運用本原性問題驅動物理概念教學——以“物質的密度”為例

王 俊

（揚州中學教育集團樹人學校，江蘇 揚州 225001）

“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，密度是學生涉及的第1個物質的物理屬性，它是用比值定義的物理量.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.一直以來，密度都是教學的重難點.因此，密度概念的教學備受教材編者、課改專家以及一線教師的關注.如何以更寬廣的視野透視密度教學的內涵，并彰顯其物理本質與教學邏輯？筆者提出了一些不成熟的觀點和做法，與同行們交流.

1 所用教材中密度概念的建構思路與評析

現行蘇科版初中物理教材關于密度概念的建構思路是：討論交流——怎樣區分表面被涂成相同顏色的鐵塊和塑料塊？→提出問題——物體的質量與體積之間有什么關系？→猜想假設——同種物質的物體，體積越大，質量越大，其質量與體積很有可能成正比，即質量與體積的比值應該為定值.→實驗驗證——分組實驗，每組選擇兩種不同的物質（如鐵和塑料，或銅和鋁等），每種物質選3個體積不等的物體.分別測出質量和體積并記錄，計算出質量與體積的比值.→得出結論——同種物質的物體，質量與體積的比值相同；不同種物質的物體，質量與體積的比值不同.由此可見，某種物質的質量與體積的比值反映了這種物質特有的性質.在物理上，我們就把單位體積的某種物質的質量定義為密度.→知識應用——通過比較質量與體積的比值（即密度）區分表面被涂成相同顏色的鐵塊和塑料塊.

筆者認為，如果按照教材的處理方式進行教學，主要會產生以下2方面的問題.

（1）設置的問題情境缺乏明顯的探究方向.

教材設置了“怎樣區分表面被涂成相同顏色的鐵塊和塑料塊？”的問題情境，意圖是讓學生能夠提出需要探究的問題——質量與體積的關系.但是，學生面對這樣的問題情境，很自然地就會偏離預設的“軌道”.學生根據自己原來的認知會提出很多方法，例如：刮開涂層觀察顏色、比較軟硬程度、觀察能否導電、觀察能否被磁鐵吸引等等.這時要把學生拉回“正軌”，就會把“問題”生硬地強加給學生.

（2）學生無法真正理解密度是什么.

課后，如果你問學生，密度是什么？他們會告訴你：某種物質的質量與體積的比值.如果你再問，為什么把某種物質的質量與體積的比值定義為密度？他們會告訴你：因為同種物質的物體質量與體積的比值相同，不同種物質物體的這種比值不同.顯然，學生認為“比值一定”是建立密度概念的原因，其實這是“因果顛倒”的錯誤.如果你繼續問，密度反映了物質怎樣的一種特性？學生根本不知道.

為什么會出現上述的兩個問題？可以借用哲學上對“本原”的思考方式從物理學科教學的角度來尋找答案.

哲學對“本原”的思考凸顯為一種刨根問底的探詢精神，即始終把理解一切事物的“最初根源”、“始基”作為第一問題.“本原性問題”是指能夠揭示某一學習主題中最為原始、樸素、本質的觀念、思想和方法的問題.［1］“問題驅動”是指讓課堂教學圍繞問題展開，用問題引領學生思維，有效激發學生理解和體驗學習主題的本質.

建立密度概念的“最初根源”是什么？密度概念所包含的“最本質的觀念、思想和方法”是什么？蘇科版教材的編寫思路完全回避了“物質分布的疏密程度”和“比值定義法”，從而未能合乎邏輯地解決密度教學的兩個“本原性問題”：一是為什么要把質量與體積相比？二是為什么要把質量與體積的比值定義為密度？

2 運用本原性問題驅動密度概念教學的實踐與思考

怎樣才能解決以上2個問題？這時就應該擺脫教材的束縛，但并非拋棄教材，而是回到“密度”概念形成的源頭，運用本原性問題引導學生借助原來的認知進行科學探究.“比較不同物體物質分布的疏密程度”就是建立“密度”概念的源頭.

以下是筆者運用本原性問題驅動密度概念教學的實踐與思考.

2.1 從生活情境到物理情境——概念的引入

師：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.

師：體積都是10cm3的實心銅柱和實心鐵柱，誰的物質分布更密集？

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10cm3的實心銅柱和實心鐵柱，誰的物質分布更密集？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？請你歸納一下.

生：相同體積比質量，質量越大，物質分布更密集.

師：質量都是100g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100g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？請你歸納一下.

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

2.3 從方法歸納到實驗探究——概念的確立

生1：1滴水、1杯水、1桶水.

生2：1塊橡皮、2塊橡皮、3塊橡皮.

生3：1枚1元硬幣、2枚1元硬幣、3枚1元硬幣.

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1元硬幣，3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（或是一個定值）；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.

2.4 從實驗探究到聯系生活——概念的深化

師：澳門的總人口約為6×105，地區占地面積約為30km2；香港的總人口約為7.1×106，地區占地面積約為1100km2.比較兩個地區的人口密度的大小.

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，豐滿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.［2］

1 楊玉東，徐文彬.本原性問題驅動課堂教學：理念、實踐與反思［J］.教育發展研究，2009（20）：69.

2 陳琦，劉德儒.當代教育心理學［M］.北京：北京師范大學出版社，2007：165.