基于物理學史分級的教學設計研究
——以初中物理“密度與社會生活”為例

鄭 珊 王國森 張景銀 鄭 璐

基于物理學史分級的教學設計研究
——以初中物理“密度與社會生活”為例

鄭 珊 王國森 張景銀 鄭 璐

一、問題的提出

目前，中學物理教學已經逐漸增強對物理學史教學的重視程度。由此，教學中準確恰當?shù)剡\用科學史就顯得尤為重要。在教學中，嘗試以初中物理“密度與社會生活”為例，論述基于科學史分級的教學設計方法。

學生經常談論：“我國的墨子在當時的時代能夠記錄下物理現(xiàn)象，為我們后人留下了寶貴的財富?！边@一場景至今都讓筆者印象深刻，因此思考：是什么原因能夠讓學生對物理學家有如此的認同感。在物理教學中，我們長期致力于引入更多的科學史，可以是簡單的介紹過程還可以是恢復一個真實的研究情景。事實上，我們也一直試圖尋找有效提高物理學史教學的策略。因此，讓學生合理、有序地學習科學史的知識、領會科學史中的科學方法，并形成正確的科學史觀，就是物理教學設計納入科學史需要直面的問題。

“密度的應用”在第二節(jié)密度的教學中已經有所涉及。因此，在中學物理教學實踐中通常本節(jié)便不再著重強調，以至于“密度與社會生活”一節(jié)自然地成了習題課。然而筆者認為，本節(jié)課不僅是密度知識內容的拓展和延伸，更是增強學生正確的科學史觀的絕佳契機。

初二的學生處于皮亞杰認知發(fā)展階段的形式運算階段，他們具備了基本的動手能力，在教師的指導下，能夠順利地完成科學史中的小制作。通過學習，學生已經基本理解密度的含義，積累了簡單的測量方法。但是“密度會隨著溫度變化”這一觀點，還需要通過生活中形象、直觀地實例進行全面的認識。

綜上所述，本節(jié)內容不僅應該得到應有的重視，而且可以此為契機，增強學生對密度的樸素認識，適當?shù)剡\用科學史促進學生的全面發(fā)展。

二、“密度與社會生活”教學設計

“密度與社會生活”一節(jié)的教學，容易流于瑣碎與雜糅，以科學史的角度進行教學設計是避免這一狀況的良好途徑。解決這一疑難的關鍵在于理清科學史料的類別并在此基礎上合理設計。有學者指出，應當從3個層次將科學史引入物理教學：科學史故事、科學思想史、科學史觀[1]，其內涵如表1所示。這為本節(jié)教學提供了有益啟示。

表1

依據以上認識，本節(jié)教學設計亦從科學史的3個層次展開[2]。教學伊始，筆者采用了“水山爆發(fā)”的魔術引入。創(chuàng)設密度與生活的學習情境，增強學生的求知欲和探索欲。我們認為社會是發(fā)展的，人們對密度的認識也是發(fā)展的。在此基礎上，整節(jié)教學設計遵照從古至今的時間順序，依據科學史分級原理，對密度的認識和應用展開了符合教學邏輯的設計。

1.講述科學史故事

在教學中，教師先提出問題：如何分辨清水和鹽水。進而，引導學生分析學生的實驗方法，引出明代人們的判斷鹽水咸度的科學史故事。

明代時，人們不需要品嘗，不僅能判斷出哪個是鹽水，還能知道哪杯鹽水更咸。古文記載“先將小竹筒裝鹵，以重三分蓮子試之，放蓮子于中；若浮而橫倒者，則鹵極咸，乃可煎燒；若立浮于面者，稍淡；若沉而不起者，俱棄不用 ”。由此，引導學生先翻譯古文，深刻體會古人在當時的條件下，就能夠通過蓮子的漂浮，判斷鹽水，進而提取制鹽。然后，教師安排學生的活動一，自己利用手中的蓮子判斷燒杯中的液體種類。在教學中，安排了學生實驗：事先挑選好質量為1.1 g(即三分)的蓮子，讓學生觀察蓮子在鹽水和清水中的狀態(tài)，深切地感受古人判斷鹽水咸淡的方法。

