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【摘 要】科学思维是我国中学物理课程目标的重要组成部分，也是物理学科核心素养的核心。本研究以“液体的表面张力”为例，针对教学目标的确定、教学过程的设计等问题，通过创设情境、实验探究、模型建构、类比推理、解释交流、任务驱动等环节，对“液体的表面张力”这一主题进行指向科学思维的教学设计。
【关键词】科学思维;教学设计;液体的表面张力
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8437（2021）10-0252-03
1 问题的提出
《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出物理学科核心素养是“学生通过物理学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，主要包括物理观念、科学探究、科学态度与责任四个方面[1]”。其中，物理观念的形成、科学探究活动的进行、科学态度与责任的养成都离不开科学思维的参与。因此，科学思维是物理学科核心素养的核心[2]。物理教学的实施要以培养和发展学生的科学思维为基础。
许多研究指出，科学思维的教学要求教师在问题的设计以及活动的安排上要有启发性，为学生创设真实的问题情境，注重探究式、合作式等多样化学习方式的渗透，引导学生在发现问题、分析问题、解决问题的过程中得到科学思维的提升[3]。然而，由于科学思维活动的过程内隐性、类型多样性等原因，目前关于科学思维的教学普遍缺乏真实的思维引导过程，教学内容、活动安排平铺直叙，不具有启发性，不能紧密联系学生的生活实际，不能激发学生的内在学习动机[4]。
“液体的表面张力”选自人民教育出版社普通高中物理教科书（2019年版）选择性必修三第二章第五节“液体”一节，这一主题很好地反映了“理论和实际”“宏观和微观”的结合，能够帮助学生建立抽象思维、体验科学探究过程、运用统计思想解释生活现象并处理相关问题，是培养学生科学思维的重要教学内容。因此，本文以“液体的表面张力”为例，针对教学目标的确定、教学过程的设计等问题，进行指向科学思维的高中物理教学设计。
2 确定教学目标
“液体的表面张力”基本内容要求是“观察液体的表面张力现象，了解表面张力产生的原因，知道毛细现象”。学业要求是“能用分子动理论解释液体的微观结构及特点”。
人教版教材对“液体的表面张力”这一部分内容的编写思路是，先通过探究实验让学生观察并归纳液体表面的性质，然后以液体表面研究为主线，分别从宏观现象和微观分析的角度认识液体的表面张力，帮助学生构建抽象思维，运用统计思想解释生活现象、处理问题。
学生在学习本节课内容之前已具备分子运动理论的相关知识，对物体的微观构成机制有初步了解。除此之外，通过生活经验的累积，学生对生活中的液体表面张力现象也有一定的了解，但仅处于感性认识阶段，还没有上升到理性认识的高度，难以从微观角度理解液体表面张力、浸润和不浸润现象以及毛细现象的产生原因。
基于以上对课标、教材以及学情的分析，结合《普通高中物理课程标准（2017年版）》中物理学科核心素养的水平划分，本研究制定了指向科学思维的教学目标，如表1所示。
3 设计教学过程
基于以上分析，本研究以“液体的表面张力”为载体，围绕如何培养学生的科学思维能力设计了如图1所示的教学思路。
3.1 创设情境，启发思维
【教学环节1】教师进行“魔力球”表演，将一根棉布条浸入装有肥皂水的水槽中，然后用夹子夹起干冰放入圆形玻璃容器内，再向容器内倒些热水，使干冰产生大量的白雾，最后将刚刚浸有肥皂水的棉布条取出，迅速在容器口抹出一层薄膜，学生会看到刚刚一层薄薄的水膜居然變成了一个神奇的“魔力球”（如图2所示）。接下来，教师提出问题：“白雾为什么没有发散出来？”引出本节课的主题——液体的表面张力。
【设计意图】学生科学思维的养成，不是直接由教师教出来的，而是在问题情境中借助问题解决的实践培育起来的[5]。教师通过有趣的“魔力球”现象，巧设问题情境，激发学生的兴趣和好奇心，调动学生学习的内驱力，引导学生对问题情境进行分析推理，进而提出合理猜想，为学生搭建“观察—思考—猜想”的思维桥梁。
3.2 实验探究，形成思维
【教学环节2】教师带领学生共同进行趣味实验——
会移动的吸管，一起探究液体表面张力的成因及特性。将自制教具——带有自由移动吸管的矩形线圈（如图3所示），放入浸满肥皂液的容器中，静止片刻后取出，上面会附着一层薄膜，相当于提取出一层液体的表面层。刺破一侧薄膜时，吸管瞬间向有薄膜一侧运动，并且无论如何移动吸管，它都会被再次拉回去。将吸管拉到中间，将另一侧薄膜也戳破，吸管才能恢复到原来的静止状态。通过以上现象引导学生发现吸管受到了力的作用，并且这个力总会使液体表面具有收缩趋势，使学生建立液体表面张力的概念：液体的表面张力宏观上表现为使液体表面收缩的力。
