馬孝忠

“物質(zhì)的密度”是中學(xué)物理最基本、最重要的概念之一.首先， 密度是學(xué)生后續(xù)學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)、浮力等知識(shí)的基礎(chǔ)；其次，密度是學(xué)生涉及的物質(zhì)的物理屬性，它是用比值法定義的物理量.對(duì)于比值定義的物理量，一般比較容易測(cè)量，這種教學(xué)應(yīng)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用探究的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)教學(xué)，不僅能調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，更重要的是建立密度概念的科學(xué)方法對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)物質(zhì)的其他物理屬性具有代表意義.如何讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)技能和提高科學(xué)素養(yǎng)，本文介紹筆者運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論設(shè)計(jì)“物質(zhì)的密度”的教學(xué)過(guò)程.

1中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)的理論基礎(chǔ)

物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)首要的理論基礎(chǔ)是布魯納提出的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”.布魯納發(fā)展了杜威教學(xué)理論中的積極因素，注意調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，通過(guò)學(xué)生自身的發(fā)現(xiàn)、探索活動(dòng)來(lái)掌握知識(shí)、發(fā)展科研智慧.他認(rèn)為在教學(xué)過(guò)程中要有意識(shí)地讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并尋找答案，從而學(xué)會(huì)“如何學(xué)習(xí)”，因此最主要的學(xué)習(xí)方法是盡可能引導(dǎo)學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)，通過(guò)這種方法加強(qiáng)學(xué)生的探究能力是教學(xué)過(guò)程的核心.他認(rèn)為在教學(xué)過(guò)程中，重要的是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)和探究以及獨(dú)立解決問(wèn)題的態(tài)度.而要培養(yǎng)這種探究態(tài)度，最重要的條件就是培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題意識(shí)和發(fā)現(xiàn)意識(shí)的喜悅感，樹(shù)立對(duì)自己能力的信心.“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”較好地體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，體現(xiàn)了學(xué)生認(rèn)識(shí)過(guò)程的性質(zhì)和特點(diǎn).由于探究教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是師生共同創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生猜想、發(fā)現(xiàn)、探究問(wèn)題，因而布魯納的“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論在物理實(shí)驗(yàn)探究性教學(xué)實(shí)踐過(guò)程中發(fā)揮著積極的指導(dǎo)作用.

布魯納將“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”概括為：“以培養(yǎng)探究性思維的方法為目標(biāo)，以基本教材為內(nèi)容，使學(xué)生通過(guò)再發(fā)現(xiàn)的步驟來(lái)進(jìn)行的學(xué)習(xí)”，并進(jìn)一步提出了運(yùn)用發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的一般步驟：（1）提出要解決或研究的問(wèn)題，以激起學(xué)生探究的需求，明確發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)或中心；（2）對(duì)所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出解答的假設(shè)，指導(dǎo)學(xué)生思考的方向，并推測(cè)出各種答案；（3）創(chuàng)設(shè)特定的問(wèn)題情境，使學(xué)生在這種情境中面臨矛盾，使之產(chǎn)生問(wèn)題，從而尋求問(wèn)題的解答；（4）協(xié)助學(xué)生收集和組織有關(guān)資料，使學(xué)生能夠運(yùn)用自己所獲的知識(shí)捍衛(wèi)自己的觀點(diǎn)，提出論據(jù)和論證；（5）對(duì)爭(zhēng)論和證明作總結(jié)，最后得出結(jié)論.“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”實(shí)質(zhì)是要求學(xué)生在教師的啟發(fā)下，讓學(xué)生借助教材或教師提供的有關(guān)材料親自探索或發(fā)現(xiàn)應(yīng)得出的結(jié)論和規(guī)律.

2運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論構(gòu)建“物質(zhì)的密度”教學(xué)設(shè)計(jì)

運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論引導(dǎo)學(xué)生借助原認(rèn)知和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究，可以清晰地建立密度的概念，從而取得較好的教學(xué)效果.以下是筆者運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論構(gòu)建的“物質(zhì)的密度”教學(xué)設(shè)計(jì).

