自制測量工具 培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

洪潔伶

【摘 要】在學(xué)生試驗中，自制測量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動手實驗，它并不是簡單的模仿制作，而是在不斷改進(jìn)過程中考驗學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動手能力，并且對物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。在本文中，筆者以自制密度計為例，闡述自制測量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。

【關(guān)鍵詞】自制;物理實驗;核心素養(yǎng)

很多年前，中國科學(xué)院動物學(xué)家揚衛(wèi)平發(fā)出質(zhì)疑：“現(xiàn)在，我們一不缺錢，二不缺儀器設(shè)備，三不缺勤奮努力，為什么到頭來原創(chuàng)性成果還是比不過別人？”彼時，筆者剛剛踏上教育崗位，這段話，成為多年教育實踐過程中反反復(fù)復(fù)思索的問題，也是前進(jìn)的方向和燈塔。福建師大的余文森教授指出，這個問題的根源在于思維方式，思維方式的模式化、格式化導(dǎo)致原創(chuàng)思維的欠缺和喪失。物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，我們要培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，就必須在實驗的過程中建立物理概念、物理思維、體驗科學(xué)探究的過程，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

在學(xué)生試驗中，自制測量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動手實驗，它并不是簡單的模仿制作，而是在不斷改進(jìn)過程中考驗學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動手能力，并且對物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。如何在一步一步的改進(jìn)過程中獲得更好的測量效果，這個過程極大地刺激了學(xué)生的感官，調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的興趣和求知欲，從而由淺層的學(xué)習(xí)進(jìn)入深層的思考。初中階段可以利用手邊隨手可得的瓶瓶罐罐甚至紙片制作的測量工具很多，刻度尺、彈簧測力計、簡易小天平、密度計、電流表、電壓表……在本文中，筆者以自制密度計為例，闡述自制測量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。

一、建立物理概念，理解物理原理

物理實驗中使用的密度計，是一種測量液體密度的儀器。它是根據(jù)漂浮在液體中的物理所受的浮力等于重力的原理制造與工作的。密度計是一根粗細(xì)不均勻的密封玻璃管，管的下部裝有少量密度較大的鉛丸或水銀。使用時將密度計豎直地放入待測的液體中，待密度計平穩(wěn)后，從它的刻度處讀出待測液體的密度。

學(xué)生要想自制密度計，首先要理解密度計的工作原理。

教師可以提問，為什么一定需要漂浮的物體呢？懸浮或是沉底的物體不行嗎？問題不難，可是此時學(xué)生就必須去思考。

教師進(jìn)一步提問，密度計在不同液體中液面指示的刻度是不同的，最根本的原因是什么？學(xué)生可以回答：密度計浸沒在液體中的體積不同。引起這個體積不同的原因是什么。學(xué)生在這個地方往往會有一個錯誤的前概念，覺得密度計受到的浮力大一些，密度計會浮的高一些。此時根據(jù)浮力公式F浮=ρ液gV排，學(xué)生很快就能發(fā)現(xiàn)矛盾的地方，密度計浮得更高了，V排不是變小了嗎？難道浮力變小了？對比思考過后，孩子們可以更深刻的明白，物理漂浮的時候，浮力的大小等于自身的重力，所以只要物體重力不變，浮力大小是不變的。當(dāng)密度計放在密度不同的液體中，由于浮力不變，所以密度大的液體中，密度計會浮得高一些，這個時候指示的刻度應(yīng)該較大。反之，則較小。

由此，學(xué)生在制作密度計的前期知識儲備中通過深入思考明白了兩件事情： 1.密度計的工作原理是漂浮在密度不

同的液體中受到的浮力大小相同;2.密度計的刻度應(yīng)該是下大上小的。

二、培養(yǎng)物理思維，體驗科學(xué)探究過程

理解了原理之后，學(xué)生開始選材。要求學(xué)生從日常的事物中選取適合的材料，甚至可以從曾經(jīng)出現(xiàn)過的習(xí)題、網(wǎng)絡(luò)上的成功案例中獲得經(jīng)驗。這一點，很能考察學(xué)生獲取信息、處理信息的能力。毫無疑問，學(xué)生獲取信息的途徑是五花八門的，他們所選取的材料也是各式各樣的。有鉛筆和鐵絲、吸管和沙子、小木桿、甚至塑料玩具，處在信息爆炸的年代，孩子們很容易得到自制密度計的方法，簡單而又容易的制作教材網(wǎng)絡(luò)上遍地都是，事實上真的那樣了嗎？學(xué)生根據(jù)百度來的方法制作了各種各樣的簡易密度計。

