由“新冠肺炎疫情”谈高中物理教学素材的选择与应用

    陈建琳 林立灿

    

    

    摘? ?要：基于“新冠肺炎疫情”中涉及到的物理知识，探讨高中物理教学素材的选择与应用，强调培养学生的建模能力、学以致用的能力;注重提升学生学习物理的兴趣。

    关键词：新冠肺炎;高中物理;教学素材;建模能力 学以致用;挖掘原理

    2020年全球最大的热点事件一定是“新冠肺炎疫情”的爆发，笔者在了解“新冠肺炎疫情”的过程中，结合物理知识深入思考了“新冠肺炎的危险性”“病毒的传播特征”“流行病的防护”等相关问题，由此联想到物理的课堂教学面临的问题：教学内容过分服务于考试，学生日益失去学习物理的兴趣。学生只懂解题，不懂如何在实际生活中“学以致用”。为提升学生学习物理的兴趣，培养学生的“学以致用”的能力，笔者认为教师应当合理选择与应用教学素材。

    1? 对教学素材的认识

    教学素材是教学内容的各种载体。包括教材、物理实验、教学参考资料、多媒体课件、视频等等。社会发展日新月异，教材也几经变革，经过广大教师的努力实践，优秀教学素材层出不穷。优秀教学素材以新课程标准为导向，聚焦物理核心素养;优秀教学素材源于教材，但一定高于教材;优秀教学素材对上好一节物理课至关重要，是教师教学的得力助手，学生获取知识的指路明灯，也是课堂气氛的调味剂[ 1 ]。

    2? 高中物理教学素材的选择与应用的几个方面

    教学素材数不胜数。本文只能采撷一些小小的“花朵”。下列笔者就以“新冠肺炎疫情”中涉及的物理内容，谈谈高中物理教学素材选择与应用的几个方面。

    2.1? 选择社会热点事件

    我们在教学过程中，结合社会上的热点事件，选择与课堂教学相适应的内容和学生一起展开研究和探索可以让学生真正意识到物理研究的价值，学生的学习热情会由此而更加高涨[ 2 ] 。

    比如“分子动理论”的教学。“分子动理论”的教学比较抽象、枯燥，学生学习兴趣有限。若结合社会动态既能调动学生的学习积极性又能拓展他们的知识面。

    2020年新冠状病毒引发的肺炎疫情牵动着公众的心，新冠病毒对人体破坏性强，传播性更强。我们从物理学角度观察病毒的传播性，尝试建立一个以分子动理论为理论基础的病毒传播的物理模型[ 3 ]。

    首先对比分子热运动与人群活动。以气体分子为例，气体分子由于相互碰撞或与器壁碰撞，运动发生变化，若不受外力作用则做匀速直线运动。单个气体分子的运动是无规则的，在某一时刻向着任何一个方向运动的分子都有。但大量气体分子的运动符合统计规律。而人群活动，虽然人的活动受主观意愿、周围环境等影响。但从某个角度看，人与人在何处、何时与他人接触，接触多久时间，接触多长距离都是随机的，其路径可以认为都是迂回曲折的。而对于大量人员组成的人群来说，人与人之间存在频繁地、无规律的接触，他们相互间的接触规律可与大量分子遵循的统计规律相近似。

    其次仿照微观分子动理论的某些理论，将人群中所有个体简化为刚性小球，其有效直径为d（分子间距平均值）。以某个传染源个体A为研究对象，建立模拟性的病毒传播的物理模型。

    传染源个体A通过呼出的气体飞沫而感染的空间面积为πd2。先将人群中其它个体视为静止来研究， 传染源个体A以平均速率u相对人群其他个体运动。在Δt时间内，A的活动距离为uΔt （类似分子平均自由程），如图1所示，A活动扫掠过的有效体积为圆柱体，其体积为πd2uΔt。在此区域内的人员就有可能与A直接接触，通过空气飞沫而被感染。

