基于發(fā)展科學(xué)思維的物理教學(xué)實(shí)踐研究*
——以“自制密度計(jì)”教學(xué)為例

何 靜

(北京大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

隨著《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》的頒布,首次提出把促進(jìn)學(xué)生“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展作為初中物理課程目標(biāo),這也對教師的教學(xué)方式提出了新要求.科學(xué)思維是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式;是建構(gòu)物理模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同信息、觀點(diǎn)和結(jié)論進(jìn)行質(zhì)疑和批判,予以檢驗(yàn)和修正,進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的品格與能力.

本文以“自制密度計(jì)”這節(jié)課為例,探討通過創(chuàng)設(shè)問題情境、制作密度計(jì)、開展科學(xué)探究、推理論證提高密度計(jì)測量精度的方法,總結(jié)歸納密度計(jì)制作和改進(jìn)的全過程,遷移應(yīng)用到把彈簧測力計(jì)改裝成密度計(jì)等環(huán)節(jié),力圖在初中物理課堂教學(xué)中發(fā)展學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等科學(xué)思維.

1 教學(xué)思想與創(chuàng)新點(diǎn)

1.1 設(shè)計(jì)真實(shí)學(xué)習(xí)情境 激發(fā)高水平問題

從“為遷移而教”的觀點(diǎn)來看,包括創(chuàng)新素養(yǎng)在內(nèi)的整個核心素養(yǎng)的教學(xué),都應(yīng)該高度重視情境學(xué)習(xí),將學(xué)生置于真正的情境中,基于現(xiàn)實(shí)世界的真實(shí)任務(wù)進(jìn)行學(xué)習(xí),讓他們把知識與真實(shí)的、現(xiàn)實(shí)的情境連接起來,有效解決真實(shí)任務(wù).基于此,筆者嘗試在教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐中,選擇鑒別兩瓶標(biāo)簽?zāi)：磺宓捏w積分?jǐn)?shù)為50%和75%的酒精這種學(xué)生熟悉的生活情境,讓學(xué)生認(rèn)識到物理就在身邊,嘗試用物理的視角去認(rèn)識身邊的事物.酒精消毒液是家庭、學(xué)校必備品,對于不同濃度酒精的應(yīng)用,學(xué)生較為熟悉,但未從物理學(xué)科的角度去思考兩種濃度不同的酒精其本質(zhì)的不同是什么.如何鑒別呢?這樣的真實(shí)情境,對學(xué)生的思維有很強(qiáng)的驅(qū)動性,可引發(fā)高水平思考.

1.2 親身經(jīng)歷儀器的制作過程 發(fā)展科學(xué)思維能力

讓學(xué)生重演儀器發(fā)明的過程,依據(jù)儀器的核心原理和技術(shù)需要,把儀器的結(jié)構(gòu)部件逐步“構(gòu)造”出來.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)更符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律,利于發(fā)展學(xué)生的高階思維.基于此,筆者嘗試在教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐中,讓學(xué)生經(jīng)歷制作簡易密度計(jì)的全過程,不同的過程對培養(yǎng)學(xué)生高階思維的側(cè)重點(diǎn)也不同.在這個過程中設(shè)計(jì)一系列進(jìn)階式學(xué)習(xí)任務(wù),引發(fā)學(xué)生深度思考.鼓勵學(xué)生自主設(shè)計(jì),引導(dǎo)學(xué)生思考細(xì)鐵絲纏繞的形狀是否對測量密度有影響從而建立圓柱體密度計(jì)模型.制作完成后,引導(dǎo)學(xué)生從溫度計(jì)的刻度標(biāo)定方法,遷移思考如何標(biāo)定密度計(jì)的刻度.學(xué)生經(jīng)歷先實(shí)驗(yàn)探究,后理論分析,再根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行科學(xué)推理,結(jié)合已有知識進(jìn)行科學(xué)論證.標(biāo)定刻度后再使用密度計(jì)鑒別液體,在實(shí)際測量時(shí)發(fā)現(xiàn)還要考慮密度計(jì)的精確度.學(xué)生再通過動手實(shí)驗(yàn)探究結(jié)合推理論證找到提高密度計(jì)精確度的方法,進(jìn)一步改進(jìn)密度計(jì).在課程的最后,從原理-刻度標(biāo)定方法-提高精度的分析方法,總結(jié)密度計(jì)的制作過程,這不僅是密度計(jì)的制作方法,更是大部分物理儀器的生產(chǎn)制造過程.引導(dǎo)學(xué)生從個別到一般的提升,再進(jìn)一步遷移應(yīng)用.提出新的進(jìn)階任務(wù)——如何使用彈簧測力計(jì)制作密度計(jì),讓學(xué)生不斷體會創(chuàng)新的過程.密度計(jì)制作流程如圖1所示.

