“密度”實驗課創(chuàng)新設(shè)計

陳躍

摘 要：以人教版八年級上冊第六章第二節(jié)的“密度”一課為例，在“三元整合導(dǎo)學(xué)”教學(xué)理論指導(dǎo)下，課堂采用了Excel數(shù)據(jù)處理技術(shù)處理學(xué)生小組的數(shù)據(jù)，關(guān)注到每一個學(xué)生在課堂的體驗，達(dá)到集體全員參與的效果，打破了傳統(tǒng)實驗課的局限性。

關(guān)鍵詞：三元導(dǎo)學(xué)整合；小組合作；數(shù)據(jù)共享

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）4-0076-5

在初中傳統(tǒng)的物理實驗課中，教師往往會讓學(xué)生重復(fù)幾次實驗步驟，獲得3～5組數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析后進(jìn)而得出結(jié)論。然而，這樣的實驗課具有一定的局限性，具體表現(xiàn)在如下幾個方面：一是實驗數(shù)據(jù)缺乏“廣度”，單單重復(fù)幾次實驗很難對學(xué)生產(chǎn)生足夠強(qiáng)的說服力；二是如果實驗選材不能貼近學(xué)生的生活，就不能夠給學(xué)生足夠的認(rèn)知沖擊；三是為了實驗而實驗，實驗課變成學(xué)生記憶實驗步驟的手段。

“三元整合導(dǎo)學(xué)”模式是以現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論、教學(xué)論和相應(yīng)的教學(xué)設(shè)計原理，優(yōu)化整合教學(xué)目標(biāo)、學(xué)科課型、教學(xué)策略（簡稱“三元”）這三個重要變量的一種科學(xué)課堂教學(xué)模式。該模式強(qiáng)調(diào)教學(xué)應(yīng)當(dāng)遵循著學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，因此，在“三元整合導(dǎo)學(xué)”模式的理論指引下，本文具體研究如何通過物理合作小組實驗數(shù)據(jù)共享，來突破傳統(tǒng)物理課堂的局限性。

1 教學(xué)任務(wù)分析

教學(xué)任務(wù)分析是“三元整合導(dǎo)學(xué)”的核心部分，我們能夠在教學(xué)任務(wù)分析中確定出每一節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)、學(xué)科課型和教學(xué)策略的具體內(nèi)容。下面以人教版八年級上冊第六章第二節(jié)的“密度”一課為例，按照以下7個步驟進(jìn)行教學(xué)任務(wù)分析。

第1步 課程標(biāo)準(zhǔn)和教材分析

通讀《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2011年版）和教材關(guān)于本課的學(xué)習(xí)內(nèi)容后可知，關(guān)于本課的學(xué)習(xí)內(nèi)容有如下幾項：

（1）物體質(zhì)量與其體積的關(guān)系；

（2）密度的概念；

（3）密度和質(zhì)量、體積三者的關(guān)系；

（4）密度公式的計算和密度單位的換算。

這4項內(nèi)容是圍繞學(xué)生對“密度”這一主題所展開的。第（1）項是第（2）項學(xué)習(xí)的實驗基礎(chǔ)，（1）和（2）兩項又是理解第（3）項的先決條件，第（4）項相對獨立于前三項，屬于數(shù)學(xué)運(yùn)算范疇。值得一提的是，不少教師忽略（1）（2）和（3）項的學(xué)習(xí)內(nèi)容，而是直接給出密度公式，或者以“走過場”的方式完成探究實驗，盲目地重復(fù)訓(xùn)練質(zhì)量與密度的計算題，讓學(xué)生不斷地去記憶和背誦二級結(jié)論，使物理學(xué)習(xí)變成一種不用思考的僵化操作，更為液體壓強(qiáng)和浮力等相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)埋下“禍根”，使學(xué)生對之后的學(xué)習(xí)愈發(fā)感覺困難。