用蓮子判斷鹽水的咸度是古人的生產經驗，除此之外，還挑選了古人生活中另一個與密度有關的玩具—走馬燈。課前教師安排學生分小組查閱走馬燈的故事，完成簡易走馬燈的制作并錄制相應地視頻，課堂上由學生講述走馬燈的命名、發(fā)展和使用。

在這一教學環(huán)節(jié)，采用從科學史故事出發(fā)，教師講述和學生實驗結合的方式，盡可能讓學生身臨其境地感受科學史故事。這樣生態(tài)的學習環(huán)境無疑讓學生能深刻體驗物理學史故事中蘊含的物理原理。

2.體驗科學思想

學生通過觀察蓮子在鹽水和清水中的狀態(tài)，感受古人判斷鹽水咸淡的方法。進一步還需要思考出現(xiàn)這個物理現(xiàn)象產生的原因。通過教師引導學生，逐步完善和補充，最后歸納出“鹽水中，蓮子??；清水中，蓮子沉”。這就使得學生能夠較為深入地理解物理學史故事背后的物理思想。

同時，學生制作簡易走馬燈的體驗和錄制的視頻后與同學的交流，思考走馬燈轉動的原因。鑒于影響因素較多，在此選用2個完全一樣的簡易走馬燈。用吹風機吹動走馬燈，走馬燈轉動；通過類比吹風機，引導學生思考蠟燭周圍是否真的有風。然后進一步思考風的來源。即可歸納出：氣體一般情況密度小的在上，密度大的在下。進而，促使學生對走馬燈轉動從感性認識提升至理性思考。此環(huán)節(jié)旨在學生不僅學會克服困難制作能夠轉動地走馬燈，而且還能理解走馬燈轉動的原理。綜上所述，恰當?shù)貙ξ锢韺W史內容進行分析，更加有助于學生系統(tǒng)的走馬燈轉動的來龍去脈。

3.升華科學史觀

由蓮子判斷鹽水、簡易走馬燈轉動的故事，到基本原理的分析，再進一步引導學生不難發(fā)現(xiàn)這兩個實例揭示了氣體、液體、固體在一般情況“密度小的在上，密度大的在下”的規(guī)律。

正是利用液體的這個性質可以調制一種美麗漂亮的彩虹雞尾酒。同樣，課前布置學生完成雞尾酒的調制，并請一位學生現(xiàn)場表演六層雞尾酒的調制。然后，歸納雞尾酒能夠調制成功的秘籍。在課前實驗和課上實驗結合的基礎上，學生能夠深切地體會氣體和液體都是“密度小的在上，密度大的在下”。

在現(xiàn)實生活中，密度的應用十分廣泛。引導學生發(fā)現(xiàn)和挖掘密度在生活中的應用。通過搜集素材，以圣誕節(jié)為背景，通過小劇形式展現(xiàn)給其他學生。圣誕老人依次推出：(1)掛在圣誕樹上，密度小的塑料鈴鐺；(2)構成“鎮(zhèn)紙”的物質密度大，于是鎮(zhèn)紙體積雖然不大，但質量大，由此便能夠增加穩(wěn)定性；(3)壓縮餅干，密度大，所需空間小，從而節(jié)省空間；(4)學生用自制的棉花糖機，現(xiàn)場制作棉花糖；(5)密度小的樹脂眼鏡和密度大的玻璃眼鏡；(6)密度小的碳纖維自行車和鋼鐵自行車。在此環(huán)節(jié)，將樹脂眼鏡和玻璃眼鏡以分組實驗的方式讓學生稱量質量進行體驗。同時，還將價格昂貴的碳纖維自行車搬到教室，讓學生課后能夠親自感受。綜上所述，這樣的設計意在充分地展現(xiàn)學生的自主學習和與他人的合作學習，從而彰顯學生在教學過程中的主體地位。

