1.1物体是由大量分子组成的 教学设计-2026-2027学年高二下学期物理教科版选择性必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“物体由大量分子组成”核心知识点，以生活疑问导入，通过扫描隧道显微镜整机实物图和原子实拍图，帮助学生建立微观物质构成观念，为后续分子热运动等内容搭建认知基础。 此资料特色在于依托STM图像开展证据推理，通过对比光学显微镜与STM分辨极限培养科学思维，小组讨论提取原子排布证据落实科学探究，助力学生建立微观尺度认知，为教师提供直观教学资源，有效突破分子数量多、体积小的教学难点。

教学设计 课程名称 物体是由大量分子组成的 选用教材 高中物理教科版选修三 教学章节 第一章第一节 授课对象 高二学生 授课类型 新授课 授课学时 1课时（45分钟） 一、教学内容分析 本节课是分子动理论整章开篇奠基课，核心确立物质微观构成的基础观点。第一板块依托扫描隧道显微镜整机实物图，介绍扫描隧道显微镜的研制背景、原理与超高分辨能力，打破肉眼、普通光学显微镜无法观测微观粒子的局限；第二板块借助扫描隧道显微镜原子实拍图，展示硅、砷化镓表面原子有序排列图像，用直观实拍实验证据证实物质由分子、原子、离子构成，给出分子体积极小、物体内部分子数量极多的核心结论；教材统一将热运动范畴内的原子、离子统称为分子，为后续分子热运动、分子力等内容搭建微观认知基础，实现宏观物质特性向微观分子尺度认知的过渡，串联宏观与微观两套物理研究视角。 二、学情分析 1. 知识基础 学生初中化学、物理已经初步知晓物质由微小微粒构成，知道分子、原子基础名词，但仅停留在文字概念层面，从未见过原子、分子的真实观测图像；熟悉光学显微镜的放大局限，不清楚纳米微观尺度，不了解扫描隧道显微镜这类尖端微观观测设备；无法直观理解分子体积极微小、宏观物体包含海量分子的客观事实，缺少支撑微观观点的实验实物证据。 2. 能力基础 学生具备宏观物体尺度观测、图像观察的基础能力，但宏观尺度向纳米微观尺度转换的尺度建模能力薄弱；依托尖端仪器实拍图像提炼物理观点、归纳微观物质构成规律的证据推理能力不足；自主对比光学显微镜与扫描隧道显微镜分辨极限、分析二者观测范围差异的对比归纳能力偏弱。 3. 思维基础 学生存在多处顽固认知误区：肉眼看不见就无法证实原子真实存在；普通光学显微镜能够直接看到单个原子；分子、原子尺度和灰尘、花粉这类微小颗粒尺度相近；不同固体物质表面的原子排布杂乱无章；热运动中原子、离子不能统一归类为分子进行研究。 三、教学目标 1. 物理观念 建立清晰的微观物质构成观念：一切宏观物体都是由数量极多、体积极微小的分子组成，热运动研究范畴内，原子、离子统一称作分子；普通光学显微镜无法观测原子，扫描隧道显微镜依靠量子隧穿效应实现纳米级超高分辨，可以直接拍摄原子在固体表面的有序排列图像；分子尺度达到纳米级别，宏观物体内部包含海量分子，宏观物质的各类热现象根源都来自微观分子的集体行为。 2. 科学思维 依托扫描隧道显微镜整机实物图建立微观观测仪器功能、分辨极限的具象建模思维；借助扫描隧道显微镜原子实拍图建立 “仪器实拍图像→实验证据→微观物质构成结论” 的证据推理思维；对比光学显微镜与扫描隧道显微镜的观测上限，形成宏观、微观尺度分层划分的对比归纳思维，三层思维同步开展训练。 3. 