第2步 確定學(xué)習(xí)結(jié)果的類型和相應(yīng)的認(rèn)知要求

第（1）項內(nèi)容屬于加涅學(xué)習(xí)結(jié)果分類理論中的具體概念和規(guī)則學(xué)習(xí)，是對第（2）項學(xué)習(xí)的實驗基礎(chǔ)。學(xué)生要理解“同種物質(zhì)質(zhì)量與體積的比值一定”和“不同物質(zhì)質(zhì)量與體積的比值一般不同”，要達(dá)到理解水平。

第（2）項內(nèi)容屬于定義性概念學(xué)習(xí)，“密度”概念不可直接通過實驗觀察，必須通過下定義來揭示，需要達(dá)到理解層次。

第（3）項內(nèi)容屬于高級規(guī)則學(xué)習(xí)，是對（1）和（2）項內(nèi)容的整合和提升。學(xué)生不僅要懂得運(yùn)用密度公式來解決一些問題，還需要學(xué)會與m-V圖像結(jié)合起來分析，是本節(jié)課的重點和難點，需要達(dá)到掌握水平。

第3步 確定課型以及相應(yīng)的教學(xué)過程

由于本節(jié)課的主要教學(xué)任務(wù)是物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)，因此，本課屬于物理概念和規(guī)律新授課課型。

第一階段：理解“同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積的比值一定”。習(xí)得該物理概念可以采用歸納推理的方式，用“求同法”來揭示，如表1所示。

第二階段：理解“不同物質(zhì)，其質(zhì)量與體積之比一般不同”，如表2所示。

第三階段：提供變式訓(xùn)練，將第一、二階段習(xí)得的規(guī)律、密度概念的陳述性知識轉(zhuǎn)化為辦事的技能，逐步完成高級規(guī)則的學(xué)習(xí)。

第4步 明確與每種類型化學(xué)習(xí)結(jié)果相應(yīng)的行為表現(xiàn)

根據(jù)之前的分析，學(xué)生對第（1）（2）項內(nèi)容需要達(dá)到理解水平，與之相聯(lián)系的外顯行為表現(xiàn)有7種：解釋、舉例、分類、推測、比較、說明、總結(jié)等。對于這2項學(xué)習(xí)內(nèi)容，解釋、舉例、分類、推測和說明顯然不合適，因此，學(xué)生應(yīng)該能從龐大的信息中總結(jié)出物質(zhì)的質(zhì)量和體積的關(guān)系，用自己的語言把數(shù)據(jù)信息中暗含的規(guī)律提煉總結(jié)出來。同時，學(xué)生能通過比較兩種物質(zhì)的質(zhì)量與體積之比就能鑒定物質(zhì)。

學(xué)生對第（3）項內(nèi)容要達(dá)到掌握水平，學(xué)生要能運(yùn)用已知條件運(yùn)用高級規(guī)則來求證未知量，并且能通過圖像分析同種物質(zhì)或者不同物質(zhì)的m-V圖像。

第5步 陳述教學(xué)目標(biāo)

通過本課學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)該能做到以下幾點：

1.理解同種或不同物質(zhì)的質(zhì)量和其體積的關(guān)系，包括：一是能從數(shù)據(jù)中總結(jié)出兩者之間的關(guān)系；二是能通過質(zhì)量與體積的比值來辨別一些物質(zhì)。

2.理解密度是物質(zhì)質(zhì)量和體積之比，密度反映了物質(zhì)的性質(zhì)，包括：能夠通過查閱密度表來鑒別物質(zhì)種類，并能用自己的語言對其進(jìn)行解釋。

3.掌握密度和質(zhì)量、體積三者的關(guān)系，包括能運(yùn)用公式進(jìn)行簡單的密度計算，在給定的m-V圖像中分析比較不同物質(zhì)密度的大小，同時能在給定的m-V圖像中預(yù)測不同體積的同種物質(zhì)所對應(yīng)的質(zhì)量大小。

