯柏羽

（1.北京师范大学广州实验学校，广东广州 510700；2.佛山市顺德区容山中学，广东佛山 528303）

物理概念是物理状态或物理过程的简洁提炼和本质反映.在物理概念教学中，教师应引导学生分析自然现象，解决现实问题，从而提升学生的思维能力.学习进阶是指学生认识某一学习主题不断丰富和逐步深入的过程[1].学生对学习主题的认识不是一蹴而就的，而是经历多个中间水平，这些中间水平称为阶.阶是学生认知过程中的脚踏点，是由知识和学生共同确定.本文以粤教版物理选修3–3“液体的表面张力”为例，探索基于学习进阶的物理概念教学策略.

一、教学案例

（一）进阶起点、终点预设

教学起点就是新知识在原有知识基础上的生长点，包括逻辑起点和现实起点.逻辑起点是指按照教材学习的进度，应该具有的知识基础；现实起点是指学生进行新内容的学习所需的知识准备和经验积累[2].奥苏贝尔认为，“影响学习的最重要原因是学生已经知道了什么，我们应当根据学生原有的知识状况进行教学”[3].这充分说明了教学起点是影响学生学习新知识的重要因素.

教学终点是指教学目标，即通过教学过程预测教学会使学生达到什么目标.《礼记·中庸》说，“凡事预则立，不预则废”.一旦设定了教学终点，就确立了教学方向，保证了我们的教学过程行驶在正确的轨道上.

1.进阶起点

物理概念进阶起点可以根据学生已有的知识结构和现有的认知能力来确立.在学习本节之前，学生已经学习了：分子间同时存在引力和斥力，当两个分子间的距离等于r0时为0；当两个分子间的距离小于r0时为斥力；当两个分子间的距离大于r0时为引力.认知心理学指出，高二学生不但具有较强的抽象思维，而且具有严密的逻辑推理.以上就是学习本节的进阶起点.

2.进阶终点

物理概念的进阶终点是根据构建物理知识结构、发展学生核心素养来确立.笔者确定本节学习进阶终点——发展学生物理学科核心素养，其具体表现为：让学生观察表面张力现象，并总结出液体的表面具有收缩趋势，培养学生物理观念与科学思维；让学生从液体微观角度去分析液体的表面具有收缩趋势的原因，揭示表面张力内涵，培养学生物理观念与科学探究；让学生深度探索，构建表面张力关联，培养学生科学思维与科学探究；让物理回归生活，感悟表面张力应用，培养学生科学思维与科学态度.

（二）进阶水平划分

笔者在教学实践中，根据物理概念的要素划分中间水平，不仅可以消除学生迷思概念，也可以增强学生理解概念，还可以培养学生应用能力，从而发展学生物理学科核心素养.

水平1——创设情境，观察表面张力现象

情境是指一定时间内各种情况结合的境况.中学物理教学中的情境主要包括实验、视频、图片等.情境认知理论认为，设计要以学生为主体，内容要与生活实践联系，最好在真实的情境中组织教学.笔者准备好实验器材，每个小组两个学生进行实验，观察液体的表面张力现象.

师：用烧热的针刺破塑料吸管右侧的肥皂液薄膜（如图1），观察到什么现象？

图1 用针刺破肥皂液薄膜

生：塑料吸管沿铁丝框向左运动.

师：这说明什么？

生：说明塑料吸管左侧的肥皂液薄膜对塑料吸管有向左的引力.

师：若用烧热的针刺破塑料吸管左侧的肥皂液薄膜，观察到什么现象？

生：塑料吸管沿铁丝框向右运动.

师：这说明什么？

生：说明塑料吸管右侧的肥皂液薄膜对塑料吸管有向右的引力.

师：塑料吸管既可以受到向左的引力而向左运动，也可以受到向右的引力而向右运动，说明肥皂液薄膜具有什么性质？

生：说明肥皂液薄膜具有收缩趋势性质.

师：在生活中，有没有什么东西也像肥皂液薄膜一样具有收缩趋势？

生：绷紧的橡胶薄膜具有收缩趋势，如吹入了空气而鼓起来的气球.

师：除了肥皂液薄膜具有收缩趋势，其实所有液体的表面都具有收缩趋势.

水平2——微观分析，揭示表面张力内涵

微观是指涉及分子、原子等物质的内部结构.很多宏观物理现象，都是由物体的微观结构决定.通过以上实验，学生已经观察到液体的表面具有收缩趋势.为了探究这种现象的原因，笔者引导学生进行微观分析，揭示液体的表面张力内涵.