科学探究 观察扫描隧道显微镜整机实物图，记住仪器研制科学家、发明年份、诺贝尔奖相关史实，理解该仪器突破传统显微镜观测局限的核心价值；看懂扫描隧道显微镜原子实拍图，区分两种不同固体表面的原子有序排布形态，从实拍图像中提炼 “物质由原子、分子构成” 的实验证据；完整经历 “扫描隧道显微镜整机图认识微观观测工具→STM 原子实拍图提取实验证据→归纳物体由大量微小分子组成” 标准化证据探究流程。 4. 科学态度与责任 扫描隧道显微镜依托量子力学理论研制成功，体现基础物理理论持续催生尖端观测仪器，激励学生扎实学好物理基础理论，助力微观探测、新材料等前沿科技发展；宾尼希与罗雷尔深耕微观探测领域、研制新型显微镜并斩获诺奖，传递持之以恒、深耕科研的钻研精神；人类从无法观测原子到直接拍摄原子图像，展现人类不断突破观测极限、探索物质微观本质的求真科学精神；微观探测设备支撑半导体芯片、新材料研发，微观物理研究赋能电子信息、新材料产业，树立物理技术推动产业发展的责任意识。 四、教学重难点 重点 核心观点：一切物体由大量微小分子组成；扫描隧道显微镜能够直接观测原子 扫描隧道显微镜的观测价值、微观原子实拍图像的实验证明作用 难点 建立纳米微观尺度认知，理解分子体积极小、宏观物体分子数量极多 从扫描隧道显微镜实拍原子图像中提炼可靠物理证据，推理物质微观构成 五、教学方法 仪器实物图解导入法：扫描隧道显微镜整机实物图，介绍仪器构造、研制背景与分辨能力； 图像证据分析法：扫描隧道显微镜原子实拍图，依托实拍图像开展证据推理，证实微观粒子存在； 对比辨析法：对比光学显微镜与扫描隧道显微镜的放大、分辨极限，区分宏观、微观观测边界； 讨论交流探究法：围绕原子观测、分子尺度相关问题开展小组思辨，纠正认知误区。 六、教学资源 教科版高中物理选择性必修第三册课本；扫描隧道显微镜整机实物图、扫描隧道显微镜观测原子排列实拍图；光学显微镜与扫描隧道显微镜分辨极限对比科普图文；微观尺度纳米单位科普素材、科学家宾尼希与罗雷尔科研事迹文字材料。 七、教学设计 教学环节 教师活动 学生活动 环节一 生活疑问导入，抛出微观物质构成核心问题（5 分钟） · 向学生抛出生活化思辨问题：我们身边的石块、清水、空气，用肉眼观察都是连续完整的物质，那这些物质是不是完全密实、没有缝隙的连续整体？如果物质是由极小微粒拼接而成，为什么肉眼完全看不到这些微小颗粒？ · 顺势补充拓展提问：我们日常实验室使用的光学显微镜，可以观察细胞、花粉这类微小物体，那依靠光学显微镜能不能直接看到组成物质的最小微粒原子？ · 组织学生进行两分钟同桌自由交流，教师在教室巡回走动，倾听学生给出的各类猜想，收集学生普遍存在的错误认知，例如光学显微镜可以看见原子、微粒和灰尘大小相近等。 · 对学生的交流猜想进行简单梳理总结：大家大多认为微小微粒可以通过普通显微镜观察，这个观点存在偏差，人类直到研制出新型高端观测仪器，才真正实现直接看见原子，本节课我们就借助这款仪器的图像证据，证实物体的微观构成。 · 过渡铺垫：接下来我们认识能够直接观测原子的尖端仪器扫描隧道显微镜，观察仪器整机外观图，了解它的相关基础信息。 · 认真聆听教师提出的生活化思辨问题，结合生活中固体、液体、气体的外观形态，独立形成自己的初步猜想。 · 和身旁同桌相互交流自己对物质是否连续、显微镜能否看见原子两个问题的看法，完整说出自己猜想对应的理由。 · 记录自己和同桌交流过程中出现的不同观点，对比不同猜想之间的矛盾点，做好课堂疑问标记。 · 跟随教师梳理全班猜想的共性误区，初步意识到普通显微镜存在观测极限，存在专门观测原子的特殊仪器。 · 带着 “什么样的仪器能看见原子、原子真实样貌是什么” 两个疑问，进入下一环节仪器学习。 环节二 扫描隧道显微镜整机实物图学习，认识微观观测核心仪器（10 分钟） · 展示扫描隧道显微镜整机实物图 · 完整介绍仪器基础信息：该仪器名为扫描隧道显微镜，缩写 STM，由德国物理学家宾尼希和瑞士物理学家罗雷尔在 1982 年研制成功，依靠量子力学隧穿效应工作，两位科学家凭借这项发明在 1986 年共同获得诺贝尔物理学奖。 · 分层讲解仪器核心性能，同步对比学生熟知的光学显微镜：普通光学显微镜只能分辨微米尺度的物体，无法捕捉原子；扫描隧道显微镜放大倍数可达几亿倍，平行于样品表面、垂直于样品表面两个方向分辨能力分别达到 0.1 纳米和 0.01 纳米，能够清晰分辨出单个原子，突破传统显微镜的观测边界。 · 抛出同桌交流任务两分钟：为什么光学显微镜无法观测原子，扫描隧道显微镜却可以实现单个原子分辨，二者最核心的差距体现在哪里，教师巡回倾听各组发言，整理学生的理解难点。 · 出示全班辨析思考题，题目内容为：扫描隧道显微镜依靠光的折射放大物体、普通光学显微镜可以分辨单个原子，判断这两句话对错，随机点名学生作答，并要求完整说明判断依据。 · 过渡铺垫：这款超高分辨显微镜不只是理论仪器，已经拍摄到多种固体表面原子真实排布图像，下一张原子实拍图我们直接观察原子真实样貌，提取证实物质微观构成的实验证据。 · 认真观看扫描隧道显微镜整机实物图，仔细观察仪器整体机械结构，完整记录仪器名称、研制科学家、发明年份、诺奖相关史实。 · 完整抄写扫描隧道显微镜核心性能特点：放大倍数极高，纳米级分辨能力，能够分辨单个原子，原理依托量子隧穿效应。 · 和身旁同桌相互交流显微镜分辨能力对比思辨问题，分工梳理光学显微镜与扫描隧道显微镜在放大极限、观测尺度上的差异。 · 独立完成辨析判断题，完整书写两句错误表述对应的纠正内容，厘清两类显微镜的观测边界，规避基础认知误区。 · 建立尖端微观观测仪器的完整认知，理解扫描隧道显微镜是人类直接观测原子的核心工具，为图像证据分析做好铺垫。 环节三 扫描隧道显微镜原子实拍图探究，依托图像证据推导微观构成观点（18 分钟） 展示扫描隧道显微镜原子实拍图 分别标注图中两类实拍图像：左侧是硅材料表面硅原子的排列图像，右侧是砷化镓材料表面砷原子的排列图像，引导学生仔细观察图像中颗粒状规整排布结构。 分层分步开展证据推理教学，一步步引导学生从图像推导核心物理观点：首先，图像中一个个独立、均匀排布的颗粒就是单个原子，肉眼、普通显微镜都无法看见，只有扫描隧道显微镜能够捕捉；其次，硅、砷化镓两种完全不同的固体材料，表面都呈现大量微小原子有序排列的形态，直接证明固体物质由大量原子构成；拓展延伸到液体、气体，大量实验间接证明液体、气体同样由微小分子、原子构成；最后给出本节课核心结论：所有物体都是由大量体积极微小的分子组成，热运动研究范围内，原子、离子统一归类称作分子。 布置四人小组简短讨论任务三分钟，给出讨论主题：从这两张原子实拍图中，我们能提取哪些证据，证明物体是由大量微小分子组成的，小组内部梳理三条及以上图像证据，安排小组代表准备发言。 