第6步 確定學(xué)生的起點能力

1.前置性經(jīng)驗。許多學(xué)生的前置性經(jīng)驗告訴他們：只要體積越大，質(zhì)量就越大。他們沒有考慮到是同種物質(zhì)還是不同種物質(zhì)中的關(guān)系，導(dǎo)致他們存在知識的誤區(qū)。

2.數(shù)學(xué)能力。沒有學(xué)習(xí)過正比例函數(shù)，而正比例函數(shù)是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，這種情況會在一定程度上影響學(xué)生對圖像的分析。盡管如此，對于一種變量隨另外一種變量的增加而增加的情況，學(xué)生還是能夠分辨出這兩個變量就是成正比，教師只要多加引導(dǎo)即可。

3.抽象思維能力。學(xué)生得出了密度公式之后，還是有可能把公式寫錯，是因為密度本身是一個較為抽象的物理概念，很難在日常生活經(jīng)驗中直接獲取。因此，在講授本節(jié)課的最后一定要及時補(bǔ)充一些訓(xùn)練，讓物理知識和方法回歸到社會生活中去。

第7步 安排課時

考慮到本節(jié)課容量很大，把第（1）（2）和（3）項的學(xué)習(xí)內(nèi)容安排在第一課時，第（4）項學(xué)習(xí)內(nèi)容安排在第二課時進(jìn)行。

2 小組共享數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的具體教學(xué)過程

第1步 告知教學(xué)目標(biāo)

把在教學(xué)任務(wù)分析中陳述的教學(xué)目標(biāo)通過PPT告知給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)，訓(xùn)練元認(rèn)知策略。

第2步 回憶原有知識

回顧勻速直線運(yùn)動s-t圖像（如圖1）。分析汽車的s-t圖像可以得知汽車在做勻速直線運(yùn)動，速度不隨時間或路程改變，也就是s與t之比是一個定值，為m-V圖像分析做準(zhǔn)備。

第3步 習(xí)得物質(zhì)的質(zhì)量隨體積的變化規(guī)律

問題1：圖2中哪瓶水質(zhì)量更大？

引導(dǎo)學(xué)生從質(zhì)量與體積關(guān)系的角度去分析問題，學(xué)生一般都能回答“體積越大，質(zhì)量越大”。這時應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生要學(xué)會定量分析，而定量分析的其中一種方法就是畫出m-V 圖像。

問題2：要畫出m-V圖，我們應(yīng)該采集什么數(shù)據(jù)呢？

提供給學(xué)生以下幾種貼近生活的材料：鋁塊、紅糖、便利貼、水和酒精（如圖3、圖4）。

學(xué)生兩兩一組進(jìn)行分組實驗，每組學(xué)生只需測量一個實驗材料。例如：一組學(xué)生選擇測鋁塊，那就只需要測量一個鋁塊的質(zhì)量和體積。每組同學(xué)測得的數(shù)據(jù)都要輸入到多媒體的Excel表格中，如圖5所示。

如圖5所示，紅糖和酒精有兩組數(shù)據(jù)明顯錯誤，已經(jīng)被刪除了。老師在刪除之前先引導(dǎo)學(xué)生去分析數(shù)據(jù)的合理性，對于明顯錯誤的數(shù)據(jù)怎么辦呢？學(xué)生自然就會想到要剔除錯誤的數(shù)據(jù)。這個過程很好地模擬了科學(xué)家在進(jìn)行實驗時的過程，發(fā)現(xiàn)錯誤數(shù)據(jù)時，及時剔除，并分析錯誤原因。這個過程中培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維和求真務(wù)實的態(tài)度。