师：爱因斯坦说，“提出问题比解决问题更重要”.通过以上实验过程，你们能提出什么问题？

生：为什么液体的表面具有收缩趋势呢？

师：好问题！这需要从液体表面的微观结构去分析.其实液体的表面不是一个几何平面，而是一个厚度为分子有效作用距离（数量级为10-10m）的薄层，叫作表面层（如图2 甲）.从图可以看出，表面层分子比液体内部分子稀疏还是密集？

图2 液体表面层

生：稀疏.

师：已知在液体内部分子间距离r略小于r0，请问液体内部分子间的作用力表现为什么力？

生：斥力.

师：表面层分子比液体内部分子稀疏，分子间距离r略大于r0，请问表面层分子间的作用力表现为什么力？

生：引力.

师：设想在液体表面层任取一个水平的小表面层（如图2乙），在这个小表面层上任画一条分界线MN，把液体小表面层分为1、2 两部分，请问分界线MN两侧液体表面层之间存在什么力？

生：1部分液体对2部分液体有引力F12，2部分液体对1部分液体有引力F21.

师：若这分界线MN越长，分界线MN两侧的分子数就会越多，引力F12、F21将如何变化？

生：因为分子数越多，产生的引力个数也越多，由于分界线MN同侧的引力方向都相同，引力大小就是所有引力之和，因此引力F12、F21随分界线越长而变大.

师：这两个力F12、F21是什么关系？

生：是作用力与反作用力，即大小相等、方向相反、作用在同一条直线上.

师：这两个力的方向具体如何？

生：F12、F21总是垂直分界线MN且与液面相切.

师：由于是任取一个小表面和任画一条分界线，所以这种引力在液体表面层的各个地方和各个方向都存在，使整个液体表面层如同被拉伸的橡胶膜而产生绷紧的效果.在物理学中，把液体表面层所有分子引力在宏观上表现的合力叫作液体的表面张力.请总结液体的表面张力的大小、方向、作用点如何？

生：经过以上分析，总结出液体的表面张力大小随边界线增长而增大；液体的表面张力方向总是与表面层上任意一条分界线垂直且与液面相切；液体的表面张力的作用点在液体的表面层上，即表面张力F12作用在2 部分表面层，表面张力F21作用在1部分表面层.

水平3——深度探索，建构表面张力关联

关联是指物理新概念与其他概念的相关与联系.了解不同概念之间的关联，有助于学生理解知识间的内在联系，从而加深对所学概念的认识和理解，也有助于掌握学科的知识结构.笔者通过实例分析，暴露学生的迷思概念，引导学生深度探究，从而建构表面张力关联.

（学生观察老师演示实验——5 分硬币漂浮在水面上并保持静止）

师：对静止的5分硬币做受力分析.

生：硬币受到重力和浮力.

师：请同学们仔细观察，硬币有浸在水中吗？

生：硬币没有浸在水中，是漂浮在水面上.

师：硬币没有浸在水中，会产生浮力吗？

生：根据初中学习的阿基米德原理，浮力的大小等于物体排开的液体所受的重力.现在硬币没有浸在水中，即没有排开液体，因此硬币没有受到浮力.

师：硬币不受到浮力，为何硬币会静止在水面上？

生：哦，我知道了，硬币应该是受到重力和水的表面张力（如图3）.

图3 硬币受力

师：液体的表面张力作用点在哪里？

生：在液体的表面层.

师：既然液体的表面张力在液体的表面层，也就是说，水的表面张力还是在水中，不可能作用在5 分硬币上，因此5 分硬币没有受到水的表面张力.

生：5 分硬币既没有浮力，也没有表面张力，难道又产生了新的力？

师：质疑得好！确实产生了新的力.请大家再仔细观察和思考！

生：水的表面发生了形变，向下凹下去，由于表面张力的作用，凹下去的水面处于绷紧状态，类似于橡胶薄膜发生了弹性形变，对硬币产生了向上的弹力，正是这个弹力与硬币的重力平衡（如图4），才使硬币静止在水面上.

图4 硬币受力

师：请比较表面张力与浮力，并完成表格（表1）.

表1 张力与浮力比较

水平4——回归生活，感悟表面张力应用

在物理教学中联系生活实际，不但能激发学生的学习兴趣和求知欲望，引导学生勤于观察和积极思考，而且有利于培养学生运用物理知识解决实际问题的能力，也有利于激励学生的创新精神，同时使学生真切体会到科学、技术、社会之间的相互联系.笔者通过两个生活实例，让学生感悟表面张力的应用.

