“發現學習”理論在中學物理教學設計中的運用

馬孝忠

“物質的密度”是中學物理最基本、最重要的概念之一.首先， 密度是學生后續學習液體壓強、浮力等知識的基礎；其次，密度是學生涉及的物質的物理屬性，它是用比值法定義的物理量.對于比值定義的物理量，一般比較容易測量，這種教學應以實驗為基礎，采用探究的方式進行設計教學，不僅能調動學生學習的積極性，更重要的是建立密度概念的科學方法對于學生學習物質的其他物理屬性具有代表意義.如何讓學生更好地掌握知識技能和提高科學素養，本文介紹筆者運用“發現學習”理論設計“物質的密度”的教學過程.

1中學物理實驗探究性教學的理論基礎

物理實驗探究性教學首要的理論基礎是布魯納提出的“發現學習”.布魯納發展了杜威教學理論中的積極因素，注意調動學生學習的積極性，通過學生自身的發現、探索活動來掌握知識、發展科研智慧.他認為在教學過程中要有意識地讓學生自己發現問題并尋找答案，從而學會“如何學習”，因此最主要的學習方法是盡可能引導學生自己去發現，通過這種方法加強學生的探究能力是教學過程的核心.他認為在教學過程中，重要的是培養學生學習和探究以及獨立解決問題的態度.而要培養這種探究態度，最重要的條件就是培養學生問題意識和發現意識的喜悅感，樹立對自己能力的信心.“發現學習”較好地體現了學生的主體地位，體現了學生認識過程的性質和特點.由于探究教學強調的是師生共同創設情境，引導學生猜想、發現、探究問題，因而布魯納的“發現學習”理論在物理實驗探究性教學實踐過程中發揮著積極的指導作用.

布魯納將“發現學習”概括為：“以培養探究性思維的方法為目標，以基本教材為內容，使學生通過再發現的步驟來進行的學習”，并進一步提出了運用發現學習的一般步驟：（1）提出要解決或研究的問題，以激起學生探究的需求，明確發現的目標或中心；（2）對所發現的問題，提出解答的假設，指導學生思考的方向，并推測出各種答案；（3）創設特定的問題情境，使學生在這種情境中面臨矛盾，使之產生問題，從而尋求問題的解答；（4）協助學生收集和組織有關資料，使學生能夠運用自己所獲的知識捍衛自己的觀點，提出論據和論證；（5）對爭論和證明作總結，最后得出結論.“發現學習”實質是要求學生在教師的啟發下，讓學生借助教材或教師提供的有關材料親自探索或發現應得出的結論和規律.

2運用“發現學習”理論構建“物質的密度”教學設計

運用“發現學習”理論引導學生借助原認知和實驗進行科學探究，可以清晰地建立密度的概念，從而取得較好的教學效果.以下是筆者運用“發現學習”理論構建的“物質的密度”教學設計.

2.1從生活情境到物理情境——概念的引入

師： 同學們請看展示照片.一張是所有班級的學生在操場上做早操的情景， 一張是少數班級的學生在操場上體育課的情景.比較學生分布的疏密程度.

生： 發現學生的分布有疏密程度的不同.

師： 出示兩個物體.一個是廚房里用來清潔餐具的長方體海綿塊，一個是實驗室里經常用到的長方體木塊.比較物質分布的疏密程度.

生： 發現物質的分布也有疏密程度的不同.

對初學者來說，在形成某個概念的初始階段，教師應該以日常生活中能夠反映概念本質的那些最為樸素的、直觀的經驗事實為基礎，設計貼合學生實際的問題情境，讓學生在運用原認知解決問題的過程中，發現新的問題，從而產生進一步探究的欲望.

2.2從物理情境到方法歸納 —— 概念的建立

師： 體積都是10 cm3的實心銅柱和實心鐵柱，哪個物質分布更密集？并說明理由.

生： 需要比較它們的質量.

師： 用已經調節好平衡的托盤天平比較銅柱和鐵柱的質量大小.

生： 銅柱的物質分布更密集.銅柱和鐵柱體積相同，但銅柱的質量較大.這就說明在相同體積內銅柱所含物質更多.

師： 這是一種怎樣的比較方法？請大家歸納一下.

生： 相同體積比質量，質量越大，物質分布更密集.

師： 質量都是100 g的水和酒精， 誰的物質分布更密集？并說明理由.

生： 需要比較它們的體積.

師： 先用天平和燒杯稱取100 g的水和酒精，然后用量筒測出它們的體積.

生： 水的物質分布更密集.水和酒精質量相同說明它們所含物質的多少是一樣的，但水的體積小.

師： 這是一種怎樣的比較方法？請歸納一下.

生： 相同質量比體積，體積越小，物質分布越密集.

師： 實心物體A的體積為100 cm3質量為790 g；實心物體B的體積為10 cm3，質量為89 g.哪個物質分布更密集？并說明比較方法.