【设计意图】科学思维体现在物理学科的科学活动，并在活动中得到发展[6]。让学生自主进行实验探究活动，经历“观察—实验—假设—推理”的思维过程，切身感受物理概念建立过程中科学思维的作用。
3.3 模型建构，呈现思维
【教学环节3】借助实物模型，从微观角度分析液体表面张力产生的原因。先通过分析液体表面分子的受力特点，明确液体表面的分子间距离介于r0和10r0之间;然后通过对比分子间作用力与距离的关系，明确液体表面分子力表现为引力;最后通过自制教具——液体表面微观模型（如图4所示），还原教学环节2的液膜拉动吸管收缩现象，由此得出液体表面张力的微观解释：液体表面层分子间距较大，分子力表现为引力。
【设计意图】物理模型可以划分为两类，一类是模拟式物理模型，另一类是理想化物理模型[7]。通过模型建构过程引导学生经历物理概念和规律的形成过程，是发展学生的科学思维的重要途径[8]。为突破本节课的教学难点：从微观视角理解液体表面张力的产生原因，笔者随手取材，借助生活中的乒乓球、细线、塑料管等材料，模拟微观的液体表面分子间作用，以直观的视觉效果，解释之前肥皂膜收缩的原因，实现了抽象思维“可视化”，加深了学生对液体表面张力概念的理解。 3.4 类比推理，迁移思维
【教学环节4】浸润和不浸润现象的理解是本节课的重点教学内容，笔者通过类比“液体表面张力”的研究过程，并结合“问题串”的形式将浸润和不浸润问题逐层分解，帮助学生建立浸润和不浸润的物理概念，了解浸润和不浸润现象在生活中的应用[9]。
问题1：通过前面的学习，大家知道液体和气体接触时会在接触表面产生液体表面张力，使液体表面具有收缩趋势。那么当液体与固体接触时，在接触面上又会出现什么现象呢？
问题2：同样是液体和固体接触，为什么水在玻璃管中呈现凹液面的形状，而水银在玻璃管中呈现凸液面的形状？
问题3：你能够仿照液体表面张力的分析过程，解释上述现象的形成原因吗？
问题4：你还知道生活中的哪些浸润现象和不浸润现象？
【设计意图】类比使人们富于联想，触类旁通，是获得创造性的启发或灵感的一种有效思维方法。“问题串”的设计能够引导学生进行由表及里、由浅入深的思考。通过问题1让学生有转变思维的意识，从分析“气—液”接触面间的规律转变为分析“固—液”接触面的规律。通过问题2让学生思考“液体自身性质”对“固—液”接触面间现象的影响。通过问题3让学生运用抽象物理思维探寻浸润和不浸润现象的微观物理机制。通过问题4让学生学会灵活运用，解释生活中的一些物理现象。
3.5 解释交流，提升思维
【教学环节5】先通过演示实验——红墨水在玻璃管中上升、水银在玻璃管中下降，界定毛细现象的概念，然后让学生运用液体表面张力和浸润现象的相关知识解释毛细现象的产生原因，最后回归现实生活，讨论农民劳作时“保墒”现象、油沿灯芯上升现象等。
【设计意图】物理教学应注重与生产生活、现代社会以及科技发展的联系，引导学生借助已有知识解释毛细现象的产生原因以及毛细现象在生活中的应用，让学生在分析论证的过程中得到思维能力的提升。
3.6 任务驱动，训练思维
【教学环节6】教师布置分层次的、难度递增的课外探究任务，让学生利用课外时间小组合作完成尽可能多层次的探究任务，并写出实验报告，下节课进行小组探究成果展示。
层次1：应用本节课的知识解释植物为什么能够吸水。
层次2：尝试设计一款能够为植物自动供水的装置。
层次3：利用身边的物体，制作一款能够为植物自动供水的小发明。
【设计意图】首先，教师为学生布置分层次、难度递增的课外探究任务，让学生根据自己小组的水平，无强制性任务压力地进行尽可能多的探究活动，参与课外探究活动[10]。其次，用三个层次的探究任务，考查学生的知识掌握情况、创造性思维能力、动手实践能力。最后，教师为学生布置探究任务时，没有明确具体的实验器材、实验方法，为学生思考和想象留了比较大的发挥空间。学生在课外探究和下节课的展示过程中，必然有互动合作、科学推理、科学论证、交流讨论等环节，这对全面提升学生科学思维有较大的促进作用[11]。
德国物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄曾说过：教育给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西，而“剩下的东西”就是思考和解决问题的方法，這属于科学思维的范畴。知识经济时代，更需要培养具有创新精神的人才，这就要求物理教学不仅要传授学生物理知识和技能，还要在观察、实验、探究的过程中培养学生的科学思维能力，帮助学生学会科学推理、科学论证，鼓励学生勤于动脑思考、敢于质疑创新。
【参考文献】
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]胡卫平.基于核心素养的科学学业质量测评[J].中国考试，2016（8）.
