《动手动脑学物理》在课堂教学中的应用——《分子热运动》深度剖析

王会珍

分子热运动是物理学中重要的概念。理解分子热运动，可以帮助我们更好的理解物体三态变化的微观机制及物质的性质。它是一个动态过程，是物质微观结构的基本特征，为以后热学学习奠定基础。

一、教材分析

《分子热运动》是人教版九年级物理第一章第一节的内容。在八年级探究物态变化的基础上，进一步加深对热现象知识的学习，是物理学研究的一个重要领域。本节课通过大量生活片段，从宏观现象中推测出微观机制，再通过微观模型解释出宏观现象，不仅帮助学生深入理解物态变化的本质，也为内能的学习奠定了理论基础。本节内容建构主要有三个层次：首先从了解物质的构成入手，其次通过扩散现象感知分子热运动，进一步认识分子间的相互作用。三部分内容安排由浅入深，逐层递进，步步为营，剥丝抽茧，让人眼前一亮，轻松打开了微观世界大门。教材首先通过长缘天蛾吸食花蜜的图片，引领学生追根求源。个人认为开学季，校园桂花开的正浓，带领学生走出教室，让学生亲身体验桂花浓郁的芳香更具有烟火气，从而启发同学们思考“气味”的来源，符合从生活走向物理的课程理念。人教版现行教材通过二氧化氮和空气的扩散，硫酸铜和水的扩散，铅和金的扩散揭示了扩散现象真实存在，现行教材缺少固、液、气之间相互扩散，在课堂教学中，要适当拓展,使结论更具有说服力。再增加水和酒精混合后体积减小的研究，说明分子间存在间隙，引入彼此进入对方的微观机制，通过热水、冷水中墨水扩散快慢对比实验，进一步分析影响扩散快慢的因素，引入热运动的概念。让学生经历了从生活现象、观察实验、分析宏观现象出发，学会通过推理探索微观世界的科学研究思路。最后，结合晶体、瀑布、热气球三幅图片，从分子间距、分子间作用力、形状、体积、流动性入手，比较固、液、气不同物态下宏观机制和微观模型机制的差异。但教材对于微观尺度的很远很近缺少定量说明，学生在应用分子间的相互作用时容易对远近产生错误认识，还会有误解。最后，通过以上三部分的探究学习，让学生认识了分子动理论的初步知识。

二、《分子热运动》的深度剖析

本节课内容研究微观现象具有“不可见性”。肉眼看不到的微观世界是一个神奇而又充满未知的领域，存在着令人神秘而又超乎我们认知的真相。我们既要能从小的角度出发，去寻找更深更奥妙的微观世界，也要能从小的角度出发，去思考更加炫彩广阔的宏观天地，不仅对于科学研究具有重要意义，也对我们认识世界有着深远的影响。体现从物理走向世界的价值目标，通过直接感知的现象，推测无法直接感知的事物这是物理学常用的方法，也是这节课采用的主要物理方法。本节所涉及的概念扩散，分子间的作用力等具有抽象性，引导学生通过科学思维及科学方法来突破基于以上问题的认真细致思考和对教材的深度剖析，我们对本节教学进行了新的思考和改进，优化课堂教学模式。针对每个教学片段做如下安排：

一、突破微观世界的不可见性

《分子热运动》所涉及到的微观粒子，分子热运动及相互作用都是肉眼看不见的，不能通过实验直接观察，这会对学生认知和接受知识造成障碍。如何让学生愉快的走进微观世界，认识微观世界，产生学习的兴趣和动力，就需要整合教学资源，优化教学过程，在师与生、生与生的碰撞中，激发学生的潜能，携手学生快乐地畅游知识海洋。在物质的构成这个教学片段，采取“文献+教材”，直接获取知识，最终达成共识：物质是由大量的分子、原子组成的，分子小且多。关于分子“微小”从三个角度论证：肉眼看不到，用10-10米为单位来量度分子，用电子显微镜才可以观察到。关于分子“数目多”，教材只用了“大量”一词，我给学生提供了数字论证。例如，一立方厘米水里有3.35×1022个水分子。用数字信息再次加深学生对分子、原子特征的认识。对于扩散现象和分子热运动及分子热运动这部分教学，应用多媒体视频和学生分组实验的方法，安排多个教学活动完成由宏观现象到微观机制的认识，教材中设计的固、液、气的扩散，由于二氧化氮气体有毒，硫酸铜和水、金和铅的实验需要时间较长，所以采用视频播放的方式，真实、直观、生动，形象展示了它们扩散的实际过程。并把硫酸铜和水的扩散改用注射器后挂到教室，让学生每日记录，做好为期一个月的观察，在此基础上，小组合作还完成了水和酒精混合后体积变化的实验，热水、冷水中墨水和糖块扩散快慢的实验，压缩课桌的实验，注射器压缩空气的实验等。通过这些大量事实，引导学生从宏观现象出发，通过推理来感知分子热运动的微观机制，再用微观机制来解释生活中的现象，既培养了学生的科学思维能力、动手能力、推理分析能力，又培养了学生积极的核心素养。