    设在此有效体积内人群密度数为n。则在Δt时间内，由于A 活动而扫掠过而可能被感染的的总人数为nπd2uΔt。

    设传染源个体A的平均速率（对地）为v，根据麦克斯韦速率分布率可得：传染源个体A的平均相对速率u与其平均速率v之间的关系式为：u=

    所以可得在Δt 时间内，由于A 活动而可能被被接触感染的人数为：N=nπd2vΔt（类似分子平均碰撞次数）

    以上结果由于未考虑人体的免疫力、防控流行病传播的措施等因素，仅考虑了运动的、统计的物理要素，所以人口密度数n大于被感染的人口密度数，也大于发病人数。

    最后根据表达式分析得出结论。N∞n、N∞v、N∞Δt即可能被感染的人数N与有效體积内单位体积的人数n成正比，与传染源个体A运动平均速率v成正比，与传染源个体A活动的时间Δt成正比。

    这简单的数学关系式告诉我们：“聚集容易感染！隔离很重要”。疏散人群可减小人群密度数n，隔离传染源可减小其活动幅度（平均速度v）和与人群接触的时间Δt，从而降低人群的可能感染数N。

    这样的教学不但能让学生加深对微观分子动理论的理解、记忆，还能启发、鼓励学生用所学物理知识研究生活实际，培养学生的建模能力。甚至还能起到教育作用，增强学生维护社会稳定的责任感。

    可见：在高中物理教学中，物理教师根据教学目标和内容，尝试将生活现象例如社会热点引入课堂，通过引导学生创造性的建立物理模型，不但能让学生体会物理与生活的关联，还能培养学生的科学思维能力。

    2.2? 紧密联系实际

    物理与实际息息相关，物理教学不能脱离实际生活。选择联系实际的生活素材可以拉近课本与生活实际的距离。通过教师的讲解与引导，能使学生快速掌握物理知识，调动学生解决实际问题的积极性，培养学生理论联系实际的能力。

    比如“液体表面张力”的教学。在讲授液体表面张力的存在时，教师通常举的例子都贴近实际，学生比较熟悉。例如：蛛网上的水珠为何呈球状？（如图2所示）昆虫为什么能停在水面上？（如图3所示）

    结合新冠肺炎疫情的教学素材可拓展至肺泡表面液体的表面张力。人在呼吸时，肺的一张一吸离不开肺泡表面液体的表面张力。新冠病毒可怕之处在于它会攻击人的肺部，使人的肺部失去弹性，变成没有呼吸功能的硬肺。

    肺泡表皮上有一层液体，表面液体的表面张力维持肺泡表面的弹性。肺泡表皮掌管着肺泡与外界的联系，如果它活动的话就会牵动肺泡外界也跟着活动。一个健康的肺是有弹性的肺。对于肺泡这样的液体球，表面张力使其不破裂，像气球的弹力一样。肺泡液体球上某一点，四周表面张力的合力是指向肺泡球体的中心。

    我们呼吸时为什么没觉得肺扩张困难呢？因为肺泡表面存在活性物质。活性物质的生理作用是降低肺泡表面张力。活性物质浓度越高，减弱肺泡表面张力的能力越强;活性物质浓度越低，减弱肺泡表面张力的能力越弱。当人吸气时肺泡扩大，肺泡表面积增大，表面活性物质浓度降低，减弱肺泡表面张力的能力减弱，肺泡表面张力相对增强，肺泡趋向收缩，这样肺泡不会过度扩张;当人呼气时肺泡缩小，肺泡表面活性物质浓度增大，减弱肺泡表面张力的能力增强，肺泡表面张力相对减弱，肺泡趋向扩张，这样肺泡不会膨胀不全和不张。肺泡表面活性物质可维持肺泡表面一定的弹性。新冠病毒会破坏肺泡表面活性物质，使肺失去弹性。因此感染了新冠病毒的人就会呼吸困难，严重的会呼吸衰竭，引发身体一系列损伤，甚至死亡。

    选择学生熟悉的、息息相关的事物和现象为教学素材，能使学生们深刻感受到学科知识在实际中的“学以致用”的魅力，在学习过程中即使遇到了困难，也会积极主动寻找解决问题的方法。教师在日常生活中，要有一定的敏感度，注意捕捉既贴近学生又能使学生感兴趣的教学素材。