[3]董博清，彭前程.核心素养视域下科学思维的内涵及其实现路径[J].课程·教材·教法，2019（4）.
[4]李霞，张荻，胡卫平.核心素养价值取向的小学科学教学模式研究[J].课程·教材·教法，2018（5）.
[5]陈运保，刘青.指向科学思维的高中物理教学设计——以“曲线运动”为例[J].物理教师，2020（8）.
[6]钟启泉.基于核心素养的课程发展：挑战与课题[J]全球教育展望，2016（1）.
[7]董博清，彭前程.核心素养视域下科学思维的内涵及其实现路径[J].课程·教材·教法，2019（4）.
[8]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：青岛海洋大学出版社，
2000.
[9]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[10]李正福，谷雅慧.论物理核心素养视野下的科学思维教育内容[J].课程·教材·教法，2018（2）.
[11]林钦，陈峰，宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法，2015（12）.
【作者简介】
张银硕（1996～），女，吉林长春人，在读硕士研究生。研究方向：物理学科理解。
于海波（1973～），男，黑龙江七台河人，博士生导师，教授。研究方向：物理教育。
李亚培（1992～），女，河南平顶山人，在读`博士研究生。研究方向：科学课程与教学论。
【关键词】科学思维;教学设计;液体的表面张力
【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1671-8437（2021）10-0252-03
1 问题的提出
《普通高中物理课程标准（2017年版）》提出物理学科核心素养是“学生通过物理学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力，主要包括物理观念、科学探究、科学态度与责任四个方面[1]”。其中，物理观念的形成、科学探究活动的进行、科学态度与责任的养成都离不开科学思维的参与。因此，科学思维是物理学科核心素养的核心[2]。物理教学的实施要以培养和发展学生的科学思维为基础。
许多研究指出，科学思维的教学要求教师在问题的设计以及活动的安排上要有启发性，为学生创设真实的问题情境，注重探究式、合作式等多样化学习方式的渗透，引导学生在发现问题、分析问题、解决问题的过程中得到科学思维的提升[3]。然而，由于科学思维活动的过程内隐性、类型多样性等原因，目前关于科学思维的教学普遍缺乏真实的思维引导过程，教学内容、活动安排平铺直叙，不具有启发性，不能紧密联系学生的生活实际，不能激发学生的内在学习动机[4]。
“液体的表面张力”选自人民教育出版社普通高中物理教科书（2019年版）选择性必修三第二章第五节“液体”一节，这一主题很好地反映了“理论和实际”“宏观和微观”的结合，能够帮助学生建立抽象思维、体验科学探究过程、运用统计思想解释生活现象并处理相关问题，是培养学生科学思维的重要教学内容。因此，本文以“液体的表面张力”为例，针对教学目标的确定、教学过程的设计等问题，进行指向科学思维的高中物理教学设计。
2 确定教学目标
“液体的表面张力”基本内容要求是“观察液体的表面张力现象，了解表面张力产生的原因，知道毛细现象”。学业要求是“能用分子动理论解释液体的微观结构及特点”。
人教版教材对“液体的表面张力”这一部分内容的编写思路是，先通过探究实验让学生观察并归纳液体表面的性质，然后以液体表面研究为主线，分别从宏观现象和微观分析的角度认识液体的表面张力，帮助学生构建抽象思维，运用统计思想解释生活现象、处理问题。
学生在学习本节课内容之前已具备分子运动理论的相关知识，对物体的微观构成机制有初步了解。除此之外，通过生活经验的累积，学生对生活中的液体表面张力现象也有一定的了解，但仅处于感性认识阶段，还没有上升到理性认识的高度，难以从微观角度理解液体表面张力、浸润和不浸润现象以及毛细现象的产生原因。
