基于物理学科核心素养提升的“问题串”教学设计

云南省广南县第一中学 张保雷 663300

云南省文山学院 胡家光 663000

“问题串”是教学过程中常用的一种方法，根据学生的心理状况和授课内容，教师将知识转化为一个一个的问题，引导学生完成思维从具体到抽象、从特殊到一般、从零散到系统、从实践到理论的认知、从知识到观念的过程，“问题串”是教学中对有效信息进行传输、加工和运用，用来逐渐培养学生掌握知识、了解理论、科学探索、解决问题的能力.在高中物理教学中，利用“问题串”搭建合理台阶层进式教学，有助于培养学生科学思维能力与科学探究能力，有助于培养学生科学态度与责任，乃至形成正确的物理观念.本文以人教版高中物理选修3-3《热力学第二定律的微观解释》的教学为例，探寻“问题串”教学法在培养学生核心素养的作用.

1 设计思路

热力学第二定律以宏观事实为基础，告诉我们热现象和热学过程遵循的方向性的规律，本节课从微观角度说明为什么涉及热运动的宏观过程会具有方向性，概念性较强，学生普遍认为深奥、难理解.本节课以培养学生的物理学科素养为目标，采用“问题串”教学模式，由生活现象引入，对深奥的物理规律进行思考，注重数学思想方法在物理教学中应用，从而对熵的概念有初步的认识，初步形成能量是可以转移和转化的，转移和转化是有方向性和事物是运动发展的，发展是具有方向性的观念.

2 教学目标

核心素养物理观念形成观念科学思维解释现象模型建构科学推理科学论证目标设计理解热现象有关的宏观过程都具有方向性，初步形成能量是可以转移和转化的，转移和转化是有方向性和事物是运动发展的，发展是具有方向性的观念能用热力学第二定律解释自然现象理想“四分子”模型利用数学思想与方法通过对扑克牌和“四分子”模型推理认识有序和无序,推理得到熵增加原理利用自然现象再次论证热力学第二定律问题引领问题1～3、11、19～23、25～27问题21～23、25～27问题12～21问题5～11、12～21问题27、28

科学探究问题证据解释科学本质问题2、3、25问题5～11问题12～26问题5～11、25、26科学态度与责任科学态度观察模拟实验，形成猜想；能分析相关事实和结论,提出怎么来描述分子运动无序性的程度通过对扑克牌无序性分析，认识无序性大即微观态多分析证据,发现规律，形成熵的定义经历无序性和熵概念建立的过程,认识到物理研究是一种对自然现象进行抽象的创造性工作本节课由生活现象引入，循序渐进逐步揭开科学的面纱，并通过拓展问题让学生把学习延伸到课外，有利于培养学生学习物理的内在动机，树立正确的科学态度与价值观问题30、31

3 教学重点、难点及教学策略

重点：1.有序和无序概念的形成.策略：用扑克牌排列引领，通过排列组合知识的具体运算加以说明有序和无序及其相对性，让枯燥的理论变得有趣.2.热力学第二定律的微观意义.策略：通过理想化“四分子”模型模拟演示和理论分析，推广到更多分子扩散过程，再运用统计规律推广到实际气体分子中，运用概率知识说明分子热运动的方向性，让扩散现象变得有理论支撑.

难点：1.热力学第二定律的微观意义.策略：同上.2.熵概念的形成及熵的增加原理的教学.策略：应用热力学第二定律的微观意义去理解熵的概念，让深奥的理论变得通俗易懂；并将熵的概念推广到生活事例加以理解，理论联系生产、生活实际.

4 教学过程

4.1 复习提问

问题1:如图1，中间有挡板的密闭容器，左侧充满空气，右侧为真空，某时刻突然拔掉挡板的插销后会看到什么现象？

图1

集体：气体会自动充满整个空间.

用一10L左右中间有挡板（透明收纳盒即可）长方体透明容器，一侧装满分子（乒乓球模拟），抽去挡板，同时摇动容器模拟分子的运动，观察现象.

问题2:气体推动活塞充满整个空间后，会自发地回到起始状态吗？为什么？

集体：不会.因为与热现象有关的宏观过程都具有方向性.

问题3:与方向性有关的热力学定律又叫什么定律？

集体：热力学第二定律.

问题4:请同学们回忆它的两种表述.A:克劳休斯：略；开尔文：略.

基于核心素养的设计意图：基于模拟实验现象的观察，让学生经历提出问题，引起思考，形成猜想的科学探究过程.

4.2 新课教学

4.2.1 有序和无序宏观态和微观态

（板书：有序和无序宏观态和微观态）问题5:根据生活经验和所掌握的知识，请举例说明你对有序和无序的理解.