2.1從生活情境到物理情境——概念的引入

師： 同學(xué)們請(qǐng)看展示照片.一張是所有班級(jí)的學(xué)生在操場(chǎng)上做早操的情景， 一張是少數(shù)班級(jí)的學(xué)生在操場(chǎng)上體育課的情景.比較學(xué)生分布的疏密程度.

生： 發(fā)現(xiàn)學(xué)生的分布有疏密程度的不同.

師： 出示兩個(gè)物體.一個(gè)是廚房里用來(lái)清潔餐具的長(zhǎng)方體海綿塊，一個(gè)是實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)常用到的長(zhǎng)方體木塊.比較物質(zhì)分布的疏密程度.

生： 發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的分布也有疏密程度的不同.

對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，在形成某個(gè)概念的初始階段，教師應(yīng)該以日常生活中能夠反映概念本質(zhì)的那些最為樸素的、直觀的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)貼合學(xué)生實(shí)際的問(wèn)題情境，讓學(xué)生在運(yùn)用原認(rèn)知解決問(wèn)題的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題，從而產(chǎn)生進(jìn)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(shí)心銅柱和實(shí)心鐵柱，哪個(gè)物質(zhì)分布更密集？并說(shuō)明理由.

生： 需要比較它們的質(zhì)量.

師： 用已經(jīng)調(diào)節(jié)好平衡的托盤(pán)天平比較銅柱和鐵柱的質(zhì)量大小.

生： 銅柱的物質(zhì)分布更密集.銅柱和鐵柱體積相同，但銅柱的質(zhì)量較大.這就說(shuō)明在相同體積內(nèi)銅柱所含物質(zhì)更多.

師： 這是一種怎樣的比較方法？請(qǐng)大家歸納一下.

生： 相同體積比質(zhì)量，質(zhì)量越大，物質(zhì)分布更密集.

師： 質(zhì)量都是100 g的水和酒精， 誰(shuí)的物質(zhì)分布更密集？并說(shuō)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(cè)出它們的體積.

生： 水的物質(zhì)分布更密集.水和酒精質(zhì)量相同說(shuō)明它們所含物質(zhì)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(qǐng)歸納一下.

生： 相同質(zhì)量比體積，體積越小，物質(zhì)分布越密集.

師： 實(shí)心物體A的體積為100 cm3質(zhì)量為790 g；實(shí)心物體B的體積為10 cm3，質(zhì)量為89 g.哪個(gè)物質(zhì)分布更密集？并說(shuō)明比較方法.

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

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

師： 兩位同學(xué)的方法都是正確的.求質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)；求體積與質(zhì)量的比值，就是利用除法將物體的質(zhì)量變成一樣，即選擇同樣的質(zhì)量作為比較疏密程度的標(biāo)準(zhǔn).所以說(shuō)，兩種方法的本質(zhì)思想是一致的.但是，物理上用質(zhì)量與體積的比值m/V表示物質(zhì)分布的疏密程度.這是因?yàn)?，m/V比值越大，物質(zhì)分布越密集；V/m比值越小，物質(zhì)分布越密集.也就是說(shuō)，用質(zhì)量與體積的m/V表示物質(zhì)分布的疏密程度更符合人們正常的思維習(xí)慣.至此，學(xué)生已經(jīng)比較清晰地知道，為什么要把質(zhì)量與體積相比.質(zhì)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(lián)系.顯然，學(xué)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(shuō)采用比值的方法可以比較物質(zhì)的疏密程度，還不能說(shuō)明該比值就是物質(zhì)的一種特性.要得出該比值是物質(zhì)的一種特性這一結(jié)論，還必須經(jīng)歷下一步的實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程.

3從方法歸納到實(shí)驗(yàn)探究——概念的確立

師： 我們已經(jīng)知道， 質(zhì)量與體積的比值mV越大，表示物質(zhì)分布越密集，那么是否存在質(zhì)量與體積的比值為定值的情況？也就是說(shuō)，是否存在物質(zhì)分布的疏密程度保持不變的情況呢？可以舉例說(shuō)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(zhì)量與體積的比值m/V相同嗎？

生：不同吧？

師：如何證明？

生：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，3組測(cè)橡皮，3組測(cè)一元硬幣，三組測(cè)段狀胡蘿卜，用天平測(cè)質(zhì)量，用量筒測(cè)體積，每組只需完成1個(gè)實(shí)驗(yàn).

