優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 使用比值法構(gòu)建密度的定義概念

江果豐 江 帆

(廣東省廣州市培正中學(xué) 511740)

比值定義概念，又叫屬性定義法概念，它是指概念本身，是在其他幾個(gè)概念的相互關(guān)系中得出的結(jié)論.該概念本身包含了另外幾個(gè)概念的特性，同時(shí)又反映了事物本身所具有的不同于其他物質(zhì)的特性.

比值定義概念在初中物理學(xué)習(xí)中，是和普通的物理基礎(chǔ)元素定義概念有著本質(zhì)區(qū)別的物理概念.那些能夠通過測(cè)量工具直接測(cè)量直接得出來的物理量概念，例如長度、時(shí)間、溫度、質(zhì)量等等，由于這些基礎(chǔ)概念在日常生活中隨處可見，測(cè)量方法直觀，學(xué)生容易理解和接受.但是一些比值定義概念，比如速度、密度、壓強(qiáng)、功率等等，它們的含義來源于幾個(gè)概念的特定關(guān)聯(lián)，不能像基礎(chǔ)概念那樣直接在學(xué)生的頭腦中得到直觀的認(rèn)識(shí)和理解，需要在其他幾個(gè)概念的相互關(guān)系中得出結(jié)論.在初中物理教學(xué)中，這種比值法定義的物理概念從開始接觸，繼而漸學(xué)漸多，這種類型概念的教學(xué)，應(yīng)該如何開展呢？本文以“密度”教學(xué)為例，嘗試從優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度探討一二.

1 書本對(duì)于“密度”概念的闡述的不足之處

教材從體積相同的木塊、鋁塊和鐵塊，它們的質(zhì)量并不相同這個(gè)例子引入，得到“同一種物質(zhì)，體積越大，質(zhì)量越大”的結(jié)論.這個(gè)結(jié)論是不科學(xué)、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?，至少?yīng)該在后面打個(gè)問號(hào).特別是在以后的浮力章節(jié)的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，會(huì)出現(xiàn)同一種物質(zhì)組成的各種狀況的實(shí)心或者空心的物體，不能再簡單地從體積大小比較同一種物質(zhì)的質(zhì)量大小關(guān)系.

教材在一開始提出的有待驗(yàn)證的觀點(diǎn)“同一種物質(zhì)的質(zhì)量與它的體積成正比嗎？”這個(gè)成正比例關(guān)系，在無法確定學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)有沒有學(xué)習(xí)掌握到正比例這個(gè)環(huán)節(jié)的情況下，也直接對(duì)學(xué)習(xí)的概念理解造成模糊不清的認(rèn)知.

教材在設(shè)定密度實(shí)驗(yàn)探究的環(huán)節(jié)，使用的器材是大小不同的若干鋁塊和天平以及直尺.分別用天平測(cè)量出這些大小不等的鋁塊的質(zhì)量，然后用直尺測(cè)量出它們的尺寸，用數(shù)學(xué)公式計(jì)算出它們的體積.這樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用天平測(cè)量鋁塊質(zhì)量耗費(fèi)時(shí)間，天平的測(cè)量結(jié)果讀數(shù)需要逐一讀取砝碼和游碼，耗時(shí)又費(fèi)力，讀數(shù)難度比較大，坐在后面的學(xué)生基本上看不清楚老師的操作，也看不清楚讀數(shù).利用直尺測(cè)量各種鋁塊的尺寸，然后用數(shù)學(xué)公式計(jì)算出他們的體積，再進(jìn)行一番單位轉(zhuǎn)換.在觀看教師進(jìn)行這種枯燥重復(fù)的實(shí)驗(yàn)操作過程中，一般學(xué)習(xí)程度的學(xué)生以及坐在課室中后排的學(xué)生已經(jīng)堅(jiān)持不下來，失去了好奇心和耐心.更遑論讓學(xué)生自己如此這般重復(fù)一遍測(cè)量工作和紙面上的數(shù)學(xué)計(jì)算，“探究”一番了.

我國古代思想家荀子說過：“聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之.”從物理課堂學(xué)習(xí)效果來看這句話就是：教師把知識(shí)概念生硬直白地灌輸給學(xué)生，那是比較淺表的、被動(dòng)的學(xué)習(xí)，難以在學(xué)生的腦海留下深刻的印象和情感共鳴，如果能有精彩的演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生看得見客觀事物的變化現(xiàn)象，思考物象變化背后的隱藏的規(guī)律，那么學(xué)習(xí)效果會(huì)好一些.讓學(xué)生看著老師操作演示物象的變化，又還比不上學(xué)生自己親身動(dòng)手參與嘗試實(shí)踐這些物象變化過程的印象更加感受深刻.

