物理“密度”概念教學(xué)再探析

董慧 曹小利

摘 要：初中物理“密度”概念的學(xué)習(xí)一直是個難題.本文通過對初中生密度概念理解的測試、分析，發(fā)現(xiàn)教師僅采用“探究質(zhì)量與體積的關(guān)系”這種量化的方式建立密度概念，不足以使學(xué)生理解密度的內(nèi)涵.本文結(jié)合物理概念形成條件和建構(gòu)主義理論觀點，分析學(xué)生理解困難的原因，并基于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，采用定性和定量研究相結(jié)合的方法，對課堂教學(xué)實施和教材修訂提出具體的建議.

關(guān)鍵詞：密度;概念理解;概念教學(xué)

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）20-0012-03

作者簡介：董慧（1982-），女，河南南陽人，博士，研究方向：物理課程與教學(xué)理論研究;

曹小利（1986-），女，河南鄭州人，碩士，中學(xué)二級教師，研究方向：中學(xué)物理課堂教學(xué)研究.

初中物理密度概念是物理學(xué)中的重要概念，因其比較抽象，學(xué)生學(xué)習(xí)起來相當(dāng)困難，不少物理教師困惑于尋找合適的方法幫助學(xué)生理解.且一直以來，該概念的教學(xué)方式單一，有不少學(xué)者也從不同視角、不同的“切入點”展開詳盡的分析，但基本都是按照教材安排，采用定量研究的方法，探究質(zhì)量與體積的關(guān)系，建立密度概念.而筆者認為，物理初學(xué)者對新知識的建構(gòu)多以生活經(jīng)驗和對世界的感知為基礎(chǔ)，教師僅采用定量研究的方法不足以讓學(xué)生理解密度的內(nèi)涵，因此，本文從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)入手，采用定量和定性研究相結(jié)合的方法對此進一步探索.

1 初中生對“密度”概念理解偏誤的測試

1.1 對“密度”概念理解的兩個偏誤

筆者對鄭州市某中學(xué)（成績在鄭州市排名中等偏上）八年級三個班共160名學(xué)生進行課后測試，結(jié)果（見表1）顯示學(xué)生對密度概念的理解存在兩個問題：不能正確理解“密度、質(zhì)量、體積”三者之間的關(guān)系;不能正確分析“物質(zhì)密度大小的變化”.

1.2 理解偏誤的主要原因

1.2.1 探究實驗中，“質(zhì)量和體積”兩物理量“干擾”學(xué)生對密度內(nèi)涵的理解

教材按照“提出問題—實驗探究—得出結(jié)論—給出概念”的思路安排教學(xué).（教師按此安排授課）探究“物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系”得出結(jié)論并給出密度概念和計算公式[1]，如圖1所示.

此過程用量化的方式探究“質(zhì)量與體積的比值是不是定值”，看似直觀、邏輯清晰，但學(xué)生在對密度性質(zhì)的理解中，質(zhì)量、體積兩物理量也有干擾作用.學(xué)生疑惑：通過探究質(zhì)量、體積的關(guān)系而得的密度概念，怎么又與二者無關(guān)？同時，對于八年級學(xué)生而言，僅根據(jù)“同與不同”理解“物質(zhì)的屬性”有一定難度.可見，教師僅采用定量研究還不能使學(xué)生正確清晰地理解密度概念.

1.2.2 “利用公式分析、推斷”，對八年級學(xué)生的認知要求偏高

教材在“質(zhì)量與密度”這一章的最后一節(jié)“密度與社會生活”中，采用“想想議議”的形式，通過兩個小實驗解釋“溫度能夠改變物質(zhì)的密度”，并得出結(jié)論（見表2）且推廣至固體、液體[2].

根據(jù)布盧姆的教育目標分類學(xué)，對“利用公式分析推斷”屬于認知過程維度中“應(yīng)用、分析”層次，超出“理解”的認知要求.筆者曾在課上對此問題做過調(diào)查，問：橡皮膜為什么會凸起來？答：因為體積變大了.追問：密度如何變化？學(xué)生疑惑：不變？引導(dǎo)：試著用我們學(xué)過的密度公式來分析.學(xué)生一臉迷茫.可見，對八年級學(xué)生而言，“利用公式分析推斷”的認知要求偏高，且不易想到.

