優化實驗設計 使用比值法構建密度的定義概念

江果豐 江 帆

(廣東省廣州市培正中學 511740)

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

比值定義概念在初中物理學習中，是和普通的物理基礎元素定義概念有著本質區別的物理概念.那些能夠通過測量工具直接測量直接得出來的物理量概念，例如長度、時間、溫度、質量等等，由于這些基礎概念在日常生活中隨處可見，測量方法直觀，學生容易理解和接受.但是一些比值定義概念，比如速度、密度、壓強、功率等等，它們的含義來源于幾個概念的特定關聯，不能像基礎概念那樣直接在學生的頭腦中得到直觀的認識和理解，需要在其他幾個概念的相互關系中得出結論.在初中物理教學中，這種比值法定義的物理概念從開始接觸，繼而漸學漸多，這種類型概念的教學，應該如何開展呢？本文以“密度”教學為例，嘗試從優化實驗設計的角度探討一二.

1 書本對于“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，它們的質量并不相同這個例子引入，得到“同一種物質，體積越大，質量越大”的結論.這個結論是不科學、不嚴謹的，至少應該在后面打個問號.特別是在以后的浮力章節的學習環節中，會出現同一種物質組成的各種狀況的實心或者空心的物體，不能再簡單地從體積大小比較同一種物質的質量大小關系.

教材在一開始提出的有待驗證的觀點“同一種物質的質量與它的體積成正比嗎？”這個成正比例關系，在無法確定學生的數學知識有沒有學習掌握到正比例這個環節的情況下，也直接對學習的概念理解造成模糊不清的認知.

教材在設定密度實驗探究的環節，使用的器材是大小不同的若干鋁塊和天平以及直尺.分別用天平測量出這些大小不等的鋁塊的質量，然后用直尺測量出它們的尺寸，用數學公式計算出它們的體積.這樣的實驗設計，使用天平測量鋁塊質量耗費時間，天平的測量結果讀數需要逐一讀取砝碼和游碼，耗時又費力，讀數難度比較大，坐在后面的學生基本上看不清楚老師的操作，也看不清楚讀數.利用直尺測量各種鋁塊的尺寸，然后用數學公式計算出他們的體積，再進行一番單位轉換.在觀看教師進行這種枯燥重復的實驗操作過程中，一般學習程度的學生以及坐在課室中后排的學生已經堅持不下來，失去了好奇心和耐心.更遑論讓學生自己如此這般重復一遍測量工作和紙面上的數學計算，“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.”從物理課堂學習效果來看這句話就是：教師把知識概念生硬直白地灌輸給學生，那是比較淺表的、被動的學習，難以在學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驗讓學生看得見客觀事物的變化現象，思考物象變化背后的隱藏的規律，那么學習效果會好一些.讓學生看著老師操作演示物象的變化，又還比不上學生自己親身動手參與嘗試實踐這些物象變化過程的印象更加感受深刻.

2課堂實驗優化設計

2.1 優化演示實驗的目的

在明確教學內容和教學目標的情況下，基于書本概念闡述以及探究實驗設定的不足之處，對于《密度》這一節的教學，對密度實驗進行了優化改良，力圖彌補書本的概念闡述不清晰之處，簡化實驗探究的繁瑣度，提升時間寶貴的課堂實驗的速度，以及提高探究實驗的可觀性，使得實驗更加易于操作，讀數更加清晰明確，實驗速度更加便捷，實驗數據更為精確.此外，通過改良測量液體密度實驗設計活動，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生.

2.2 改良的實驗器材：天平、電子秤、60毫升的針筒

學生剛學習完質量的概念，會使用天平.但本節為簡化實驗操作過程，把重點放在密度概念的構建上，故在探究密度的實驗中采用電子天平測量物質的質量，替代了操作繁瑣嚴謹又耗時的天平.此外，由于測量固體、液體，甚至是氣體的密度的方法都是必須取得被測量物體的質量和體積，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，加快讀數的精確度和容易度.以求盡快獲得質量和體積的實驗數據進行分析.

2.3 正比例圖像的引入

如果未能確定學生數學上是否已具備正比例函數的相關概念，分析實驗數據時可以采用直觀的動畫演示，以表明同種物質的質量與體積之間的正比例關系.