圖1 密度計(jì)制作流程

2 教學(xué)目標(biāo)

(1)通過制作簡易密度計(jì)比較A、B兩種液體的密度,培養(yǎng)建模能力和綜合分析問題的能力.

(2)通過標(biāo)定密度計(jì)的刻度,發(fā)展實(shí)驗(yàn)觀察能力和科學(xué)推理思維能力.

(3)通過探究提高密度計(jì)精度,提高學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)推理和論證的能力.

(4)通過進(jìn)一步拓展密度計(jì)的制作,培養(yǎng)學(xué)生利用所學(xué)知識遷移創(chuàng)新的能力.

3 教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：創(chuàng)設(shè)情境、分析建構(gòu)

教師活動:實(shí)物展示生活中常見的酒精含量不同的兩種消毒液,一瓶為50%,另一瓶為75%,但是標(biāo)簽?zāi)：磺?

提出問題：請學(xué)生們結(jié)合浮力知識思考如何鑒別這兩種液體密度的大小.

學(xué)生活動:思考并討論,提出鑒別的方法.

實(shí)驗(yàn)制作:取出材料包中的一根吸管和金屬絲,制作一個簡易金屬絲密度計(jì),并嘗試辨別A、B兩種液體密度的大小關(guān)系.

教師活動:展示幾位學(xué)生做成的密度計(jì),結(jié)合PPT圖片展示,引導(dǎo)學(xué)生思考細(xì)鐵絲纏繞的形狀是否對測量密度有影響從而建立密度計(jì)的“圓柱體”模型.

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過制作的過程體會和加深對密度計(jì)原理的認(rèn)識.從鑒別酒精過渡到分辨A、B兩種液體密度大小,通過介紹“異形”密度計(jì)建立密度計(jì)的模型,把模型建構(gòu)的過程通過如圖2所示的方式顯化出來,引導(dǎo)學(xué)生從形象思維過渡到抽象思維.培養(yǎng)模型建構(gòu)能力.

圖2 建構(gòu)密度計(jì)模型

環(huán)節(jié)二：類比遷移、標(biāo)定刻度

教師活動:如圖3所示,引導(dǎo)學(xué)生回顧溫度計(jì)的刻度標(biāo)定方法,總結(jié)這些把目標(biāo)量轉(zhuǎn)換成長度測量的刻度標(biāo)定方法.先選定兩個標(biāo)準(zhǔn):冰水混合物為0 ℃,一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸水的溫度為100 ℃,把它們之間的長度100等分,標(biāo)記上相應(yīng)的刻度,然后再用已知溫度來檢驗(yàn)這種標(biāo)記方法是否正確.提出問題:類比溫度計(jì)的刻度標(biāo)定方法,如何給密度計(jì)標(biāo)記刻度?密度計(jì)上的刻度線具有什么特點(diǎn)?與溫度計(jì)的刻度有什么不同?

圖3 密度計(jì)刻度標(biāo)定方法

學(xué)生活動:小組討論得出,可通過判斷密度每變化相同的數(shù)值看密度計(jì)的間隔是否也相等來判斷刻度是否均勻.

學(xué)生活動:實(shí)驗(yàn)桌上有標(biāo)有密度值的3種液體,A(1.1 g/mL)、B(1.0 g/mL)、C(0.9 g/mL),把自制的密度計(jì)分別放置在盛有A、B、C 3種液體的量筒中,直立漂浮后,分別測量出露出部分的長度并做標(biāo)記,把相應(yīng)的數(shù)據(jù)填寫在數(shù)據(jù)表格中.觀察發(fā)現(xiàn)雖然A、B和B、C之間密度差都為0.1 g/mL,但是在測量的密度計(jì)上標(biāo)記的長度間隔卻不相等.

設(shè)計(jì)意圖：給儀器標(biāo)定刻度是制造過程必不可少的環(huán)節(jié),密度計(jì)刻度“上小下大、刻度不均勻和上疏下密”是學(xué)生理解的難點(diǎn),學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)觀察到直觀數(shù)據(jù)和現(xiàn)象,基于現(xiàn)象和數(shù)據(jù)通過科學(xué)推理說明密度計(jì)的刻度特點(diǎn),并把刻度標(biāo)定的原理和方法如圖3所示顯化出來,通過實(shí)驗(yàn)觀察和科學(xué)推理相結(jié)合突破學(xué)生的認(rèn)知障礙,發(fā)展基于模型分析和推理的能力.

環(huán)節(jié)三：提出質(zhì)疑、實(shí)驗(yàn)探究

教師活動:請一位學(xué)生到講臺前使用自制的密度計(jì)來區(qū)分出這兩種酒精,發(fā)現(xiàn)密度計(jì)在兩種液體中露出部分基本相同,即自制的密度計(jì)難以辨別.請學(xué)生們結(jié)合定量計(jì)算討論思考原因是什么?