2 “密度”概念教學(xué)方式選擇的理論分析

物理概念是客觀事物的共同屬性和本質(zhì)特征在人腦中的反映，是物理事物的抽象，是觀察、實驗和思維相結(jié)合的產(chǎn)物[3].物理概念的建立需要明確“事物的共同屬性和本質(zhì)特征”，并通過觀察、實驗和思維相結(jié)合，從感性認識上升到理性認識.在建立密度概念的過程中，學(xué)生要有“微粒（分子或原子）”和“疏密”的感性認識，從而獲得“密度”的感性認識，進而明確“密度”的本質(zhì)屬性，理解概念的內(nèi)涵和外延.

2.1 利用先擁經(jīng)驗，獲得對密度的感性認識

密度是“對特定體積內(nèi)質(zhì)量的度量”，即物質(zhì)單位體積內(nèi)的質(zhì)量[4].物質(zhì)由粒子（分子或原子）組成，則物體的質(zhì)量就是其所含粒子的總質(zhì)量，受“粒子數(shù)量和其自身質(zhì)量”影響，又因粒子自身質(zhì)量很?。ú煌镔|(zhì)間相差不大），所以物體的質(zhì)量主要受“粒子數(shù)量”影響.牛頓在《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》[5]中也明確定義了物體的靜質(zhì)量，即質(zhì)量是“物質(zhì)之量”，并指出“物體的體積越大，所包含的粒子數(shù)越多，其質(zhì)量就越大”，由此可見，物質(zhì)的質(zhì)量主要受“組成物質(zhì)的粒子的數(shù)量”影響.而在單位體積內(nèi)，粒子間距決定粒子的數(shù)量，間距大，數(shù)量小，間距小，則數(shù)量大.因此，物質(zhì)的密度主要受“粒子間距”影響，即物質(zhì)的密度反映“粒子間的疏密程度”.

而學(xué)生在日常生活經(jīng)驗中已對物體的“疏密程度”具有清晰的認知，很容易理解“疏密程度”這一詞匯的涵義，因此，教師在教學(xué)中應(yīng)充分利用學(xué)生這一“先擁經(jīng)驗”，使學(xué)生在了解“微?！边@一微觀概念的基礎(chǔ)上，獲得對微?！笆杳艹潭取钡母行哉J識.

2.2 實現(xiàn)“觀察、實驗與思維”相結(jié)合，促進密度概念從感性認識上升到理性認識

概念是思維的一種表現(xiàn)形式，思維加工是概念形成的主要活動，感性認識是思維加工的基礎(chǔ).而思維加工是一個及其復(fù)雜的過程，需要學(xué)生在觀察、實驗的過程中感知，獲得感性認識，再經(jīng)探究、實驗等手段，實現(xiàn)從感性認識向理性認識的飛躍，此過程中，刺激、引導(dǎo)學(xué)生進行有效的思維加工是關(guān)鍵.因此，教師在教學(xué)中應(yīng)當(dāng)創(chuàng)設(shè)適當(dāng)?shù)膯栴}情景，采用觀察、實驗、探究等多種手段，多種研究方法相結(jié)合，刺激學(xué)生的思維，促進密度概念從感性認識上升到理性認識.

3 對課堂教學(xué)的實施建議

依據(jù)以上測試及分析，本文對此概念教學(xué)提出不同的視角——從物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)入手，感知密度;定量研究與定性分析相結(jié)合，理解密度.教學(xué)思路如圖2所示.

3.1 獲得感性認識：呈現(xiàn)物質(zhì)內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)圖，幫助學(xué)生獲得密度的感性認識

呈現(xiàn)放大倍數(shù)相同的兩種物質(zhì)（木塊和鋁塊）的內(nèi)部微粒結(jié)構(gòu)圖（可以在教材上呈現(xiàn)，也可以是授課教師在課堂上采用PPT的形式呈現(xiàn)），引導(dǎo)學(xué)生觀察不同物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，并結(jié)合日常生活中的“先擁經(jīng)驗”（對“疏密程度”的認識）獲得對物質(zhì)密度的感性認識.用此方式引入“密度的大小”，直觀、形象地展示物質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)：對于不同的物質(zhì)，組成該物質(zhì)內(nèi)部的微粒間距不同，其實質(zhì)是密度大小不同.