实例一：解释太空中水珠为何呈球形.

（学生观看神舟十号航天员王丽平太空授课视频）

师：为何神州十号中的水珠呈球形？（图5）

图5 神州十号中水珠

生：因为在神州十号中是处于完全失重状态.

师：王丽平也处于完全失重状态，为何没有呈球形？

生：因为王丽平是固体而不是液体.

师：为何液体在完全失重状态就会呈球形？

生：我推测可能是因为液体表面有表面张力吧.

师：推测正确！能具体解释吗？

生：由于表面张力作用，使液体表面具有收缩趋势.

师：液体表面会收缩到什么程度？

生：应该是使液体的表面收缩到表面积最小吧.

师：体积相同的情况下，什么样的状态表面积最小？

生：在数学中已经学过，体积相同的情况下，球形的面积最小.

师：这就解释了完全失重状态下水珠呈球形的原因.

实例二：猜测刺破薄膜的棉线圈将呈什么形状.

（教师准备好实验，若把棉线圈内肥皂液薄膜刺破，请学生猜测棉线圈将呈什么形状）

生：估计也是圆形吧.

师：为什么猜测为圆形？

生：估计表面张力作用，使液体表面收缩到面积最小.

师：液体表面收缩到面积最小为何就是圆形？

生：因为周长相同的情况下，圆形的面积最大.由于铁丝的周长一定且所围的面积固定，要使液体表面最小，就要使棉线圈的面积最大.从数学可知，当棉线长度一定时，圆形面积最大，所以棉线圈一定为圆形.

师：请同学们刺破棉线圈肥皂液薄膜，看看与猜测是否一致.

（学生刺破棉线圈内肥皂液薄膜，棉线圈形状如图6呈圆形）

图6 棉线圈呈圆形

二、教学策略

策略本意为计策与谋略，一般指实现某个目标的方案集合.教学策略，即为完成教学目标而采取的策略.笔者反思“液体的表面张力”的备课过程与课堂教学，总结出基于学习进阶的四条物理概念教学策略.

（一）策略一：以“概念要素”划分进阶水平

根据物理概念的发展过程和思维逻辑，闫金铎把物理概念排序为依据、意义、方法、内涵、外延、关联、应用等七个要素[4].“依据”找到了新概念的生活基础，“意义”体现了引入新概念的必要性，“方法”说明了物理研究的规范性，“内涵”反映了物理学科的基础知识，“外延”让学生明白新概念的适用范围，“关联”让学生主动建构知识结构，“应用”让物理知识又回归生活.七个要素相互联系，相互促进，共同深化了学生对物理概念的理解，笔者认为可以作为物理概念教学学习进阶中间水平划分的依据.

（二）策略二：以“三序合一”落实核心素养

三序是指知识序、进阶序、素养序.知识序为物理学科知识呈现顺序，进阶序为学习进阶中间水平顺序，素养序为物理学科核心素养顺序.三序合一，就是指在教学设计过程中，把物理学科知识内容，根据某种逻辑关系进行排序，让这种排序既符合学习进阶的中间水平顺序，又能够在课堂教学过程中落实物理学科核心素养（如图7）.

图7 三序合一

（三）策略三：以“创设情境”激发学生思维

情境认知理论强调，认知离不开实际，这就要求学生在参与情境的基础上完成认知过程，学习内容与活动的安排要与社会的具体实践相联系，通过实践的方式组织教学，使学生获得知识、增强能力.如笔者在教学过程中，多次创设情境：用针刺破塑料吸管两侧薄膜实验、用图片展示液体表面层、演示硬币漂浮在水面上、播放太空授课视频、刺破棉线圈薄膜实验等.通过这些情境，学生对其进行观察、思考，不仅使学生获得知识，而且激发学生思维.

（四）策略四：以“生活问题”提升应用能力

所谓生活问题是指教师编制的问题取材于生活.学生用所学的物理知识，解决生活问题，可以认识到物理对生活的价值与作用.如笔者编制两个实例：解释太空中水珠为何呈球形，猜测被刺破薄膜的棉线圈将呈什么形状，有效连接物理知识、学生生活，让学生在解决物理问题过程中，真正解读物理问题中蕴含的物理知识与人文价值.

学习进阶融合了最近发展区理论、螺旋式课程设计理论等，物理概念是中学物理重要的知识内容，用学习进阶指导物理概念教学，有利于学生理解概念、应用概念，同时还可以激发学生创新思维，发展学生核心素养.