3 教學過程

3.1 回顧“質量”，承上啟下.設定“懸念”，把質量與體積的概念作為課前復習引入

教師活動 取出兩個外形規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.哪一瓶的質量比較大？

生：300毫升滿瓶水的質量大.

教師活動 分別把滿瓶水和半瓶水放到500克量程的天平上稱量，得出滿瓶水質量大的結果.順便復習了一遍使用天平的規范操作.得出結論，復習質量和體積的關系.

生：同種物質，質量隨著體積增大而增大.

教師活動 取出兩個質量相同、體積相同的鐵球.

師：這是兩個用相同材料金屬鐵做出來的體積一樣大的鐵球.同學們來猜測一下這兩個鐵球的質量大小比較？

生：兩個金屬鐵小球的質量一樣大.

教師活動 分別把兩個一樣體積的金屬鐵小球放到500克量程的天平上稱量，得出兩個體積相同的同種金屬鐵小球質量相同的結果.

生：兩個相同材料相同大小的金屬鐵小球的質量一樣大.

教師活動 取出兩個質量不同的鐵球，一個是實心的大質量小鐵球，一個是空心的小質量大鐵球.

師：這是兩個用相同材料金屬鐵做出來的鐵球.同學們來猜測一下這兩個鐵球的質量大小比較？

生：大鐵球的質量大.

教師活動 分別把兩個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量大的結果.

師：兩個小球的材質相同，為什么會出現這種質量不同的情況？為什么體積大的鐵球反而質量小？

學生活動 討論紛紛.有學生提出大鐵球可能是空心的猜想.

教師活動 取出兩瓶裝在相同規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.事先在瓶子上面標注“A”“B”，但是不告知學生液體成分.

師：同學們來猜測一下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.它們的質量會一樣嗎？

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

師：這兩瓶外觀和體積看起來一樣的液體，它們的質量會蘊含什么特別的秘密呢？為了盡快解決這個疑問，我們來改良一下剛才的實驗條件，力求盡快揭開這個秘密.

概念教學重點并不在于概念的本身，而注重于引導學生構建這個概念的過程，在于引導學生思維的近距離遷移和爬升.概念是需要在感性認識的基礎上產生的.任何學習都要涉及學習者原有的知識結構.學生總是要運用自身的經驗作為背景，來理解和建構新的知識.學生有比較，有疑惑，有經歷，才有感悟.

在學生接觸到“密度”這個全新的概念之前，教師通過設置懸念，從學生已有的知識點切入，逐步爬升進入新的教學情境中.學生發現通過已有的質量和體積的概念的認知，已經不能解決當前所遇到的新問題了.對于當前產生的新疑惑，需要經歷進一步的學習，才能有所收獲有所領悟.這就進入了一個概念學習的建構過程.

3.2 教師演示使用針筒測量液體體積的正確操作，強調注意事項

教師活動 針筒——抽取液體，并同時測量液體的體積.注意提示學生，讀數的時候眼睛和針筒刻度線齊平.

師：讀數單位是什么？提醒學生留意分度值.

生：毫升.

師：毫升和國際單位的對應關系？

教師活動 板書：ml，1ml=1cm3

展示錯誤的操作和圖片(針筒漏氣、有氣泡和讀數視線斜視)

學生活動 指出教師錯誤的操作，表示要避免實驗中因錯誤操作取得錯誤數據.

3.3 教師演示電子秤的正確使用方法

教師活動 電子秤的基本的使用介紹.打開開關，放置，讀數.

電子秤去皮操作介紹：列舉日常生活中，去市場買牛肉的時候，要提醒商家上秤稱量的時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.使用電子秤測量質量m，記錄到預先準備好的數據記錄表中

學生活動 觀察教師演示操作.

教師活動 以質量和體積作為縱橫坐標，描出坐標點，連線，分別畫出A、B液體的質量——體積圖像

3.5 進行學生分組課堂實驗

師：四人一組，半數小組測量對象為液體A，半數為液體B.用針筒抽取不等量的同種液體，記錄其體積V和質量m到數據記錄表中.

學生活動 每組一電子天平、一針筒、一杯液體(A或B)，操作時間5-8分鐘.

有的比值概念可以從其單位反向推導出概念的關系來源，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，由于為了紀念與概念有關的科學家，重新賦予了這些物理概念新的單位名稱，例如壓強(帕斯卡)，功率(瓦特，也就是 焦耳/秒)其本質上還是同一種研究方法而得來.