有了對密度的感性認識，即明白“密度的大小與組成物質(zhì)粒子間的疏密程度有關(guān)”，因此，外界環(huán)境條件不變，粒子間的疏密程度則不會改變，密度大小也不改變，從而澄清“密度大小與其自身質(zhì)量和體積”無關(guān)，與“外界環(huán)境條件”有關(guān).而什么因素會影響粒子間距？“外界環(huán)境條件”具體指什么呢？聯(lián)系分子熱運動相關(guān)知識進一步探討，該問題不難理解，這樣從定性的角度解決“影響密度大小的因素”是外界環(huán)境條件，而非質(zhì)量、體積.因此，密度是物質(zhì)的一種特性，大小與其質(zhì)量和體積無關(guān).

依據(jù)對密度的感性認識可進一步分析：密度小的物質(zhì)，其粒子間距大，相同體積內(nèi)粒子數(shù)量少，質(zhì)量就小;反之，質(zhì)量大.可見：物質(zhì)質(zhì)量和體積的大小受其自身密度大小的影響，即體積相同的不同物體，密度小的質(zhì)量小，密度大的質(zhì)量大;相同質(zhì)量的不同物體，密度小的體積大，密度大的體積小.

此環(huán)節(jié)，學(xué)生觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合“先擁經(jīng)驗”，獲得密度的感性認識，為獲得密度的理性認識奠定基礎(chǔ).其中，明白“密度的內(nèi)涵指粒子間的疏密程度”是理解密度概念的關(guān)鍵.

3.2 學(xué)生在問題情境中作定性分析（探究“物體質(zhì)量和體積的大小”與“物質(zhì)的密度”的關(guān)系），進一步理解密度的概念

在科學(xué)課堂上，學(xué)生總是答錯“棉花與鐵哪個重”的問題，仔細分析其原因，在學(xué)生的直覺中，根據(jù)先擁經(jīng)驗，已經(jīng)有“物體的‘輕‘重與物質(zhì)的某種特性有關(guān)”的意識，但疑惑于內(nèi)在實質(zhì).筆者曾在“密度”課前做過測試，問：1千克棉花和1千克鐵哪個重？部分學(xué)生毫不猶豫地回答：當(dāng)然是鐵重.追問：怎么理解？回答：鐵的密度大（通過預(yù)習(xí)，知道了密度）.追問：你的意思是“因為鐵的密度比棉花的密度大，所以鐵的質(zhì)量大”嘍？回答：是的.可見，學(xué)生認為“物體的質(zhì)量大”是因為該物質(zhì)的密度大，可以看出他們已有“物體質(zhì)量的大小與其密度有關(guān)”的意識，但沒有統(tǒng)一的比較標準（控制變量）.

教師在教學(xué)中，需要將問題放入真實情景中.利用上述呈現(xiàn)粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的兩種物質(zhì)，提出問題：體積相同時（體積相同的木塊和鋁塊），誰的質(zhì)量大？該問題強調(diào)兩種物質(zhì)的密度已知且不變，“體積相同”統(tǒng)一了比較標準.學(xué)生經(jīng)過猜想、探究實驗（如圖3所示），得出結(jié)論：相同體積的不同物體，粒子間距大的物體質(zhì)量小，粒子間距小的物體質(zhì)量大.

進一步提問：若使二者質(zhì)量一樣大，需要怎樣操作？該問題同樣強調(diào)兩種物質(zhì)的密度已知且不變，探究與操作也很簡單，只需一架天平，左盤放一個鋁塊（密度大約2.7g/cm3），右盤中放入合適數(shù)量的木塊，使天平平衡，大約五個木塊（密度大約0.54g/cm3）與一個鋁塊質(zhì)量相同（如圖4所示），可以直觀地發(fā)現(xiàn)：相同質(zhì)量的不同物質(zhì)，粒子間距大的體積大，粒子間距小的體積小.