二、重视概念规律的抽象性

物理概念规律是实验探究和科学思维相结合的产物，是“动手动脑学物理”最直接的成果显示，具有抽象性。扩散、分子热运动、分子间相互作用就是通过对感性材料实践分析比较综合抽象出一类现象的共同本质属性而获得的，对于概念的理解和掌握，不仅要经历概念的形成过程，还要咬文嚼字把握关键词，还要多方位、多角度，应用通俗易懂的表达方式，把这些抽象的知识形象化，深究概念的内涵，促进学生对知识的理解掌握。如从下列7个方面深度解读扩散现象：①不同物质②互相接触③无外力参与④无化学反应产生⑤由于分子的无规则运动而彼此进入对方⑥分子间有一定的“间隙”是扩散进行的必要条件⑦进入对方的现象不能自然地恢复到原来分离前的情况。又如：分子热运动是在任何温度下，一切物质的分子都在不停地做无规则运动，只是温度高时快些而已，不是每个分子运动都加快，是平均速率加快，是整体的宏观表现。再如：分子间的相互作用，从微观上讲引力和斥力是一种平衡，分子间的引力使分子有运动凝聚力，在特定的范围内维持平衡不致散开，斥力使分子彼此分离存在间隙，并制作乒乓球、弹簧、橡皮筋模型，模拟引力和斥力作用情况，加深学生对分子间相互作用的理解。宏观上，分子间引力使固体和液体保持一定的体积，分子间的斥力使固体、液体很难被压缩，要打破这种平衡，就需要一定的条件，所以物态变化伴随着吸热和放热，吸热放热就会伴随能量变化，为下一节课学习内能奠定基础。

三、强调微观尺度的描述

每届学生在分析“破镜不能重圆”、“气体容易压缩”这类问题的原因时，总有一部分同学说“分子之间存在斥力”，大家知道，这种说法是错误的，究其原因是同学们对微观尺度远近的描述和宏观尺度远近的描述混为一谈。现行教材上有段微观尺度的描述：是分子之间既有引力又有斥力，当固体被压缩时，分子之间距离“变小”作用力表现为斥力，当被拉伸时，分子之间的距离“变大”，作用力表现为引力，如果分子相距很远，作用力就变得十分微弱可以忽略。这里的“变小”、“变大”“很远”都是微观尺度的距离，即使“很远”也是肉眼不能直接观察到的。“很远”指大约10-9米的距离，“变大”的范围也不能超过10-9米。必须让学生对微观尺度的描述有具体的数据认识，不能仅用宏观的远近大小来印象微观尺度大小，分子间距常用“间隙”一词来描述。

四、深化课后“动手动脑”学物理栏目的学习

人教版初中物理教材中设计了动手动脑学物理这一特色栏目，它源于教材与服务于教材与教材主题配合贴切、默契，生活气息浓厚，趣味性高，是教材内容的发展和补充，对培养学生的创新能力、动手能力、思维能力有重要作用，做好这个栏目，利于增强学生学好物理的信心和勇气。本节课后动手动脑学物理共设计了5道题，处理意见和方法如下：第1题通过通过建构数学模型，动手计算分子数目，既复习了物理学中常用的数学知识幂的运算，又通过动手计算，数据论证，让学生认识分子之小，数目之多，完成了宏观尺度和微观尺度的对比分析，建立了他们之间的联系，是教材正文内容的拓展。其中幂的运算也为第三节热量的计算打好前站；第2题是扩散现象在生活中的应用，引导学生七嘴八舌列举生活中的例子，学会用辩证的眼光看问题，分析扩散现象的利用和防止，并讨论当前热点：从分子动理论的角度，谈谈日本核废水的排放对全球人类生活的影响；第3题是对分子热运动的补充，教材在分析扩散现象引入的3个例子，没有涉及到固液气两两之间的相互扩散，本题提前准备，放到课堂教学中完成，弥补教材内容的不足之处；第4题是教材内容的深化，用数据验证分子间存在引力，比铅柱实验更具有说服力；第5题通过列表的方法，把固液气三态物质的宏观特性和微观特性进行比较，是教材第5页内容的浓缩、提炼和简化。做好动手动脑学物理这个栏目，可以把所学知识在大脑中转化，重新用自己的思维和语言解决实际问题。

反思与总结：

教师是课堂的灵魂，《分子热运动》一课通过精心备课、深度剖析、磨课，在2023年6月举行的驻马店市优质课大赛中，这节课荣获一等奖。本节课在设计上以学生为主体，以培养学生核心素养为目标，遵循动手动脑学物理的理念，用校园桂花香味巧设问题情景引入新课，贴近生活，重视学生的亲身感受。由于本节涉及的微观世界无法直接观察，概念具有抽象性，在课堂教学中采取分层次、多方位的教学理念，重视学生的个体差异，因材施教，合作探究为主，以直观、形象的多媒体模拟为辅，二者有机结合，使课堂教学与目标更加和谐灵动，充分调动学生学习的积极性，联系生活实际，培养学生推理归纳和逻辑思维能力，完成学生对微观知识的理解、重构和呈现。

本文系课《“动手动脑学物理”方法研究》立项编号：JJYKT23546研究成果