自制測(cè)量工具 培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)

洪潔伶

【摘 要】在學(xué)生試驗(yàn)中，自制測(cè)量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，它并不是簡(jiǎn)單的模仿制作，而是在不斷改進(jìn)過程中考驗(yàn)學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力，并且對(duì)物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。在本文中，筆者以自制密度計(jì)為例，闡述自制測(cè)量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。

【關(guān)鍵詞】自制;物理實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)

很多年前，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物學(xué)家揚(yáng)衛(wèi)平發(fā)出質(zhì)疑：“現(xiàn)在，我們一不缺錢，二不缺儀器設(shè)備，三不缺勤奮努力，為什么到頭來原創(chuàng)性成果還是比不過別人？”彼時(shí)，筆者剛剛踏上教育崗位，這段話，成為多年教育實(shí)踐過程中反反復(fù)復(fù)思索的問題，也是前進(jìn)的方向和燈塔。福建師大的余文森教授指出，這個(gè)問題的根源在于思維方式，思維方式的模式化、格式化導(dǎo)致原創(chuàng)思維的欠缺和喪失。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科，我們要培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，就必須在實(shí)驗(yàn)的過程中建立物理概念、物理思維、體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

在學(xué)生試驗(yàn)中，自制測(cè)量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，它并不是簡(jiǎn)單的模仿制作，而是在不斷改進(jìn)過程中考驗(yàn)學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力，并且對(duì)物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。如何在一步一步的改進(jìn)過程中獲得更好的測(cè)量效果，這個(gè)過程極大地刺激了學(xué)生的感官，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)了學(xué)生的興趣和求知欲，從而由淺層的學(xué)習(xí)進(jìn)入深層的思考。初中階段可以利用手邊隨手可得的瓶瓶罐罐甚至紙片制作的測(cè)量工具很多，刻度尺、彈簧測(cè)力計(jì)、簡(jiǎn)易小天平、密度計(jì)、電流表、電壓表……在本文中，筆者以自制密度計(jì)為例，闡述自制測(cè)量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。

一、建立物理概念，理解物理原理

物理實(shí)驗(yàn)中使用的密度計(jì)，是一種測(cè)量液體密度的儀器。它是根據(jù)漂浮在液體中的物理所受的浮力等于重力的原理制造與工作的。密度計(jì)是一根粗細(xì)不均勻的密封玻璃管，管的下部裝有少量密度較大的鉛丸或水銀。使用時(shí)將密度計(jì)豎直地放入待測(cè)的液體中，待密度計(jì)平穩(wěn)后，從它的刻度處讀出待測(cè)液體的密度。

學(xué)生要想自制密度計(jì)，首先要理解密度計(jì)的工作原理。

教師可以提問，為什么一定需要漂浮的物體呢？懸浮或是沉底的物體不行嗎？問題不難，可是此時(shí)學(xué)生就必須去思考。

教師進(jìn)一步提問，密度計(jì)在不同液體中液面指示的刻度是不同的，最根本的原因是什么？學(xué)生可以回答：密度計(jì)浸沒在液體中的體積不同。引起這個(gè)體積不同的原因是什么。學(xué)生在這個(gè)地方往往會(huì)有一個(gè)錯(cuò)誤的前概念，覺得密度計(jì)受到的浮力大一些，密度計(jì)會(huì)浮的高一些。此時(shí)根據(jù)浮力公式F浮=ρ液gV排，學(xué)生很快就能發(fā)現(xiàn)矛盾的地方，密度計(jì)浮得更高了，V排不是變小了嗎？難道浮力變小了？對(duì)比思考過后，孩子們可以更深刻的明白，物理漂浮的時(shí)候，浮力的大小等于自身的重力，所以只要物體重力不變，浮力大小是不變的。當(dāng)密度計(jì)放在密度不同的液體中，由于浮力不變，所以密度大的液體中，密度計(jì)會(huì)浮得高一些，這個(gè)時(shí)候指示的刻度應(yīng)該較大。反之，則較小。

由此，學(xué)生在制作密度計(jì)的前期知識(shí)儲(chǔ)備中通過深入思考明白了兩件事情： 1.密度計(jì)的工作原理是漂浮在密度不

同的液體中受到的浮力大小相同;2.密度計(jì)的刻度應(yīng)該是下大上小的。

二、培養(yǎng)物理思維，體驗(yàn)科學(xué)探究過程

理解了原理之后，學(xué)生開始選材。要求學(xué)生從日常的事物中選取適合的材料，甚至可以從曾經(jīng)出現(xiàn)過的習(xí)題、網(wǎng)絡(luò)上的成功案例中獲得經(jīng)驗(yàn)。這一點(diǎn)，很能考察學(xué)生獲取信息、處理信息的能力。毫無疑問，學(xué)生獲取信息的途徑是五花八門的，他們所選取的材料也是各式各樣的。有鉛筆和鐵絲、吸管和沙子、小木桿、甚至塑料玩具，處在信息爆炸的年代，孩子們很容易得到自制密度計(jì)的方法，簡(jiǎn)單而又容易的制作教材網(wǎng)絡(luò)上遍地都是，事實(shí)上真的那樣了嗎？學(xué)生根據(jù)百度來的方法制作了各種各樣的簡(jiǎn)易密度計(jì)。

方法一：找粗細(xì)均勻截面形狀相同的木棒一根，在一端釘一大鐵釘，鐵釘上纏一些鐵絲也能制成密度計(jì)。

方法二：用鉛筆自制密度計(jì)，在鉛筆一端纏繞數(shù)圈細(xì)鐵絲，或插到一塊橡皮里，使其能在水中直立，刻下此時(shí)水面在鉛筆桿的位置，即制成簡(jiǎn)易密度計(jì)。