准备三幅扑克牌（大小鬼除外），分别给三位学生，让其分别按下列三种方式排列.①按黑桃、红桃、梅花和方块的花色，并且在同种花色中按照从小到大（1→K）的顺序排列；②同样的一副扑克要求同花色的按照从小到大（1→K）的顺序排列，对于四种花色的排列不作要求；③同样的一副扑克排列不作要求.

问题6：现对一副扑克（大小王除外）的排列作如下要求，规定1，按黑桃、红桃、梅花和方块的花色，并且在同种花色中按照从小到大（1→K）的顺序排列，请问有几种排列的方法？

集体：1种.

问题7:规定2，同样的一副扑克（大小鬼除外）要求同花色的按照从小到大（1→K）的顺序排列，对于四种花色的排列不作要求有几种排列方法？问题8:规定3，同样的一副扑克（大小鬼除外）不作任何要求，将这副扑克排列有几种排列方式？展示三种规定排列的扑克牌.

问题9:在上述三种规定中，按规定2所排列的扑克是有序的还是无序的？（老师突然袭击提问两名学生）

D：有序.

E：无序.

集体：要看具体情况.

（板书：有序无序是相对的）

问题10:像刚才的扑克牌一样，每一种规定就是它的一个宏观态，而每一种规定下具体的排列就是它的微观态.上述三种宏观态中各对应有几个微观态？

问题11：上述几种规定（宏观态）中哪一个较无序？从宏观态和微观态的概念来说无序有怎样的特点？

G：宏观态3，某一宏观态对应的微观态越多，就越无序.

（板书：宏观态所对应的微观态越多，就越无序；无序意味着各处都一样、平均、没有差别）

基于核心素养的设计意图：让学生经历运用数学方法得到不同排列规定下扑克的排列情况，得到有序和无序的科学定义的科学思维过程.

4.2.2 气体向真空的扩散

（板书：气体向真空的扩散）

取四个分子（乒乓球模拟）放置于长方体透明容器的一侧，抽去挡板，同时摇动容器模拟分子的运动，观察现象.

问题12：我们再来研究气体的扩散现象，假设开始时左箱只有4个分子，右箱真空，如图2.则抽掉挡板后分子的分布为左4右零（宏观态），有几种微观态？

问题13：抽掉挡板后分子的分布为左3右1（宏观态），有几种微观态？

图2

图3

问题14：抽掉挡板后分子的分布为左2右2（宏观态），有几种微观态？

问题15：结合上述5种状态（宏观态1）中的图形说明哪些最有序？哪些最无序？为什么？

H：1和5最有序，因为对应的微观态只有一种；3最无序，因为对应的微观态最多有6种.

图4

图5

图6

图7

问题16：上述5种状态包括了抽去挡板后，分子分布的全部可能情况，其中哪一种状态出现的概率最高？为什么？

问题18：抽掉挡板后，气体分子从状态1自发地向状态3进行，实际是自发地从有序状态向无序状态进行，无序意味着各处都一样，无差别.从PPT上列出的图形及数据我们很快就能算出左4右零（或左零右4）的概率，如果老师没有列出这些数据，你能用数学的方法快捷地算出它的概率吗？

问题19：实际汽缸中只有4个气体分子吗？实际气体分子的数量是多少呢？

集体：不是，有很多分子.

问题20：实际汽缸中有4、5、10、50、100个气体分子各个微观态概率分布如何？

学生思考后，用PPT展示分子数为4、5、10、50、100个气体分子各个微观态概率分布.

问题21：假设有1mol的气体密闭在汽缸的左侧，抽掉挡板后，气体分子又自发聚集到左侧的概率有多大呢？

总结：对，这是一个小概率事件，宏观是不可能事件，实际气体中含有大量的气体分子，当抽掉挡板后，这些气体分子自发地聚到汽缸左侧的概率为零，所以气体自由扩散是有方向的，即一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行，这也是力学第二定律的一种表述.

（板书：热力学第二定律表述三：一切自发过程总是沿着分子热运动无序性增大的方向进行的）

基于核心素养的设计意图：从“四分子”现象开始，提出问题，形成猜想，通过4、5、10、50、100个气体分子各个微观态概率直观分布，从特殊开始，逐层推进推理到一般规律.

问题22：温度对应着分子运动的哪个微观物理量呢？

集体：温度跟分子的平均动能相对应.

问题23：怎样从微观角度去理解热力学第二定律表述一？

L：开始时物体的温度不相同，平均动能大的分子相对集中，平均动能小的分子也相对集中，总体来看比较有序，而最终温度相同，分子的平均动能也相同，比较无序，即是自发地沿着分子热运动无序性增大的方向进行的.