問題3：仔細(xì)觀察圖6、7，無論是固體還是液體，它們的m-V圖像有什么特征？這種特征說明了什么？

引導(dǎo)學(xué)生分析鋁塊的圖像：1.觀察鋁塊的m-V圖像，該圖像是一條射線，由此可知鋁塊m與V的比值一定；2.分析鋁塊m-V圖像中的數(shù)據(jù)，例如：學(xué)生已知鋁塊體積，能在圖像中找到對應(yīng)鋁塊的質(zhì)量，如果已知的鋁塊體積很大，能用比值推算出鋁塊的質(zhì)量很大。

引導(dǎo)學(xué)生分析其他物質(zhì)的m-V圖，可以得知不同物質(zhì)的m-V圖像斜率不同，也就是m與V的比值不同，然后，用Excel公式算出實驗中5種材料的m與V的比值來驗證。本次實驗算出鋁為2.7 g/cm3、紅糖為1.0 g/cm3、便利貼為0.7 g/cm3、水為1.0 g/cm3、酒精為0.8 g/cm3。此時，還應(yīng)該向?qū)W生解釋比值的復(fù)合單位。

第4步 習(xí)得密度的概念

問題4：教師一邊喝水，一邊向?qū)W生提問：“杯中水被我喝了一點，什么發(fā)生了變化？那什么卻是不變的？”

引導(dǎo)學(xué)生說出質(zhì)量和體積發(fā)生了變化，但是它們的比值是不變的。

問題5：如果已知一種物質(zhì)的質(zhì)量和體積之比為2.7 g/cm3，這種物質(zhì)可能是什么？

學(xué)生馬上能回答出來，這樣做的目的：一是讓學(xué)生樹立利用比值來鑒別物質(zhì)的意識；二是讓學(xué)生知道這樣的比值實際上是物質(zhì)的一種屬性。有了這一層鋪墊，就可以引入密度概念了。

密度就像不同的人有不同的名字一樣，不同的比值對應(yīng)不同的物質(zhì)，這反映了不同物質(zhì)的不同性質(zhì)，在物理學(xué)中，某種物質(zhì)組成的物體的質(zhì)量與它的體積之比叫做這種物質(zhì)的密度。然而，不同物質(zhì)的密度并非絕對不同，就像本次實驗的紅糖和水，它們的密度是相同的，就像不同的人也存在同名同姓的情況，因此書本采用“一般不同”四字。

第5步 m-V圖分析學(xué)習(xí)及變式練習(xí)

例1 在圖7中，若已知水的體積是50 cm3，大家能從圖像中分析出此時水的質(zhì)量嗎？若已知水的體積是200 cm3，還能直接從圖像中分析出此時水的質(zhì)量嗎？那我們將如何預(yù)測水的質(zhì)量？

引導(dǎo)學(xué)生在圖7中分析圖像，獲得水的質(zhì)量信息。然而，當(dāng)水的體積是200 cm3時，無法從圖中直接獲得答案，這時就必須引導(dǎo)學(xué)生通過密度公式算出來，強(qiáng)化學(xué)生對密度概念的理解，同時在運(yùn)用密度公式解決實際問題，學(xué)習(xí)到了高級規(guī)則。

變式訓(xùn)練：在圖7中，若已知酒精的質(zhì)量是50 g時，大家能從圖像中分析出此時酒精的體積嗎？當(dāng)酒精質(zhì)量為600 g時，體積是多少？

例2 用兩個相同的瓶子裝有兩種液體，其中一種是水，另一種是酒精。把兩瓶液體放在托盤天平的異側(cè)，當(dāng)液體體積相等時（如圖8），請學(xué)生判斷哪瓶是酒精；當(dāng)液體質(zhì)量相等時，請大家判斷哪瓶是水？

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合公式去分析，進(jìn)一步運(yùn)用密度公式來解決實際問題，強(qiáng)化對高級規(guī)則的掌握，使密度等陳述性知識轉(zhuǎn)化為高級規(guī)則的運(yùn)用。

第6步 課堂小結(jié)和布置課外作業(yè)

問題6：請同學(xué)們總結(jié)本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，可以從以下幾方面總結(jié)：“兩個共性”“一個概念”和“一條規(guī)律”。