方法三：找一支塑料吸管，用蠟燭油把鉤口封死，在吸管中裝入適量的沙子，也能制成密度計(jì)。

……

看起來一切似乎很簡(jiǎn)單，做起來就不是那么回事了。當(dāng)學(xué)生們?cè)诎床烤桶嗟倪M(jìn)行時(shí)，他們自己發(fā)現(xiàn)并提出了問題：細(xì)木棒很難釘入鐵釘;粗木棒在不同液體中V排區(qū)別太小;鐵絲太重;鉛筆沉底了;吸管在液體中歪歪斜斜的，不能豎直漂浮……孩子們?yōu)榱酥谱鞒龊玫拿芏扔?jì)，不得不針對(duì)出現(xiàn)的問題進(jìn)行思考，教師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)：1.大家選取的主材料有什么樣的特點(diǎn)，為什么要這樣選取？2.為什么要讓它們豎直漂浮在液體中呢？怎樣可以做到豎直？

孩子們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下主動(dòng)參與、思考積極、氣氛活躍， 通過交流討論，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比、分析、歸納和總結(jié)，學(xué)生們得出了各種不同的結(jié)論，培養(yǎng)了孩子的發(fā)散性思維。孩子們的結(jié)論總結(jié)如下：

1.選取自身材料密度小的空心物體（吸管、膠頭滴管、圓珠筆管……）放入配重。要比鉛筆、木棍等物質(zhì)纏繞鐵絲好。物體更容易豎直漂浮，根據(jù)需要調(diào)節(jié)配重更方便;

2.根據(jù)圓柱體積公式，選用較細(xì)的柱狀物體，漂浮在不同液體中時(shí)△h區(qū)別更大，可是較細(xì)的物體不容易添加配重;

3.下端是圓弧形或錐形的物體（膠頭滴管）比底部水平的物體更容易在豎直方向平衡;

4.體積小而均勻的配重效果比大塊配重好，使密度計(jì)更容易豎直平衡;

5.密度大的配重（鉛粒）比密度小的配重（砂礫）效果更好，但是成本更高。

根據(jù)他們自己總結(jié)出的結(jié)論，孩子們利用大吸管、小鉛粒、膠頭滴管做出了兩個(gè)可以很好豎直漂浮在液體中的半成品（如圖1）。再進(jìn)一步分析比較二者的優(yōu)劣，孩子們又制作出了最終版本。（如圖2）

三、從定性到定量，樹立科學(xué)態(tài)度

這樣的密度計(jì)能測(cè)量液體的密度嗎？一個(gè)完整的測(cè)量工具還需要相應(yīng)的刻度，怎樣標(biāo)示刻度？能像彈簧測(cè)力計(jì)一樣把兩個(gè)值之間等分嗎？你能給我們的密度計(jì)標(biāo)上刻度嗎？怎樣使你的刻度盡可能準(zhǔn)確呢？

問題拋給學(xué)生，學(xué)生會(huì)想要去定位標(biāo)準(zhǔn)的刻度。他們能夠標(biāo)出的第一個(gè)刻度值是1.0×103kg/m3，因?yàn)樗巧钪谐Ｒ姸椎玫囊后w。然后才能想到去標(biāo)示其他的刻度線，孩子們會(huì)想到利用密度不同的已知液體多刻制幾條刻度線。教師提問：我們的生活用水密度一定是1.0×103kg/m3嗎？如何獲得密度比水大或比水小的液體呢？獲得這些液體后又怎樣知道他們的準(zhǔn)確密度值呢？孩子們就問題展開討論，油、煤油這樣特殊的液體會(huì)被排除在外，不容易獲得也不容易清洗。怎樣尋找容易獲得且能夠改變密度的液體呢？類似鹽水、糖水、酒精摻水自然是最為合適的選擇。選用成品密度計(jì)來與自制密度計(jì)進(jìn)行對(duì)比，從而比較準(zhǔn)確的標(biāo)示出刻度值。這個(gè)過程是量化的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模⒆觽儽仨氄J(rèn)真細(xì)致，尊重事實(shí)，積極主動(dòng)地接受經(jīng)過證實(shí)的結(jié)論。這在實(shí)驗(yàn)過程中潛移默化的樹立孩子們的科學(xué)態(tài)度。當(dāng)然，也可以鼓勵(lì)孩子們發(fā)散思維，探討其他標(biāo)示刻度的方法。

自制密度計(jì)的過程讓學(xué)生深切地感受到了學(xué)習(xí)的樂趣，收獲的快樂和成功的愉悅。其實(shí)，每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都跟著一串問題，不要因?yàn)樗季S活動(dòng)幾下就停了下來，沒有走到目的地的過程像是一段沒有演奏完的樂章。好的實(shí)驗(yàn)就像投入湖面的小石頭引起的波浪一樣，推動(dòng)孩子的思維向著更深更廣的方向發(fā)展，將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)科學(xué)的殿堂。雖然現(xiàn)在的教學(xué)條件比以前改善了很多，有了各式各樣的成品教學(xué)儀器，但有些情況下利用身邊隨手可得的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，可以拉近物理學(xué)與生活的距離，讓學(xué)生親切地感受科學(xué)探究的過程。自制教具是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)有機(jī)組成，事實(shí)證明，隨著物理實(shí)驗(yàn)的開展，物理教師們?cè)诮逃虒W(xué)領(lǐng)域中大膽創(chuàng)新，嘗試自制各種測(cè)量工具，是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的重要方式，它能有效輔助優(yōu)化課堂教學(xué)效果，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合持續(xù)能力和物理核心素養(yǎng)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任荃.中國(guó)“牛頓”：“蘋果樹”在哪[N].文匯報(bào)，2004-

10-19