汇总各小组代表的发言内容，统一梳理完整图像证据链：第一，实拍图中存在大量独立微小颗粒，对应单个原子，说明物质的组成单元体积极小；第二，整块硅、砷化镓样品表面布满海量原子颗粒，说明一块宏观固体内部包含数量极多的微观微粒；第三，两种不同材质固体都存在原子排布，说明各类物质普遍由微小微粒构成。 抛出同桌交流任务两分钟，设置思辨问题：为什么教材中说热运动范畴里原子、离子都可以统称为分子，统一称呼有什么教学研究层面的便利。 出示四道分层辨析判断题，题目依次为：肉眼能够直接看见单个原子、所有固体表面原子排布杂乱无章、分子尺度远大于微米颗粒、原子不能归类为分子研究热运动，组织全班集体举手判断对错，逐题结合仪器、实拍图像知识点纠正误区。 过渡铺垫：本节课我们依靠扫描隧道显微镜仪器、原子实拍图像，完整证实了物体由大量微小分子组成的核心观点，接下来我们整合本节课全部内容进行习题巩固与课堂整体总结。 认真观看扫描隧道显微镜原子实拍图，仔细区分硅原子、砷原子两类不同材料的原子排布形态，直观看见原子真实成像样貌。 完整记录从实拍图像推导得出的三条核心证据，抄写本节课核心结论：一切物体由大量微小分子组成，热运动中原子、离子统称为分子。 四人小组围绕图像证据思辨问题充分交流，分工梳理图像中能够支撑微观构成观点的细节，小组代表举手完整分享小组整理的证据内容。 和身旁同桌相互交流分子统一称呼的思辨问题，分工说出统一命名可以简化热运动研究的分类，不用区分原子、离子、分子三类微粒。 集体举手判断四道分层辨析题对错，针对每一道错题结合扫描隧道显微镜性能、实拍原子图像完整书写纠正依据，规避四类顽固认知误区。 完整建立宏观物质到微观分子的尺度转换认知，记住分子体积微小、宏观物体分子数量庞大两大核心特点。 环节四 习题巩固 + 课堂整体总结（12 分钟） 出示四道分层课堂思考题，题目完整内容如下： ① 简述扫描隧道显微镜相比普通光学显微镜最大的观测优势是什么，配套的原子实拍图可以证明什么物理观点； ② 为什么我们无法依靠肉眼看见组成石块、清水的分子； ③ 请结合实拍原子图像说明，为什么说一块固体内部含有 “大量” 分子； ④ 热运动研究过程中，为什么可以把原子、离子统一称作分子。 带领学生复盘本节课两张配图对应的核心内容：扫描隧道显微镜整机实物图掌握仪器研制背景、诺奖成就、纳米级超高分辨性能；扫描隧道显微镜原子实拍图提取图像证据，推导 “物体由大量微小分子组成” 的核心结论，建立宏观、微观尺度分层认知。 集中梳理本节课四类典型认知误区，在黑板逐条书写标注：普通显微镜可观测原子、分子尺度和灰尘相近、原子排布杂乱、原子不能归为分子研究，带领学生逐条回顾对应纠正知识点。 布置分层课后作业：基础作业完整抄写扫描隧道显微镜基础信息、本节课核心观点、三条图像证据；提升作业独立完成四道课堂分层思考题，完整书写答题内容；拓展作业自主查找扫描隧道显微镜在新材料、芯片领域的应用科普文字，下节课进行简短分享。 · 独立动笔完成四道分层课堂思考题，每一道题目都完整书写对应的分析、简答依据，完成后自行对照课堂笔记梳理错题，标记自己理解模糊的尺度、仪器相关知识点。 · 跟随教师复盘本节课仪器学习、图像证据推理完整探究主线，理清两张配图对应的两大核心知识板块，串联仪器性能、原子实拍图像、微观物质构成观点三者逻辑关联。 · 在课本对应页面记录四类典型认知误区，标注对应的纠正知识点，方便课后复习规避错误理解。 · 完整记录三层课后作业，区分概念识记、简答分析、科普拓展三类任务，明确每一层作业完成要求。 