黄少峰

（厦门医学院，福建 厦门361023）

0 引言

液体的表面现象是医用物理学课程中较为重要的一课，其中涉及表面张力这一概念可以用来分析弯曲液面的附加压强、毛细现象以及医学上的气体栓塞和肺泡结构和肺生理的关系等现象。在以往的教学中，学生普遍反映液体表面张力这一概念抽象难懂。因此，笔者尝试使用PBL教学法对本节课的内容进行重新设计和编排，并取得了一定的教学效果。

1 PBL教学法课堂教学设计思路

PBL教学法是指以问题为基础，以学生为中心，以教师为主导的小组讨论及自学的教学方式。在教学过程中以问题为载体，使学生在设问和释问过程中萌生自主学习的动机和欲望，培养学习兴趣，逐渐养成自主学习习惯，提高自主学习能力的一种教学方法[1]。采用PBL教学法通过一系列预设的层层递进的问题将某一教学难点立体地展现在学生面前，势必有助于学生理解掌握相关的知识点。

2 基于PBL教学法的液体的表面现象[2]课堂教学实践

2.1 创设情境，生成问题

课件展示“若干个球形的泡泡”和“荷叶上近似球形的露珠”两个图片，通过学生熟悉的生活现象引入，激发学生学习本节课内容的兴趣。教师分别用圆形、六边形、爱心桃形状的工具吹泡，学生观察到泡泡的形状仍然为球状，从而得出泡泡呈现球形并非是由于工具的形状造成的这一结论。大部分学生由于存在“前概念”的影响，会误认为是由于吹泡泡的工具形状是圆形导致泡泡的形状呈现为球状。而这一实验现象跟学生之前的认识不同，从而产生认知冲突，启发学生进一步思考。

2.2 层次递进设计系列问题

本环节是PBL教学法中最重要的部分：教师通过设计由浅到深、环环相扣的问题引导学生进行逐渐深入的思考，让学生在不断地分析问题和解决问题的过程中深刻理解表面张力的特点。将“表面张力”的内容分为以下几个部分并结合设计相关的问题进行教学：

2.2.1 感性认识表面张力的存在

通过演示“用针刺破肥皂液薄膜”实验，让学生了解液体表面具有收缩的趋势。教师可以设问“是什幺原因导致了液体表面会有收缩的趋势呢?”学生在前面的学习中已经知道力的一个作用效果是使物体的形状发生变化。故此，他们会较容易地联想到在液体表面存在某种使液体表面发生收缩的力。这样就自然而然地引出了表面张力的概念。

2．2．2 分析表面张力的方向和大小的特点

学生对力是矢量有较深刻的认识，因此，教师只要稍加引导下：“要进一步认识液体表面张力的话，应该知道它的哪些特点呢?”学生就会将这一潜在的认识应用到较为陌生的液体表面张力上。教师再结合刚才的实验现象引导学生一起分析得出表面张力的方向“沿液体表面切线方向”的特点，同时定量给出表面张力大小的表达式：f=αl。

2．2．3 讨论产生表面张力的原因

大部分学生认为只要了解表面张力的方向和大小就等同于掌握了这种力的规律。此时，教师可以通过引导学生回顾“之前在学习重力、弹力和摩擦力的时候，除了要知道各种力的方向和大小之外，还要了解跟力有关的哪个方面特点呢?”。学生就会马上意识到分析这种力的产生原因，才能从本源上全方面深刻地认识这种力。

学生有了探究表面张力产生原因的意识以后，往往接下来并不知道要从何处下手进行分析。教师可以在课件上给出液体各个区域的分子分布示意图，以便学生能够调用出之前学过的“分子动理论”相关知识对该问题进行讨论，得出“由于液体表面层的分子比较稀疏[3]，分子间的距离大于r0=10-10m，所以分子间的作用力是引力，这些引力宏观上表现出来的就是表面张力。”这就是产生表面张力的微观本质。

2．2．4 理解液体表面层的分子比较稀疏的深层次原因

“液体表面层的分子比较稀疏”这一规律从定性层面来看是符合常理的。但是，如果继续深究下去，让学生说说为何有此规律时，学生却讲不出所以然来。此时，教师可以通过做“把内部系有棉线圈里的铁环沾满肥皂水，然后刺破棉线圈里的肥皂膜”的实验让学生观察相关的实验现象。学生观察到棉线圈形状变为圆形之后，教师请学生思考其中的原因。学生会条件反射以为该实验与之前那个实验得出的结论是一样的：即液体表面张力使液体表面发生收缩。他们暂时分析不出两个实验的不同之处。这种情况下，教师可以设问：“棉线圈变成圆形时，棉线圈所围面积大小有什幺特点?这可以进一步说明液体表面有什幺特点?”学生应用数学几何的知识不难得出棉线圈面积最大，液体表面有收缩到表面积最小的趋势。

接下来，教师顺势引导学生思考“液体的表面为什幺具有收缩至表面积最小的趋势这种特点呢?表面积最小从微观层面可以怎幺进行解释?”学生结合液体各个区域的分子分布示意图，分析得出主要原因应该是由于表面层内的分子有尽量挤入液体内部的趋势，宏观上表现出来的就是液面有收缩至表面积最小的趋势。

那为什幺表面层内的分子会有尽量挤入液体内部的趋势？学生猜想到原因应该是表面层内的分子受到指向液体内部的力的作用。表面层内的分子受到指向液体内部的力的作用意味着液体中其他分子对其作用力的合力方向是指向液体内部，那要怎幺去分析这个特点?

学生会发现分析该问题的困难之处——液体中某一分子周边有大量分子的存在，无法用常规方法分析该分子受到其他分子对其作用力的合力方向。教师紧接着介绍分子作用球的模型，学生在应用该模型解决这个问题时就会发现：根据分子作用球中分子分布是否具有球对称性，可以分析出处于球心的分子受力的方向特点。对于液体表面层分子而言，分子作用球内分子的分布是不对称的；从统计上讲，其受力情况也是不对称的，液体表面层分子受到的分子作用力的合力不为零且合力的方向指向液体内部。

最后，教师和学生一起来解决课前遗留的那两个问题：导致“若干个球形的泡泡”和“荷叶上近似球形的露珠”现象的原因是什幺?学生较易分析出导致以上两个现象的原因都是由于液体表面张力的作用。

2.3 采用PBL教学法的课后评估反馈

以往液体的表面现象这节课的难点之一在于对表面张力概念的理解。学生往往误以为表面张力的方向是指向液体内部，或者哪怕学生认识到表面张力的方向与液体表面相切，但他们对这一方向产生的原因也讲不出个所以然来。采用PBL教学法后，在一系列环环相扣的问题串的引导下，学生通过思考解决一个又一个层层递进的问题理出一条清晰的脉络，最终可以较好地理解表面张力这一概念，取得较好的教学效果。

3 结语

医用物理学课程内容的特点是在介绍一些物理基本知识原理之后，会进一步要求学生将其应用到相关的医学领域当中解决更为复杂的问题。因此，如果能够有效地将PBL教学法推广到医用物理学更多章节具体的教学设计当中，就能更有利于帮助学生全面掌握该课程的基础知识、提高分析问题和解决问题的能力，为他们日后进行相关的专业课学习或继续深造奠定更为坚实的基础。