问题24：怎样从微观角度去理解热力学第二定律表述二？

师：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响.机械能是大量分子有序运动的能量，而内能是大量分子无序运动的能量，所以也是自发地沿着分子热运动无序性增大的方向进行的.

基于核心素养的设计意图：利用所学热力学第二定律的微观解释热力学第二定律，有助于学生理解热力学第二定律，有助于学生深层次认识热力学第二定律，有助于学生把认识上升为观念.4.2.3 熵（板书：熵）

1865年克劳休斯命名了一个物理量：熵.阅读教材回答问题.

问题25：熵的物理意义是什么？熵S=klnΩ各符号的意义是什么？

M：熵描述系统内分子运动无序性的程度，S：熵、Ω：微观状态的数目、k：波尔兹曼常量.

问题26：在引入熵之后，关于自然过程的方向性可以怎么表述？

N：一切自发过程总是沿着熵增大的方向进行的.

总结：在“气体向真空的扩散”中，微观态数目增多了，即系统“熵”增加了.而且一切不可逆过程必然朝着熵不断增加的方向进行.在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小，这就是熵增加原理，也是热力学第二定律第四种表述.

（板书：热力学第二定律表述四（熵增加原理）：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小）

问题27：光合作用的熵“减小”了，“光合作用”违反了热力学第二定律吗?

O：不违反，研究系统扩大到太阳，太阳的能量辐射到天空中的量远比植物得到的多，整体上熵在增加.

问题28：请举例说明在自然过程中熵总是增加的？

R:要让操场上的一群学生按班级、按身高，或按任何规则来站队都是比较麻烦的：每个学生都要寻找自己的位置.但是要让已经站好队的学生解散，那就非常简单：每个学生随便朝一个方向跑去，队形就乱了.

X:磁体磁性随时间会减弱：要让磁性物质的磁子排列规则（熵减小）是困难的，要让磁性物质的磁子排列无序（熵增加）是简单的.

……

总结：从微观的角度看，热力学第二定律是一个统计规律.一个孤立系统总是从熵小的状态向熵大的状态发展，而熵值较大代表着较为无序，所以自发的宏观过程总是向无序度更大的方向发展.

（板书：热力学第二定律是一个反映宏观自然过程的方向性的统计规律）

问题29：我们已经学习了热力学第二定律的四种表述，分别是怎么表述的？

表述一：热量不能自发地从低温物体传到高温物体；

表述二：不可能从单一热库吸收热量，使之完全变成功，而不产生其他影响；

表述三：一切自然过程总是沿着分子热运动的无序性增大的方向进行；

表述四：在任何自然过程中，一个孤立系统的总熵不会减小.

基于核心素养的设计意图：有了热力学第二定律的微观认识，理解熵就相对轻松了，有了熵的概念又可以把热力学第二定律上升为更为普遍的表述.

4.2.4 拓展

问题30：热力学体系中，热力学定律共有4个，请课后查找资料，了解另为两个定律的内容是什么？

热力学第三定律：不可能通过有限的过程把一个物体冷却到绝对零度.

热力学第零定律：如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡.

问题31:有人说热力学第二定律是让人绝望的定律，为什么？你怎么看？“熵”已经深入到现代社会的多方面，有些意义已经超出了物理概念的范畴，请课后查找资料，了解“熵”？

……

基于核心素养的设计意图：两个拓展问题让学生把学习延伸到课外，问题30有助于学生形成热力学完整的知识体系，问题31有助于学生学以致用，有利于培养学生学习物理的内在动机，树立正确的科学态度与价值观.

4.2.5 课堂小结

问题32:请总结本节课我们一起学习了哪些内容？

在学生回答的基础上总结：本节课从认识“序”出发，区别有序和无序，引入描述系统无序程度的物理量——熵，认识了熵增加原理，知道它是热力学第二定律的另外两种表述，体会了现实生活中的熵增加.

5 结束语

“问题串”教学过程，采用“问题”引领学生思维与探究，“问题”激发学生好奇与思考，“问题”承载活动、推进教学；同时，让问题以“串”的形式出现，让学生进行系列的、连续的思维活动，学生的思维能不断攀升到新的高度.核心素养从理论到理念需要教育者的学习与感悟，核心素养从理论到落实是需要教育者主动迎难而上，课堂是落实核心素养的集中体现，基于学生核心素养提升，立足于学生的认知，设计有梯度“问题串”进行教学，不失为落实核心素养的一种简单有效的办法.