以上兩個問題及實驗，都強調(diào)兩種物質(zhì)的密度已知且不變，而質(zhì)量和體積會因密度的不同而變化，即：體積相同時，物質(zhì)密度大的質(zhì)量大;質(zhì)量相同時，物質(zhì)密度大的體積小;而對于同種物質(zhì)，質(zhì)量增加，是因為體積增大，而非密度變化（同種物質(zhì)，質(zhì)量隨體積的變化而變化，體積隨質(zhì)量的變化而變化）.同時，也走出上述問題中“‘物體的質(zhì)量大一定是因為該物質(zhì)的密度大”的誤區(qū)，進而排除“輕”“重”問題對學(xué)生的困擾.

3.3 學(xué)生通過定量研究（探究物質(zhì)的質(zhì)量與體積的關(guān)系），實現(xiàn)從感性認識上升到理性認識，形成密度的概念

概念是對感性材料抽象概括的結(jié)果，是理性認識的開始.學(xué)生要形成概念，就要從對密度的感性認識上升到理性認識.在上述對密度的定性研究中，學(xué)生已有“同種物質(zhì)的密度是定值，不同物質(zhì)的密度不同”的感性認識，現(xiàn)需采用定量研究將其驗證，筆者用鋁塊和木塊按教材的安排實施探究實驗，用“量”的研究驗證“質(zhì)”的分析，進一步理解密度.除此之外還需引導(dǎo)學(xué)生特別關(guān)注：同種物質(zhì)，當(dāng)質(zhì)量增大時，體積隨之增大;當(dāng)體積增大時，質(zhì)量也隨之增大，而質(zhì)量與體積的比值（密度）始終不變.即“同種物質(zhì)，質(zhì)量變化是因為體積的變化，體積變化是因為質(zhì)量的變化，而密度始終不變”，強調(diào)密度的大小與其質(zhì)量和體積無關(guān).同時采用比值定義法總結(jié)出密度的定義及表達式.

4 對教材修訂的建議

在不影響教材整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合密度概念的教學(xué)建議，筆者對教材修訂提出兩點具體的建議.

4.1 “質(zhì)量”概念之后添加“物質(zhì)構(gòu)成”的相關(guān)內(nèi)容

在以上教學(xué)方式選擇中，要使學(xué)生獲得對密度的感性認識，需先了解微觀粒子的相關(guān)知識（如：物質(zhì)的組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等），因此，“物質(zhì)的構(gòu)成”應(yīng)在“質(zhì)量”一節(jié)中簡單介紹，可作為“小資料”內(nèi)容.即人教版義務(wù)教育教科書（2012年版）物理九年級中的第一章第一節(jié)的第一部分“物質(zhì)的構(gòu)成”的第一段，可作為“小資料”內(nèi)容，安排在“質(zhì)量”一節(jié)中“質(zhì)量”概念之后，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)密度之前明白“物質(zhì)的組成”，為獲得密度的感性認識奠定基礎(chǔ)，同時也對質(zhì)量的概念形成了更深的認識.

4.2 “密度與社會生活”安排在“測量物質(zhì)的密度”之前，“密度”之后

學(xué)生在密度概念的學(xué)習(xí)之后，緊接著學(xué)習(xí)密度的簡單應(yīng)用（“密度與社會生活”），趁熱打鐵，有利于對密度概念更深的理解.學(xué)生在了解“物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)”之后，可以從微觀的角度解釋實驗現(xiàn)象，更好地解釋“密度與社會生活”中的演示實驗，理解“溫度改變物質(zhì)的密度”這一性質(zhì)的實質(zhì).因此，“密度與社會生活”的內(nèi)容應(yīng)安排在“測量物質(zhì)的密度”之前，“密度”之后，即：“質(zhì)量與密度”這一章的第4節(jié)與第3節(jié)調(diào)換位置.

參考文獻：

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[5]劉紫微，魏舜芷，陳剛.基于學(xué)習(xí)心理學(xué)視角分析“密度”教學(xué)的引入方式[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（21）：34-36.