环节五 课堂收尾 · 回扣开篇扫描隧道显微镜整机实物图进行收尾总结：本节课我们从肉眼无法观测微观微粒的疑问出发，认识了能够分辨单个原子的扫描隧道显微镜，借助两种固体表面原子实拍图像提取实验证据，最终得到本章第一个核心结论，所有宏观物体都是由大量体积极微小的分子组成，热运动研究中原子、离子统一称为分子，下一节课我们将进一步探究分子本身的尺度大小，学习估算分子尺度的实验方法。 · 完整回顾本节课全部核心内容：扫描隧道显微镜的研制、性能、诺奖背景，原子实拍图像对应的三条微观构成证据，物体由大量微小分子组成的核心物理观念，清晰记住两张配图对应的完整探究主线，为下一节分子尺度计算内容做好知识铺垫。 八、板书设计 九、课程思政 本节课依托扫描隧道显微镜整机实物图、扫描隧道显微镜原子实拍图两组教材素材，沿着尖端微观仪器认识、原子实拍图像证据推理、微观物质观点归纳的完整脉络落实多维育人目标。第一，扫描隧道显微镜依托量子力学基础理论研制，证明基础物理理论能够催生改变科研观测方式的尖端仪器，激励学生扎实学好高中物理基础内容，未来投身微观探测、半导体芯片、新材料等前沿科技领域，助力我国高端精密观测设备自主研发；第二，宾尼希与罗雷尔长期深耕微观探测领域，历经攻关研制出全新显微镜并斩获诺贝尔物理学奖，传递持之以恒、求真务实、深耕细分科研领域的钻研精神，引导学生对待学习保持严谨坚持的态度；第三，人类从无法感知原子存在到直接拍摄原子排列图像，百年间不断突破观测极限探索物质微观本质，展现追求真理、不断拓展认知边界的科学精神；第四，扫描隧道显微镜广泛用于半导体芯片、新型功能材料研发，微观物理基础研究支撑电子信息、高端制造产业发展，让学生体会物理知识赋能国家产业升级的社会价值；第五，从宏观肉眼可见的物体到纳米尺度微观原子，分层认知物质结构，培养由表及里、依靠实验证据推导结论的严谨科学思维。 十、教学反思和修改 1. 教学反思 本节课扫描隧道显微镜整机、原子实拍图像直观新颖，小组图像证据讨论、同桌尺度辨析交流课堂学生参与度较高，但学生存在四类顽固认知误区，对显微镜观测极限、分子尺度、原子排布、分子定义理解存在明显薄弱点：第一，多数学生依旧默认普通光学显微镜能够看见原子，无法区分微米、纳米观测尺度边界；第二，难以建立分子纳米级微小尺度的具象认知，习惯性将分子和灰尘、花粉等微米级颗粒混为一谈；第三，主观认为所有材料内部原子排布杂乱无章，忽略固体原子规整排列的实拍图像证据；第四，不理解热运动研究统一将原子、离子称作分子的简化研究逻辑；同时部分学生自主从实拍图像提取物理证据、梳理证据链的推理能力偏弱，难以完整总结支撑 “物体由大量分子组成” 的多条图像依据。 2. 修改措施 第一，课前印发预习填空单，标注四大核心易错点：光学显微镜无法观测原子、分子为纳米尺度、固体原子规整排布、热运动中原子离子统称分子； 第二，课堂增加四轮抢答互动练习：扫描隧道显微镜基础信息、观测极限判断、原子图像证据梳理、分子定义辨析，快速纠正基础认知误区； 第三，延长四人小组图像证据讨论时长，帮扶证据推理薄弱学生，引导学生分点梳理图像中微粒大小、数量、普遍存在三类证据； 第四，课后配套分层作业，基础层抄写扫描隧道显微镜信息、本节课核心观点、三条图像证据；提升题完整完成四道分层思考题；拓展作业搜集微观仪器国产研发相关科普素材； 第五，下节课课前两分钟快速复盘扫描隧道显微镜性能、物体微观构成核心观点，为分子尺度估算的教学铺垫认知基础。 学科网（北京）股份有限公司 $