基于学习进阶理论的智慧课堂建构——以“物体是由大量分子组成的”课堂教学为例

吴必龙

(江苏省苏州第一中学校，江苏 苏州 215006)

“物体是由大量分子组成的”一节是学生用微观的方法研究物质世界的开始,是分子动理论的基础.学生对分子的认识,是学习分子热运动知识的基础.油膜法估测分子的大小,通过动手实验,利用宏观量的测定,求出微观量的大小.

这节课体现了重要的物理思想和方法,在物理课中是颇具代表性的,其物理思想是丰富的.在“学习进阶理论”指导下建构智慧课堂,加强物理实验和科学探究,把物和理紧密结合起来,关注科学概念和内涵的理解,关注学生的理解,尊重学生的感受,关注学生的自主活动和交流.

1 感受分子,启迪智慧

学生在学习这部分知识之前,对分子缺少感性认识,教师先展示空间尺度比较的图片,让学生感知分子的大小.从浩瀚的宇宙到微观的粒子,世界由物质构成,物质具有无限可分性.物理学的研究对象从宏观到微观,大到宇宙天体,小到原子核、质子、中子和夸克等,这些都充分证明了世界的物质性.

课本是先估测大小,再讨论物质是由大量分子组成的,逻辑性强,但是,先做实验,由于操作比较难,在困难的情况下得到数据,再讨论物质是由大量分子组成的,感觉有点头重脚轻.

我们不是从教材或从教师的假想问题出发,而是从学生的实际出发,从学生的原有的知识基础、认识水平和思维能力找到教学的原始起点,所以,根据学习进阶理论,把握“最近发展区”,加速学生的发展.学习进阶图示(如图1).

(1) 观看图片,感受分子的“实”,即物质性.教师先展示空间尺度比较的图片,让学生感知分子的大小,从浩瀚的宇宙到微观的粒子,世界由物质构成,物质具有无限可分性.物理学的研究对象从宏观到微观,大到宇宙天体,小到原子核、质子、中子和夸克等,这些都充分证明了世界的物质性.

图1

(2) 模型类比,感受分子的“小”.用这种方法,让学生感受分子很小.分子放大至网球这么大,相当于将网球放大至地球大小.充分说明了分子的空间尺度,为学生感知分子铺设了道路.

(3) 数量计算,感受分子的“多”.分子究竟有多小呢?可以从分子数量来感受,依据学生学过的化学知识——阿伏加德罗常数,提出问题:喝一口水喝掉了多少分子?再算全世界每人每秒钟数一个分子,要数多少时间?一滴水却含有如此之大数量的分子,可以想象分子有多小.通过这个实例使学生初步了解我们现在研究的是极小的分子.

2 认识分子,生长智慧

适度对接科技前沿,激发求知欲,让学生“认识”分子的大小.

人们长久以来一直没有停下对微观世界的探索,对于分子大小的研究也可以用直接测量的方法,如果能把分子放大到几千万倍甚至几亿倍就能看得到了.这就要求科学家们不断地改进测量工具,扫描隧道显微镜的问世(如图2),使人类第一次观察到原子的排列.

通过投影叶子在放大不同倍数情况下的图片(如图3),让学生体会组成物质的分子是很小的,不但用肉眼不能直接看到它们,就是用光学显微镜也看不到它们.

图3

扫描隧道显微镜不仅可以观察物体表面原子,还可以进行操作,把原子进行重新排列(如图4、5).

图4 溴原子围成一圈

通过仪器直观地“看”到分子,让学生进一步感觉到分子的真实存在,这是探索微观世界的一种直接方法,但是,对于工具的要求是非常高的.

3 研究分子,生成智慧

用高科技手段当然很方便,但是,今天我们不用这些“洋办法”,只用“土办法”来研究分子的大小,沿着前人的足迹,来了解和感知微观世界.

在没有先进仪器的情况下,我们该如何去估测它的大小呢?学习进阶如图6.

图6

(1) 转变测量思路.

通过转变思维,寻找方法,解决问题.

初中时,用什么方法测量一个较小的物理量呢?例如,如何用实验室的弹簧秤测出一颗小螺帽的重力,如何用刻度尺来测量一张纸的厚度?

通过测较大量求较小量,我们也可以通过测宏观量求得微观量.

(2) 寻找测量方法.

现有一堆绿豆如图7,要求粗略测出一颗绿豆的直径.提供的器材有:透明带方格塑料板(每方格的边长为1 cm)、记号笔;试简要给出测量原理和计算公式.

图7

图8

图9

(3) 构建理想模型.

做测绿豆的直径实验,有利于深化学生对微观世界的认识,提高学生的实验技能、技巧,可以充分利用这一教学资源,引导学生大胆设想,提出各种实验方案,筛选出最佳方案,理清实验的设计思想,把握住关键步骤进行实验探究,收集实验数据,得出实验结论.让学生在学习物理知识与技能的同时,提高科学探究的能力.实际上,分子(原子)并不是一个个的小球,可以通过照片来说明,这里,把分子看做小球,是对分子建立的一种简化模型,是人们根据研究的问题建立的.