基于以上对课标、教材以及学情的分析，结合《普通高中物理课程标准（2017年版）》中物理学科核心素养的水平划分，本研究制定了指向科学思维的教学目标，如表1所示。
3 设计教学过程
基于以上分析，本研究以“液体的表面张力”为载体，围绕如何培养学生的科学思维能力设计了如图1所示的教学思路。
3.1 创设情境，启发思维
【教学环节1】教师进行“魔力球”表演，将一根棉布条浸入装有肥皂水的水槽中，然后用夹子夹起干冰放入圆形玻璃容器内，再向容器内倒些热水，使干冰产生大量的白雾，最后将刚刚浸有肥皂水的棉布条取出，迅速在容器口抹出一层薄膜，学生会看到刚刚一层薄薄的水膜居然變成了一个神奇的“魔力球”（如图2所示）。接下来，教师提出问题：“白雾为什么没有发散出来？”引出本节课的主题——液体的表面张力。
【设计意图】学生科学思维的养成，不是直接由教师教出来的，而是在问题情境中借助问题解决的实践培育起来的[5]。教师通过有趣的“魔力球”现象，巧设问题情境，激发学生的兴趣和好奇心，调动学生学习的内驱力，引导学生对问题情境进行分析推理，进而提出合理猜想，为学生搭建“观察—思考—猜想”的思维桥梁。
3.2 实验探究，形成思维
【教学环节2】教师带领学生共同进行趣味实验——
会移动的吸管，一起探究液体表面张力的成因及特性。将自制教具——带有自由移动吸管的矩形线圈（如图3所示），放入浸满肥皂液的容器中，静止片刻后取出，上面会附着一层薄膜，相当于提取出一层液体的表面层。刺破一侧薄膜时，吸管瞬间向有薄膜一侧运动，并且无论如何移动吸管，它都会被再次拉回去。将吸管拉到中间，将另一侧薄膜也戳破，吸管才能恢复到原来的静止状态。通过以上现象引导学生发现吸管受到了力的作用，并且这个力总会使液体表面具有收缩趋势，使学生建立液体表面张力的概念：液体的表面张力宏观上表现为使液体表面收缩的力。
【设计意图】科学思维体现在物理学科的科学活动，并在活动中得到发展[6]。让学生自主进行实验探究活动，经历“观察—实验—假设—推理”的思维过程，切身感受物理概念建立过程中科学思维的作用。
3.3 模型建构，呈现思维
【教学环节3】借助实物模型，从微观角度分析液体表面张力产生的原因。先通过分析液体表面分子的受力特点，明确液体表面的分子间距离介于r0和10r0之间;然后通过对比分子间作用力与距离的关系，明确液体表面分子力表现为引力;最后通过自制教具——液体表面微观模型（如图4所示），还原教学环节2的液膜拉动吸管收缩现象，由此得出液体表面张力的微观解释：液体表面层分子间距较大，分子力表现为引力。
【设计意图】物理模型可以划分为两类，一类是模拟式物理模型，另一类是理想化物理模型[7]。通过模型建构过程引导学生经历物理概念和规律的形成过程，是发展学生的科学思维的重要途径[8]。为突破本节课的教学难点：从微观视角理解液体表面张力的产生原因，笔者随手取材，借助生活中的乒乓球、细线、塑料管等材料，模拟微观的液体表面分子间作用，以直观的视觉效果，解释之前肥皂膜收缩的原因，实现了抽象思维“可视化”，加深了学生对液体表面张力概念的理解。 3.4 类比推理，迁移思维
【教学环节4】浸润和不浸润现象的理解是本节课的重点教学内容，笔者通过类比“液体表面张力”的研究过程，并结合“问题串”的形式将浸润和不浸润问题逐层分解，帮助学生建立浸润和不浸润的物理概念，了解浸润和不浸润现象在生活中的应用[9]。
问题1：通过前面的学习，大家知道液体和气体接触时会在接触表面产生液体表面张力，使液体表面具有收缩趋势。那么当液体与固体接触时，在接触面上又会出现什么现象呢？
问题2：同样是液体和固体接触，为什么水在玻璃管中呈现凹液面的形状，而水银在玻璃管中呈现凸液面的形状？
问题3：你能够仿照液体表面张力的分析过程，解释上述现象的形成原因吗？
问题4：你还知道生活中的哪些浸润现象和不浸润现象？