1.兩個共性：同種物質(zhì)，質(zhì)量與體積之比一定；不同物質(zhì)，質(zhì)量與體積之比一般不同。

2.一個概念：密度的概念、物理意義和單位。

3.一條規(guī)律：密度公式。

課外作業(yè)：完成書本和《陽光學(xué)業(yè)評價》相關(guān)練習(xí)。

3 教學(xué)反思

在“三元整合導(dǎo)學(xué)”模式下，本節(jié)課進(jìn)行了科學(xué)的教學(xué)任務(wù)分析，目標(biāo)清晰，導(dǎo)學(xué)性非常強(qiáng)，教學(xué)過程中始終保持教學(xué)目標(biāo)、學(xué)科課型和教學(xué)策略的一致性，構(gòu)成一個有機(jī)的整體。緊密圍繞密度概念的理解作足鋪墊，從質(zhì)量與體積的定性關(guān)系入手，逐步深入到定量關(guān)系，最后是對這種定量關(guān)系的運(yùn)用。這個過程強(qiáng)調(diào)科學(xué)探究的本質(zhì)，重視密度概念生成的過程?？茖W(xué)探究的本質(zhì)就是讓學(xué)生在探索的過程當(dāng)中發(fā)展物理的思想、獲取物理知識、鍛煉思維方法，即是重視物理學(xué)科核心素養(yǎng)中科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。值得一提的是，本節(jié)課除去了很多學(xué)生自己動手作圖、單位換算和密度計算等細(xì)節(jié)，為的就是在密度概念的生成過程中，減輕學(xué)生的負(fù)擔(dān)，專注于學(xué)生對密度概念的理解這個難點的突破。

物理學(xué)習(xí)合作小組數(shù)據(jù)共享機(jī)制突破了傳統(tǒng)實驗課的局限性。一是實驗選材豐富并貼近生活。除鋁塊以外，紅糖、便利貼、水和酒精都是學(xué)生在日常生活中常見的物質(zhì)，再加上本節(jié)課利用數(shù)據(jù)共享的方式，實現(xiàn)了5種不同物質(zhì)、共26組數(shù)據(jù)的測量，更是給學(xué)生留下了深刻的印象，這些都突破傳統(tǒng)實驗較為狹窄的“廣度”，還可以增添不少的探究性和趣味性。二是整節(jié)課就是要發(fā)現(xiàn)出同種或不同物質(zhì)的質(zhì)量和體積的共性，本節(jié)課主線清晰，實驗?zāi)康拿鞔_，就是要解決生活中一些常見的問題，不是為了實驗而去實驗。

物理學(xué)習(xí)合作小組數(shù)據(jù)共享機(jī)制是“三元整合導(dǎo)學(xué)”模式下新時代的產(chǎn)物。合作小組是“三元整合導(dǎo)學(xué)”模式的基本組織形式，合作小組數(shù)據(jù)共享在正確的教學(xué)理論指導(dǎo)下，采用了先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，利用了全部個體的數(shù)據(jù)，達(dá)到集體全員參與的效果，充分發(fā)揮了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，關(guān)注到每一個學(xué)生。本節(jié)課所展現(xiàn)的物理學(xué)習(xí)合作小組數(shù)據(jù)共享機(jī)制很可能是未來物理實驗課的“新常態(tài)”。

當(dāng)然，任何一節(jié)課都并非完美無缺，要上好這堂課對教師要求很高，同時也要有大量的前期準(zhǔn)備。本節(jié)課也可以把便利貼和紅糖換成鐵塊和銅塊，這樣的材料可以循環(huán)利用也容易在實驗室中找到，鐵塊和銅塊的實驗誤差會更小，但也可能會喪失實驗過程中的探究性和趣味性。教學(xué)永無止境，廣大教師們都還需要不斷地努力探索。

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（欄目編輯 鄧 磊）