2課堂實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化演示實(shí)驗(yàn)的目的

在明確教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)的情況下，基于書本概念闡述以及探究實(shí)驗(yàn)設(shè)定的不足之處，對(duì)于《密度》這一節(jié)的教學(xué)，對(duì)密度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了優(yōu)化改良，力圖彌補(bǔ)書本的概念闡述不清晰之處，簡化實(shí)驗(yàn)探究的繁瑣度，提升時(shí)間寶貴的課堂實(shí)驗(yàn)的速度，以及提高探究實(shí)驗(yàn)的可觀性，使得實(shí)驗(yàn)更加易于操作，讀數(shù)更加清晰明確，實(shí)驗(yàn)速度更加便捷，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為精確.此外，通過改良測(cè)量液體密度實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活動(dòng)，在正比例圖像中詮釋密度的比值概念.把物理課堂中比值概念這一新鮮的物理量和圖像研究方法帶給初中學(xué)生.

2.2 改良的實(shí)驗(yàn)器材：天平、電子秤、60毫升的針筒

學(xué)生剛學(xué)習(xí)完質(zhì)量的概念，會(huì)使用天平.但本節(jié)為簡化實(shí)驗(yàn)操作過程，把重點(diǎn)放在密度概念的構(gòu)建上，故在探究密度的實(shí)驗(yàn)中采用電子天平測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量，替代了操作繁瑣嚴(yán)謹(jǐn)又耗時(shí)的天平.此外，由于測(cè)量固體、液體，甚至是氣體的密度的方法都是必須取得被測(cè)量物體的質(zhì)量和體積，我們采用液體替代書本的鋁塊，用針筒直接抽取所需液體的體積，加快讀數(shù)的精確度和容易度.以求盡快獲得質(zhì)量和體積的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

2.3 正比例圖像的引入

如果未能確定學(xué)生數(shù)學(xué)上是否已具備正比例函數(shù)的相關(guān)概念，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可以采用直觀的動(dòng)畫演示，以表明同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積之間的正比例關(guān)系.

3 教學(xué)過程

3.1 回顧“質(zhì)量”，承上啟下.設(shè)定“懸念”，把質(zhì)量與體積的概念作為課前復(fù)習(xí)引入

教師活動(dòng) 取出兩個(gè)外形規(guī)格完全相同的礦泉水瓶子.甲瓶里面裝有一整瓶水，大概300毫升.乙瓶里面裝有半瓶水.大概150毫升.

師：同學(xué)們來看看這兩瓶水，甲瓶的體積是300毫升，乙瓶的體積是150毫升.哪一瓶的質(zhì)量比較大？

生：300毫升滿瓶水的質(zhì)量大.

教師活動(dòng) 分別把滿瓶水和半瓶水放到500克量程的天平上稱量，得出滿瓶水質(zhì)量大的結(jié)果.順便復(fù)習(xí)了一遍使用天平的規(guī)范操作.得出結(jié)論，復(fù)習(xí)質(zhì)量和體積的關(guān)系.

生：同種物質(zhì)，質(zhì)量隨著體積增大而增大.

教師活動(dòng) 取出兩個(gè)質(zhì)量相同、體積相同的鐵球.

師：這是兩個(gè)用相同材料金屬鐵做出來的體積一樣大的鐵球.同學(xué)們來猜測(cè)一下這兩個(gè)鐵球的質(zhì)量大小比較？

生：兩個(gè)金屬鐵小球的質(zhì)量一樣大.

教師活動(dòng) 分別把兩個(gè)一樣體積的金屬鐵小球放到500克量程的天平上稱量，得出兩個(gè)體積相同的同種金屬鐵小球質(zhì)量相同的結(jié)果.

生：兩個(gè)相同材料相同大小的金屬鐵小球的質(zhì)量一樣大.

教師活動(dòng) 取出兩個(gè)質(zhì)量不同的鐵球，一個(gè)是實(shí)心的大質(zhì)量小鐵球，一個(gè)是空心的小質(zhì)量大鐵球.

師：這是兩個(gè)用相同材料金屬鐵做出來的鐵球.同學(xué)們來猜測(cè)一下這兩個(gè)鐵球的質(zhì)量大小比較？

生：大鐵球的質(zhì)量大.

教師活動(dòng) 分別把兩個(gè)不一樣體積的金屬鐵小球放到500克量程的天平上稱量，得出小體積的金屬鐵小球質(zhì)量大的結(jié)果.

師：兩個(gè)小球的材質(zhì)相同，為什么會(huì)出現(xiàn)這種質(zhì)量不同的情況？為什么體積大的鐵球反而質(zhì)量??？

學(xué)生活動(dòng) 討論紛紛.有學(xué)生提出大鐵球可能是空心的猜想.