【设计意图】类比使人们富于联想，触类旁通，是获得创造性的启发或灵感的一种有效思维方法。“问题串”的设计能够引导学生进行由表及里、由浅入深的思考。通过问题1让学生有转变思维的意识，从分析“气—液”接触面间的规律转变为分析“固—液”接触面的规律。通过问题2让学生思考“液体自身性质”对“固—液”接触面间现象的影响。通过问题3让学生运用抽象物理思维探寻浸润和不浸润现象的微观物理机制。通过问题4让学生学会灵活运用，解释生活中的一些物理现象。
3.5 解释交流，提升思维
【教学环节5】先通过演示实验——红墨水在玻璃管中上升、水银在玻璃管中下降，界定毛细现象的概念，然后让学生运用液体表面张力和浸润现象的相关知识解释毛细现象的产生原因，最后回归现实生活，讨论农民劳作时“保墒”现象、油沿灯芯上升现象等。
【设计意图】物理教学应注重与生产生活、现代社会以及科技发展的联系，引导学生借助已有知识解释毛细现象的产生原因以及毛细现象在生活中的应用，让学生在分析论证的过程中得到思维能力的提升。
3.6 任务驱动，训练思维
【教学环节6】教师布置分层次的、难度递增的课外探究任务，让学生利用课外时间小组合作完成尽可能多层次的探究任务，并写出实验报告，下节课进行小组探究成果展示。
层次1：应用本节课的知识解释植物为什么能够吸水。
层次2：尝试设计一款能够为植物自动供水的装置。
层次3：利用身边的物体，制作一款能够为植物自动供水的小发明。
【设计意图】首先，教师为学生布置分层次、难度递增的课外探究任务，让学生根据自己小组的水平，无强制性任务压力地进行尽可能多的探究活动，参与课外探究活动[10]。其次，用三个层次的探究任务，考查学生的知识掌握情况、创造性思维能力、动手实践能力。最后，教师为学生布置探究任务时，没有明确具体的实验器材、实验方法，为学生思考和想象留了比较大的发挥空间。学生在课外探究和下节课的展示过程中，必然有互动合作、科学推理、科学论证、交流讨论等环节，这对全面提升学生科学思维有较大的促进作用[11]。
德国物理学家、诺贝尔奖获得者冯·劳厄曾说过：教育给予人们的无非是当一切已学过的东西都忘记后所剩下来的东西，而“剩下的东西”就是思考和解决问题的方法，這属于科学思维的范畴。知识经济时代，更需要培养具有创新精神的人才，这就要求物理教学不仅要传授学生物理知识和技能，还要在观察、实验、探究的过程中培养学生的科学思维能力，帮助学生学会科学推理、科学论证，鼓励学生勤于动脑思考、敢于质疑创新。
【参考文献】
[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2]胡卫平.基于核心素养的科学学业质量测评[J].中国考试，2016（8）.
[3]董博清，彭前程.核心素养视域下科学思维的内涵及其实现路径[J].课程·教材·教法，2019（4）.
[4]李霞，张荻，胡卫平.核心素养价值取向的小学科学教学模式研究[J].课程·教材·教法，2018（5）.
[5]陈运保，刘青.指向科学思维的高中物理教学设计——以“曲线运动”为例[J].物理教师，2020（8）.
[6]钟启泉.基于核心素养的课程发展：挑战与课题[J]全球教育展望，2016（1）.
[7]董博清，彭前程.核心素养视域下科学思维的内涵及其实现路径[J].课程·教材·教法，2019（4）.
[8]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：青岛海洋大学出版社，
2000.
[9]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.
[10]李正福，谷雅慧.论物理核心素养视野下的科学思维教育内容[J].课程·教材·教法，2018（2）.
[11]林钦，陈峰，宋静.关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程·教材·教法，2015（12）.
【作者简介】
张银硕（1996～），女，吉林长春人，在读硕士研究生。研究方向：物理学科理解。
于海波（1973～），男，黑龙江七台河人，博士生导师，教授。研究方向：物理教育。
李亚培（1992～），女，河南平顶山人，在读`博士研究生。研究方向：科学课程与教学论。