方法一：找粗細(xì)均勻截面形狀相同的木棒一根，在一端釘一大鐵釘，鐵釘上纏一些鐵絲也能制成密度計。

方法二：用鉛筆自制密度計，在鉛筆一端纏繞數(shù)圈細(xì)鐵絲，或插到一塊橡皮里，使其能在水中直立，刻下此時水面在鉛筆桿的位置，即制成簡易密度計。

方法三：找一支塑料吸管，用蠟燭油把鉤口封死，在吸管中裝入適量的沙子，也能制成密度計。

……

看起來一切似乎很簡單，做起來就不是那么回事了。當(dāng)學(xué)生們在按部就班的進(jìn)行時，他們自己發(fā)現(xiàn)并提出了問題：細(xì)木棒很難釘入鐵釘;粗木棒在不同液體中V排區(qū)別太小;鐵絲太重;鉛筆沉底了;吸管在液體中歪歪斜斜的，不能豎直漂浮……孩子們?yōu)榱酥谱鞒龊玫拿芏扔嫞坏貌会槍Τ霈F(xiàn)的問題進(jìn)行思考，教師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)：1.大家選取的主材料有什么樣的特點，為什么要這樣選?。?.為什么要讓它們豎直漂浮在液體中呢？怎樣可以做到豎直？

孩子們在教師的引導(dǎo)下主動參與、思考積極、氣氛活躍， 通過交流討論，對實驗現(xiàn)象的對比、分析、歸納和總結(jié)，學(xué)生們得出了各種不同的結(jié)論，培養(yǎng)了孩子的發(fā)散性思維。孩子們的結(jié)論總結(jié)如下：

1.選取自身材料密度小的空心物體（吸管、膠頭滴管、圓珠筆管……）放入配重。要比鉛筆、木棍等物質(zhì)纏繞鐵絲好。物體更容易豎直漂浮，根據(jù)需要調(diào)節(jié)配重更方便;

2.根據(jù)圓柱體積公式，選用較細(xì)的柱狀物體，漂浮在不同液體中時△h區(qū)別更大，可是較細(xì)的物體不容易添加配重;

3.下端是圓弧形或錐形的物體（膠頭滴管）比底部水平的物體更容易在豎直方向平衡;

4.體積小而均勻的配重效果比大塊配重好，使密度計更容易豎直平衡;

5.密度大的配重（鉛粒）比密度小的配重（砂礫）效果更好，但是成本更高。

根據(jù)他們自己總結(jié)出的結(jié)論，孩子們利用大吸管、小鉛粒、膠頭滴管做出了兩個可以很好豎直漂浮在液體中的半成品（如圖1）。再進(jìn)一步分析比較二者的優(yōu)劣，孩子們又制作出了最終版本。（如圖2）

三、從定性到定量，樹立科學(xué)態(tài)度

這樣的密度計能測量液體的密度嗎？一個完整的測量工具還需要相應(yīng)的刻度，怎樣標(biāo)示刻度？能像彈簧測力計一樣把兩個值之間等分嗎？你能給我們的密度計標(biāo)上刻度嗎？怎樣使你的刻度盡可能準(zhǔn)確呢？

問題拋給學(xué)生，學(xué)生會想要去定位標(biāo)準(zhǔn)的刻度。他們能夠標(biāo)出的第一個刻度值是1.0×103kg/m3，因為水是生活中常見而易得的液體。然后才能想到去標(biāo)示其他的刻度線，孩子們會想到利用密度不同的已知液體多刻制幾條刻度線。教師提問：我們的生活用水密度一定是1.0×103kg/m3嗎？如何獲得密度比水大或比水小的液體呢？獲得這些液體后又怎樣知道他們的準(zhǔn)確密度值呢？孩子們就問題展開討論，油、煤油這樣特殊的液體會被排除在外，不容易獲得也不容易清洗。怎樣尋找容易獲得且能夠改變密度的液體呢？類似鹽水、糖水、酒精摻水自然是最為合適的選擇。選用成品密度計來與自制密度計進(jìn)行對比，從而比較準(zhǔn)確的標(biāo)示出刻度值。這個過程是量化的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，孩子們必須認(rèn)真細(xì)致，尊重事實，積極主動地接受經(jīng)過證實的結(jié)論。這在實驗過程中潛移默化的樹立孩子們的科學(xué)態(tài)度。當(dāng)然，也可以鼓勵孩子們發(fā)散思維，探討其他標(biāo)示刻度的方法。

自制密度計的過程讓學(xué)生深切地感受到了學(xué)習(xí)的樂趣，收獲的快樂和成功的愉悅。其實，每一個實驗都跟著一串問題，不要因為思維活動幾下就停了下來，沒有走到目的地的過程像是一段沒有演奏完的樂章。好的實驗就像投入湖面的小石頭引起的波浪一樣，推動孩子的思維向著更深更廣的方向發(fā)展，將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)科學(xué)的殿堂。雖然現(xiàn)在的教學(xué)條件比以前改善了很多，有了各式各樣的成品教學(xué)儀器，但有些情況下利用身邊隨手可得的物品進(jìn)行實驗探究，可以拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生親切地感受科學(xué)探究的過程。自制教具是實驗教學(xué)的一個有機(jī)組成，事實證明，隨著物理實驗的開展，物理教師們在教育教學(xué)領(lǐng)域中大膽創(chuàng)新，嘗試自制各種測量工具，是促進(jìn)實驗教學(xué)開展的重要方式，它能有效輔助優(yōu)化課堂教學(xué)效果，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合持續(xù)能力和物理核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任荃.中國“牛頓”：“蘋果樹”在哪[N].文匯報，2004-

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