4 测量分子,碰撞智慧

用单分子油膜法测定分子大小的原理,理解和学会用单分子油膜法估算分子大小(直径)的方法是本节的重点与难点.有利于激发学生爱科学、讲科学、用科学的热情,让学生在活动中体验学习、创造、动手、动脑的乐趣,从而培养学生的创新精神和实践能力.

测油酸分子直径中,学生会遇到的3个问题: (1) 怎样去测量它的直径?(2) 为什么用油酸这一材料?(3) 怎样更好地去测量它的直径?

实验中,更重要的是如何把握它的物理思想,让学生实验得出结果,用宏观量测微观量,让学生在实验中不仅知道怎样做,还让学生知道为什么这样做,学生在交流过程中积极性很高,尽管结果实验误差较大,但是,更重要的是方法.

油膜法测分子直径是早期测定分子大小的方法,是高中阶段学生第一次利用对宏观量的测定求出微观量大小的实验.选择油酸是由于其特性决定的,气体的流动性太大,固体的分子结合得太紧,想控制它们的行为实在很难,用液体来研究是一个不错的选择,油酸分子的特性为用油膜法测分子直径奠定了基础.油酸在常温下为液态,它的分子是长形的,一端是具有亲水性的羧基,另一端是具有憎水性的烃基.当油酸在水面上形成有自由边界的油膜时,每个分子都是直立的,烃基在油膜表面,成为一个单分子层.

实际操作中,学生对扉子粉的扩散现象、面积的计算方法等方面产生了怀疑,我们对实验进行了创新,并作为一个演示实验,成为本节课的一大亮点.

(1) 材料创新.将原有的扉子粉改为碳粉,由于碳粉不溶于水且比水轻,能较好地浮在水面上且均匀散开,是较为理想的实验材料.

(2) 方法创新.我们采用了“像素法”求面积,快捷方便精确,效率很高.数码照片中最小的影像单元就是一个像素,所描面积与整个面积之比,恰好是所描部分像素与整个图片像素之比.只要掌握该方法.对实验中遇到的求不规则图形面积的问题均可处理.

(3) 操作创新.在电脑中打开Adobe phtoshop,外接高清摄像头,只需经过拍照、选取、记录、比较等几个简单步骤就能轻松搞定.

5 计算分子,呵护智慧

通过对油膜法估测实验,培养学生良好的科学研究态度和科学的思想与方法.通过阿伏加德罗常数进行的有关计算,理解它是联系微观世界和宏观世界的桥梁.

1 mol的任何物质中都含有阿伏伽德罗常数个微粒,用NA表示.科学工作者不断用各种方法测量它,以期得到它精确的数值.如果已经知道分子的大小,能否估算出阿伏伽德罗常数.学生得出的数据与精确值是比较接近的,学习成就感油然而生.

阿伏伽德罗常数是联系微观世界和宏观世界的桥梁,它把摩尔质量、摩尔体积等这些宏观量与分子质量、分子体积等这些微观量联系起来.阿伏加德罗常数是联系微观量和宏观量的桥梁,是一个重要的常数.通过用阿伏加德罗常数计算每个分子的大小和质量,可以使学生对一个分子大小和质量的数量级有大概的认识,同时也使学生进一步理解这个常数的意义.用阿伏加德罗常数进行有关计算或估算的方法也是本节教学的重点.

在利用阿伏加德罗常数进行有关计算或估算时,常常用到“数量级”的概念.记住一些特殊的数量级对考虑问题或粗略检查自己估算是否出现了错误有一定的帮助,其中,分子直径的数量级10-10m,主要是指无机物分子,有些有机物分子比10-10m大得多.

本节课运用学习进阶理论,通过由感性到理性、由定性到定量的知识呈现让学生感到“亲切”,使学生对分子的感受逐步加深,激发了学生的探究欲望,再通过学生动手、合作、讨论等方式,让学生自主设计实验方案,增强了学生的主体活动,达到提升探究问题能力和实验动手能力的目的.从教学内容、教师活动、学生活动3个方面，将进阶流程可视化，如图10所示.

图10

在课堂教学过程中,将学生始终置于探索者的位置,学习过程成为“发现”或“再发现”的过程,教师设计一个个小的台阶,充分发挥学生学习的积极性、主动性,让学生在进阶的过程中,体验探索的快乐,强化学习的乐趣.

图11

基于学习进阶理论建构的智慧课堂(如图11)，教师的主导作用也得到了有效的体现,用教师的智慧来开启学生的智慧,让教师的智慧碰撞学生的智慧,形成了师生平等、生生合作、充满幸福的智慧课堂.