學(xué)生活動:根據(jù)酒精密度的計(jì)算方法,可得出50%的酒精密度為ρ1=0.90 g/mL,75%的酒精密度為ρ1=0.85 g/mL,由此可見這兩種酒精密度差僅為0.05 g/mL,而自制的密度計(jì)的最小分度值為0.1 g/mL,也就是精確度不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致無法測量.

教師提出驅(qū)動型問題:如何提高密度計(jì)的精確度呢?想要提高密度計(jì)的精確度,就要找準(zhǔn)哪些因素會影響密度計(jì)的精度,請學(xué)生們認(rèn)真觀察并提出猜想.

學(xué)生活動:學(xué)生結(jié)合密度計(jì)僅由金屬絲和吸管組成,提出金屬絲的質(zhì)量和吸管的粗細(xì)會影響其精確度.通過分組實(shí)驗(yàn)探究,一些小組采用更換更細(xì)的吸管,發(fā)現(xiàn)酒精和水之間的刻線變長了,由此可以判定這種方法可以提高精確度.一些小組采用的是在不改變吸管粗細(xì)的情況下增加金屬絲的質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)鹽水和水之間的刻線也變長了,由此可以判斷這種方法也可以提高精確度.

設(shè)計(jì)意圖：制造出來的密度計(jì)無法完成鑒定的任務(wù),引發(fā)認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生對制作的過程提出質(zhì)疑,進(jìn)一步引出提高精確度的進(jìn)階任務(wù).提高精確度是較難的環(huán)節(jié),采用先實(shí)驗(yàn)探究再推理論證的形式展開.在學(xué)生經(jīng)歷了探究精確度的影響因素的過程中進(jìn)一步提高科學(xué)探究和推理的能力.

環(huán)節(jié)四：推理論證提高密度計(jì)精確度的方法

教師活動:以B、C的間隔0.11H為例,如果想要使其對應(yīng)的距離更長,則提高H的值即可.從密度計(jì)在不同的液體中始終是處于漂浮狀態(tài)入手,通過受力分析可得:F浮=G物,進(jìn)一步推理論證:

結(jié)合所建構(gòu)的密度計(jì)“圓柱體”模型,可得

ρ液gSH=m物g

由此可見,增加配重的質(zhì)量或者減小柱體的橫截面積都可以增大H的數(shù)值,結(jié)合這個關(guān)系可以進(jìn)一步做出如圖4所示的H-ρ圖像.

圖4 浸入深度和液體密度關(guān)系

設(shè)計(jì)意圖：通過理論論證增加質(zhì)量和減小底面積是較難的部分,需要學(xué)生借助已經(jīng)建立的“圓柱體”模型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推理論證得到,這個環(huán)節(jié)也正是想讓學(xué)生經(jīng)歷了科學(xué)探究以后,能嘗試進(jìn)行的理論分析,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)雙重論證,進(jìn)一步發(fā)展學(xué)生科學(xué)推理和論證的能力.

環(huán)節(jié)五：總結(jié)歸納、遷移創(chuàng)新

教師活動:請學(xué)生歸納總結(jié)金屬絲密度計(jì)的原理、刻度標(biāo)定方法和提高精確度的方法,提出課后拓展任務(wù):使用一個鐵塊和彈簧測力計(jì),思考如何把彈簧測力計(jì)改裝成彈簧測力計(jì)密度計(jì).

學(xué)生活動:遷移應(yīng)用、討論思考.從彈簧測力計(jì)改裝成密度計(jì)的原理、刻度標(biāo)定方法和提高精度的方法3個角度展開討論.

設(shè)計(jì)意圖：從原理-刻度標(biāo)定方法—提高精度的分析方法,總結(jié)密度計(jì)的制作過程,這不僅是密度計(jì)的制作方法,更是我們大部分物理儀器的生產(chǎn)制造過程.引導(dǎo)學(xué)生從個別到一般的提升,再進(jìn)一步應(yīng)用.這個過程有意識地引導(dǎo)學(xué)生從金屬絲密度計(jì)遷移到彈簧測力計(jì)密度計(jì),培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.

4 總結(jié)與反思

學(xué)生物理科學(xué)思維能力的形成與發(fā)展,離不開教師教學(xué)中有意識的培養(yǎng).教師作為教學(xué)活動的設(shè)計(jì)者,應(yīng)首先確定本節(jié)課所要發(fā)展的科學(xué)思維的能力目標(biāo).本節(jié)課基于真實(shí)情景,根據(jù)能力目標(biāo)設(shè)計(jì)多樣化的教學(xué)活動,學(xué)生在進(jìn)階式任務(wù)的驅(qū)動下,完成由被動接受向主動學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變,發(fā)展了學(xué)生的模型建構(gòu)能力、科學(xué)推理和論證的能力,更重要的是讓學(xué)生經(jīng)歷了儀器制作和改進(jìn)的全過程,培養(yǎng)了學(xué)生的質(zhì)疑精神和創(chuàng)新精神,有利于落實(shí)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).