    2.3? 深挖物理原理

    物理學习不但要“知其然”更要“知其所以然”。选择蕴含丰富本质内涵的教学素材，可让学生感受深入思考问题的必要性，体会成功思考的愉悦。教学中，教师可选择适当的教学素材，逐步引导，层层深入，通过现象看本质，挖掘原理，提高学生的思维分析能力。

    比如“静电吸附”的教学。静电吸附常见的例子有：冬天时头发被毛衣吸附;与头发摩擦过的梳子能吸引细纸屑等等。“为什么静电会吸引轻小物体呢？”解释这个物理现象就是透过事物的现象看本质。

    再结合疫情爆发后第一时间政府和医务工作者会要求大家出门一定要戴好口罩。思考一个问题“为什么口罩能阻挡病毒呢？是因为它的网眼特别细密么？”表面上研究的是口罩，实际上我们要研究的是口罩深层次的物理原理。

    医用口罩、N95口罩能拥有强的防护能力，核心原理在于过滤层的静电吸附原理，而不是其网眼的细小。此次新型肺炎的致病病原体是新型冠状病毒，颗粒呈现圆形或者椭圆形，直径在60～140纳米（0.06～0.14微米）。一次性医用口罩只能挡住不小于4微米的颗粒。没有材料能做到这么细密的、微米级的网眼。就算做到了，这么小的网眼，气流根本就进不来，人也呼吸不了。实际上医用口罩有三层，中层过滤层（阻隔层或则熔喷层）是口罩里面最重要的部分。熔喷无纺布主要材质是聚丙烯，是一种超细并带静电的纤维布，可以捕捉飞沫和粉尘。这层的无纺布由无数的超细并带静电短纤维，通过机械力作用相互交织抱合而成。含有病毒的飞沫和粉尘在短纤维组成的丛林中如同走迷宫一般，在静电力作用下大部分都跌跌撞撞的黏附到致密的短纤维上，从而起到极强的吸附作用。静电吸附后，极难脱离，更没办法清洗。只要静电在，粉尘和病菌就一直在。如果静电不在了，那这个口罩也就废了，变成了普通的棉口罩。静电最怕的就是水，不能水洗口罩重复使用。

    2.4? 渗透物理学史教育

    物理学史包括科学家的生平、成就介绍。教学中选择物理学史作为教学素材，可端正学生的学习态度，有助于培养学生正确的人生价值观。

    例如”对伟大科学家牛顿”的介绍。1665年，牛顿在剑桥三一学院就读期间，伦敦爆发了大瘟疫。其可怕程度不亚于2020年全球的“新冠肺炎疫情”。剑桥大学被迫停课。由于担心医疗条件有限，牛顿就到乡下躲避瘟疫。牛顿在乡下静心独处、潜心思考，取得了非凡的成就。这期间，他系统地整理了大学里学习过的知识，潜心钻研开普勒、笛卡尔、阿基米德、伽利略等前辈科学家的主要论著，还进行了许多科学试验。几乎他所有最重要的发现：万有引力定律、经典力学、微积分、光学等基本上都萌发于这段时期。

    由于“新冠肺炎疫情”，学生们都在家隔离，要是能以伟大科学家牛顿为榜样，在疫情期间珍惜时间，努力学习，努力思考，也许会有奇迹发生。

    古人崇尚“师者，所以传道授业解惑也。”当代教师也应当重视学生的思想品德教育，鼓励学生珍惜时间、独立创造。

    3? 结束语

    教学中合理选择与应用教学素材能让学生充分地“学以致用”，能“枯燥变生动”，提升课堂教学效果。教师根据教学目标和学生的认知水平，创设教学情境、教学内容，让学生了解更多的知识背景和物理素材的来源，鼓励学生进行探究并解决实际问题，培养学生实践能力，提高学生科学思维能力，从而让他们对科学知识产生更进一步的理解与认知，这正是物理课堂迷人的魅力之所在。

    参考文献：

    [1]陈辉，陈泽南，陈帆.基于物理核心素养的教学素材开发[J].物理教师，2019，40（8）：20-22.

    [2]徐东.搜集素材资源 助力物理教学[J].中学物理教学参考，2019，48（7）：78.

    [3]夏兆阳 ， 张丹海.流行疾病传播的物理模型[J].北京联合大学学报（自然科学版） ，2004，18（3）：17-18.