師：將各組數(shù)據(jù)匯總，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

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

師：在其他條件一定的情況下，質(zhì)量與體積的比值由什么決定？

生：由物質(zhì)的種類決定.

師：現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，同種物質(zhì)，比值m/V相同，物質(zhì)分布的疏密程度相同；同種物質(zhì)，比值m/V不同，物質(zhì)分布的疏密程度不同.由此可見(jiàn)，比值m/V反映了物質(zhì)的一種特性，這種特性就是“物質(zhì)分布的疏密程度”.在物理學(xué)上，就把質(zhì)量與體積的比值定義為“物質(zhì)的密度”，簡(jiǎn)稱“密度”，即ρ=m/V.同學(xué)們，物質(zhì)的密度與物體的質(zhì)量、體積有關(guān)系嗎？

生：密度與質(zhì)量、體積無(wú)關(guān).因?yàn)橥N物質(zhì)比值m/V相同，即質(zhì)量與體積成正比.至此，我們發(fā)現(xiàn)了比值m/V更深層次的物理意義——反映了“物質(zhì)分布的疏密程度”這一特性.此時(shí)才給出“密度”的稱謂，充分體現(xiàn)了比值定義物理概念的邏輯要求.為什么要把質(zhì)量與體積相比？是因?yàn)楸容^物質(zhì)分布的疏密程度需要統(tǒng)一比較的標(biāo)準(zhǔn)；為什么要把比值m/V定義為密度？是因?yàn)樵诒容^的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了事物的共性（或者說(shuō)本質(zhì)屬性）——同種物質(zhì)疏密程度相同.因此，運(yùn)用比值法定義能夠揭示物質(zhì)本質(zhì)屬性的概念.

4從實(shí)驗(yàn)探究到聯(lián)系生活——概念的深化

師： 澳門(mén)的總?cè)丝诩s為60萬(wàn)，地區(qū)占地面積約為30 km2；香港的總?cè)丝诩s為710萬(wàn)，地區(qū)占地面積約為1100 km2，比較兩個(gè)地區(qū)的人口密度大小.

生： 人口密度就是總?cè)丝谂c地區(qū)占地面積的比值.通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，澳門(mén)的人口密度更大.

比值定義法有著廣泛的日常經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ).這一環(huán)節(jié)就是要聯(lián)系學(xué)生最樸素的生活經(jīng)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷由具體到抽象再由抽象到具體的螺旋式上升過(guò)程，豐富學(xué)生對(duì)比值定義法的認(rèn)識(shí)，真正提升其科學(xué)素養(yǎng). 奧蘇貝爾認(rèn)為，有意義學(xué)習(xí)就是符號(hào)代表的新知識(shí)與學(xué)習(xí)者認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的適當(dāng)觀念建立了非任意的和實(shí)質(zhì)性的聯(lián)系.

綜上所述，運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論，從生活情境到物理情境引入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；再?gòu)奈锢砬榫车椒椒w納，啟發(fā)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的思考和探究；最后從方法歸納到實(shí)驗(yàn)探究，使學(xué)生運(yùn)用自己所得知識(shí)得出結(jié)論，從而建立“密度”的概念.整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中教師扮演學(xué)習(xí)的促進(jìn)者角色，不斷地向?qū)W生提供問(wèn)題情境，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)情境發(fā)問(wèn)并搜集答案，同時(shí)較好地體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位.運(yùn)用“發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)”理論來(lái)驅(qū)動(dòng)課堂的教與學(xué)的活動(dòng)，分層逐步揭示概念背后的本質(zhì)觀念和科學(xué)方法，讓學(xué)生在基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能得到提升的同時(shí)獲得物理學(xué)科素養(yǎng)的提升，從而具備后續(xù)發(fā)展的可塑性.