生1：B的物質分布更密集.比較它們質量與體積的比值 ，比值越大說明相同體積質量越大，表示物質分布更密集.

生2：B的物質分布更密集.比較它們體積與質量的比值 ，比值越小說明相同質量體積越小，表示物質分布更密集.

師： 兩位同學的方法都是正確的.求質量與體積的比值，就是利用除法將物體的體積變成一樣，即選擇同樣的體積作為比較疏密程度的標準；求體積與質量的比值，就是利用除法將物體的質量變成一樣，即選擇同樣的質量作為比較疏密程度的標準.所以說，兩種方法的本質思想是一致的.但是，物理上用質量與體積的比值m/V表示物質分布的疏密程度.這是因為，m/V比值越大，物質分布越密集；V/m比值越小，物質分布越密集.也就是說，用質量與體積的m/V表示物質分布的疏密程度更符合人們正常的思維習慣.至此，學生已經比較清晰地知道，為什么要把質量與體積相比.質量與體積比值的形式與密度公式“ρ=m/V”也水到渠成地初步建立了聯系.顯然，學生已成功地初步建立起密度的概念.但是，到目前為止，只能說采用比值的方法可以比較物質的疏密程度，還不能說明該比值就是物質的一種特性.要得出該比值是物質的一種特性這一結論，還必須經歷下一步的實驗探究過程.

3從方法歸納到實驗探究——概念的確立

師： 我們已經知道， 質量與體積的比值mV越大，表示物質分布越密集，那么是否存在質量與體積的比值為定值的情況？也就是說，是否存在物質分布的疏密程度保持不變的情況呢？可以舉例說明.

生1：一滴水、一杯水、一桶水.

生2：一塊橡皮、兩塊橡皮、三塊橡皮.

生3：一枚1元硬幣、兩枚1元硬幣、三枚1元硬幣.

師：橡皮和1元硬幣相比，質量與體積的比值m/V相同嗎？

生：不同吧？

師：如何證明？

生：實驗驗證.學生進行分組實驗，3組測橡皮，3組測一元硬幣，三組測段狀胡蘿卜，用天平測質量，用量筒測體積，每組只需完成1個實驗.

師：將各組數據匯總，引導學生進行數據分析.

生：同種物質的物體，質量與體積的比值相同（或定值）；不同種物質的物體，質量與體積的比值不同.

師：在其他條件一定的情況下，質量與體積的比值由什么決定？

生：由物質的種類決定.

師：現在我們已經知道，同種物質，比值m/V相同，物質分布的疏密程度相同；同種物質，比值m/V不同，物質分布的疏密程度不同.由此可見，比值m/V反映了物質的一種特性，這種特性就是“物質分布的疏密程度”.在物理學上，就把質量與體積的比值定義為“物質的密度”，簡稱“密度”，即ρ=m/V.同學們，物質的密度與物體的質量、體積有關系嗎？

生：密度與質量、體積無關.因為同種物質比值m/V相同，即質量與體積成正比.至此，我們發現了比值m/V更深層次的物理意義——反映了“物質分布的疏密程度”這一特性.此時才給出“密度”的稱謂，充分體現了比值定義物理概念的邏輯要求.為什么要把質量與體積相比？是因為比較物質分布的疏密程度需要統一比較的標準；為什么要把比值m/V定義為密度？是因為在比較的過程中發現了事物的共性（或者說本質屬性）——同種物質疏密程度相同.因此，運用比值法定義能夠揭示物質本質屬性的概念.

4從實驗探究到聯系生活——概念的深化

師： 澳門的總人口約為60萬，地區占地面積約為30 km2；香港的總人口約為710萬，地區占地面積約為1100 km2，比較兩個地區的人口密度大小.

生： 人口密度就是總人口與地區占地面積的比值.通過計算可以發現，澳門的人口密度更大.

比值定義法有著廣泛的日常經驗基礎.這一環節就是要聯系學生最樸素的生活經驗，讓學生經歷由具體到抽象再由抽象到具體的螺旋式上升過程，豐富學生對比值定義法的認識，真正提升其科學素養. 奧蘇貝爾認為，有意義學習就是符號代表的新知識與學習者認知結構中已有的適當觀念建立了非任意的和實質性的聯系.

綜上所述，運用“發現學習”理論，從生活情境到物理情境引入教學，引導學生發現問題；再從物理情境到方法歸納，啟發學生對問題的思考和探究；最后從方法歸納到實驗探究，使學生運用自己所得知識得出結論，從而建立“密度”的概念.整個教學設計中教師扮演學習的促進者角色，不斷地向學生提供問題情境，引導學生對情境發問并搜集答案，同時較好地體現了學生的主體地位.運用“發現學習”理論來驅動課堂的教與學的活動，分層逐步揭示概念背后的本質觀念和科學方法，讓學生在基礎知識和基本技能得到提升的同時獲得物理學科素養的提升，從而具備后續發展的可塑性.