學生能夠感受到碳纖維由于密度小的特性為生活帶來的便利。由此，引出氣凝膠這種密度極小的材料。學生觀察看似鞋墊的氣凝膠氈，先用打火機點燃氣凝膠氈，觀察此氈不能點燃，說明它具有防火性；接著，向氣凝膠氈上放入幾滴水，發(fā)現(xiàn)氣凝膠氈不吸水。此時，介紹氣凝膠這種密度極小的材料。

此教學環(huán)節(jié)不僅要介紹氣凝膠的基本性質，還要介紹目前我國浙江大學研制的“全碳氣凝膠”。除此以外，增加了學生體驗環(huán)節(jié)：學生用電子秤稱量密封袋內的鹽的質量和氣凝膠的質量，感受氣凝膠材料密度與鹽顆粒密度差別。向學生介紹中南大學研制的新型超級節(jié)能氣凝膠玻璃近日在我國首次實現(xiàn)量產，填補了我國在氣凝膠研發(fā)應用領域的一項空白。

課程最后，還應增強學生的使命感，社會的進步正是依賴材料的進步和發(fā)展，引導學生展開想象思考如何讓我們的書包“輕的飛起來”。

三、教學啟示

本節(jié)教學設計和實施對物理教學有以下三點啟示。

1.以物理學史故事為契機，創(chuàng)設生態(tài)課堂

生態(tài)學對心理學和教育學領域的影響使得教育心理研究走向真實、自然的情境。在物理教學中，僅僅聯(lián)系生產和生活經驗是遠遠不夠的，我們需要給學生呈現(xiàn)一個生態(tài)化的課堂。在本設計中，體驗蓮子判斷鹽水咸度、制作簡易走馬燈和雞尾酒的教學環(huán)節(jié)促使學生獨自完成發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題的步驟。查閱與密度相關的資料并篩選出易于表演且貼近生活的實例，并與同學完成了相關表演。由此一來，在增強學生學習趣味性的同時，學生完成了密度應用的學習，更是增強了學生能力的全面發(fā)展。

2.依物理思想為脈絡，滲透傳統(tǒng)文化

一直以來，物理學史在物理教學中占據不可逾越的地位。在物理教學過程中，常常引入西方的故事典籍，我國古代的科技文明容易被忽略。本節(jié)的教學設計，學生需要翻譯文言文，理解其中蘊含的物理知識，而且學生親身體驗、親自動手制作。從中國古代的文章記載和玩具走馬燈兩個視角，讓學生深切地感受傳統(tǒng)文化中蘊含的物理學知識。依據物理學史故事中蘊含的物理思想，促進學生對傳統(tǒng)文化的認識。

3.定物理史觀為目標，增強科學素養(yǎng)

教育的主體是人，初中物理教學的目標是培養(yǎng)具備科學素養(yǎng)的人。在物理教學活動中，應引導學生結合時代背景考慮科研成果，學會辯證的分析問題。本節(jié)教學中，通過呈現(xiàn)科學史故事、科學史思想增強學生的基本科學素養(yǎng)。同時，還將學生只在課本、網絡見過的碳纖維自行車、氣凝膠氈和氣凝膠等新材料帶給學生體驗。并為學生介紹最新的科研成果，讓學生能夠充分地了解科技前沿。這就要求及時了解與時俱進的科學，增強學生的時代感和使命感。

[1]胡揚洋,陳清梅,邢紅軍.物理教材引入科學史的新觀點[J].課程?教材?教法,2012(12):29-34

[2]宗先漢,胡揚洋,邢紅軍.基于科學史分級的高中物理教學策略:以“天然放射現(xiàn)象 原子的結構”為例[J]. 北京教育學院學報:自然科學版,2016(2):54-58.

鄭珊，碩士，中教二級。張景銀，本科，中教高級。鄭璐，本科，中教一級。北京市第二中學分校，100010

王國森，本科，中教高級。北京市東城教師研修中心，100009