教師活動(dòng) 取出兩瓶裝在相同規(guī)格透明礦泉水瓶子里的、體積一致是150毫升的A溶液濃鹽水和B溶液95%酒精.事先在瓶子上面標(biāo)注“A”“B”，但是不告知學(xué)生液體成分.

師：同學(xué)們來猜測(cè)一下A與B這兩瓶溶液，它們看起來外觀一樣，它們的體積也是一樣的150毫升.它們的質(zhì)量會(huì)一樣嗎？

學(xué)生活動(dòng) 由于有了剛才大小鐵球的質(zhì)量比較，學(xué)生意識(shí)到不能只從表面的體積大小判別出質(zhì)量大小，于是又議論紛紛.

師：這兩瓶外觀和體積看起來一樣的液體，它們的質(zhì)量會(huì)蘊(yùn)含什么特別的秘密呢？為了盡快解決這個(gè)疑問，我們來改良一下剛才的實(shí)驗(yàn)條件，力求盡快揭開這個(gè)秘密.

概念教學(xué)重點(diǎn)并不在于概念的本身，而注重于引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建這個(gè)概念的過程，在于引導(dǎo)學(xué)生思維的近距離遷移和爬升.概念是需要在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的.任何學(xué)習(xí)都要涉及學(xué)習(xí)者原有的知識(shí)結(jié)構(gòu).學(xué)生總是要運(yùn)用自身的經(jīng)驗(yàn)作為背景，來理解和建構(gòu)新的知識(shí).學(xué)生有比較，有疑惑，有經(jīng)歷，才有感悟.

在學(xué)生接觸到“密度”這個(gè)全新的概念之前，教師通過設(shè)置懸念，從學(xué)生已有的知識(shí)點(diǎn)切入，逐步爬升進(jìn)入新的教學(xué)情境中.學(xué)生發(fā)現(xiàn)通過已有的質(zhì)量和體積的概念的認(rèn)知，已經(jīng)不能解決當(dāng)前所遇到的新問題了.對(duì)于當(dāng)前產(chǎn)生的新疑惑，需要經(jīng)歷進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，才能有所收獲有所領(lǐng)悟.這就進(jìn)入了一個(gè)概念學(xué)習(xí)的建構(gòu)過程.

3.2 教師演示使用針筒測(cè)量液體體積的正確操作，強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)

教師活動(dòng) 針筒——抽取液體，并同時(shí)測(cè)量液體的體積.注意提示學(xué)生，讀數(shù)的時(shí)候眼睛和針筒刻度線齊平.

師：讀數(shù)單位是什么？提醒學(xué)生留意分度值.

生：毫升.

師：毫升和國際單位的對(duì)應(yīng)關(guān)系？

教師活動(dòng) 板書：ml，1ml=1cm3

展示錯(cuò)誤的操作和圖片(針筒漏氣、有氣泡和讀數(shù)視線斜視)

學(xué)生活動(dòng) 指出教師錯(cuò)誤的操作，表示要避免實(shí)驗(yàn)中因錯(cuò)誤操作取得錯(cuò)誤數(shù)據(jù).

3.3 教師演示電子秤的正確使用方法

教師活動(dòng) 電子秤的基本的使用介紹.打開開關(guān)，放置，讀數(shù).

電子秤去皮操作介紹：列舉日常生活中，去市場(chǎng)買牛肉的時(shí)候，要提醒商家上秤稱量的時(shí)候去除外包裝盒子的重量.

3.4 教師用針筒抽取不等量的同種液體，記錄其體積V.使用電子秤測(cè)量質(zhì)量m，記錄到預(yù)先準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)記錄表中

學(xué)生活動(dòng) 觀察教師演示操作.

教師活動(dòng) 以質(zhì)量和體積作為縱橫坐標(biāo)，描出坐標(biāo)點(diǎn)，連線，分別畫出A、B液體的質(zhì)量——體積圖像

3.5 進(jìn)行學(xué)生分組課堂實(shí)驗(yàn)

師：四人一組，半數(shù)小組測(cè)量對(duì)象為液體A，半數(shù)為液體B.用針筒抽取不等量的同種液體，記錄其體積V和質(zhì)量m到數(shù)據(jù)記錄表中.

學(xué)生活動(dòng) 每組一電子天平、一針筒、一杯液體(A或B)，操作時(shí)間5-8分鐘.

有的比值概念可以從其單位反向推導(dǎo)出概念的關(guān)系來源，例如密度(千克/立方米)(克/立方厘米)，速度(米/秒).有的概念雖然也是通過比值法詮釋而來，由于為了紀(jì)念與概念有關(guān)的科學(xué)家，重新賦予了這些物理概念新的單位名稱，例如壓強(qiáng)(帕斯卡)，功率(瓦特，也就是 焦耳/秒)其本質(zhì)上還是同一種研究方法而得來.