初中階段質量概念的建構

孟 巖

(北京市第一七一中學 北京 100013)

王曉京

(北京市東城區教育科學研究院 北京 100009)

1 建構質量概念的教學意義

世界最本質的屬性是物質的，因此“質量”作為描述這一基本屬性的物理量, 是物理學乃至整個自然科學的基本概念[1].同時“物質”也是物理學科核心素養中物理觀念的重要組成部分，因此對于質量概念的學習，是學生逐步形成物質觀所必需經歷的一個重要環節.從歷史的角度來看，人們在生產生活中首先建立了“重量”的概念，然后隨著力學的發展，又逐步建立起“質量”概念，在近代物理學不斷地發展中，質量概念又有了更為豐富和全面的描述.因此,學生建立質量概念的過程，也是在落實科學思維中所提及的“從物理學視角對客觀事物的本質屬性的認識方式”.

2 建構質量概念的教學策略

質量概念是在發展中逐步建立起來的，因此,學生在初中階段第一次學習質量概念時，教師也應采用一定的策略對質量概念進行逐步地建構，而不是直接告訴學生一個模糊的概念.這就需要學生在頭腦中以理解為前提，對生活中的重量概念逐步建構，在物質觀的高度重建質量概念.建構主義認為，知識是個體與環境交互作用中逐漸建構的結果.在課堂教學中，個體指學生，環境則是具體的教學情境.筆者認為能夠引發學生思考、發展學生高階思維的問題情境，能夠更好地發揮出建構的作用.

“問題情境”中的“境”，是客觀環境，“情”則是人的主觀心理.創設問題情境，就是教師要精心設計一定的環境條件，引發學生的認知沖突，使學生面臨某個迫切需要解決的問題，從而激起學生疑惑、驚奇、詫異的情感，進而產生一種積極探究的愿望，引起積極思維[2].教師創設問題情境，并依托情境設計出呈現遞進關系的問題鏈，從而在問題鏈的引領下引導學生積極思考，建構新的概念.同時，由于質量概念是在人類社會發展和科學發展的過程中，逐步建立起來的，所以,教師設計的問題情境可以依托歷史的發展軌跡.下面是筆者根據以上構想設計的初中階段關于質量概念建構的教學設計.

3 建構質量概念的教學設計

本設計由兩個問題情境組成，每個問題情境引領一個問題鏈.

情境1：在古代人們常常通過“物物交換”來獲得自己需要的物品.甲和乙兩人進行大米和蘋果的交換，他倆規定：“一斗米”換“20個蘋果”.第一次交換很愉快，但是第二次卻……(如圖1所示，每個蘋果比第1次要小不少)

圖1 “物物交換”情境

情境1的設計背景來源于歷史，質量概念的形成就是起源于人們對物質含量多少的思考.在古代，當人們在進行物物交換等活動時，就產生了判定物質含量多少的迫切需要[1].此情境讓學生經歷人類社會最初的物物交換，并通過教師預設的問題，感受判定物質多少的方式及其不足，這是建構“質量”的基礎.具體問題鏈設計如下.

問題1：你認為甲還愿意去換蘋果嗎？為什么？(預設回答：不愿意，因為蘋果變小了)

問題2： 你認為他們對于蘋果的多少是如何度量的？(預設回答：蘋果的數量)

問題3：你認為通過數量的多少來度量物體的多少，可能會存在什么問題？能舉個例子嗎？

(預設回答：對于大小不固定的固體、細小的固體以及液體不方便用具體的個數來確定)

以上3個問題旨在引導學生發現，對于物體數量的比較是人們生活中所必須的，但是僅通過數量來進行物體多少的比較，在某些情況下是不準確的，進而激發學生積極思考更好的比較方式.

問題4：你認為他們對于大米的多少是通過大米的個數來度量的嗎？(預設回答：不是)

問題5：他們是通過什么方式來度量大米多少的？(預設回答：體積)

問題6：這種方式度量大米的多少會出現比較大的偏差嗎？(預設回答：不會)

問題7：你認為通過體積來度量其他物體的多少，可能會存在什么問題？能舉個例子來說明嗎？(預設回答：形狀不規則、大體積的固體，熱脹冷縮、物態變化的影響等)

以上4個問題重現了古人對體積作為度量物質多少的思考.古人在交換物品的過程中，找到了可以使用的兩種方式：重量和體積.盡管體積可以在貿易中成為物質多少的衡量方式，但人們發現，有時當體積變了，物質本身卻沒有變，例如在水變成水蒸氣或水變成冰的時候[3].

問題8：不管是大米、蘋果還是其他物體，它們雖然是不同的東西，但都是由物質構成的，雖然“數量”和“體積”在日常生活中的某些情形下可以來度量物質的多少，但它們都有一些缺陷.那么我們可以用什么方式能夠避免上述缺陷，從而比較準確地度量物質的多少呢？

針對這個問題，教師可以引導學生思考這種度量方式應該滿足：不管發生什么情況(溫度、形狀、物態等變化)，只要這個物質的多少沒有變化，度量物質多少的參數就不會變化.預設學生會回答出重量或質量，雖然有可能回答出“質量”，但此時學生對于“質量”的認識從本質上說還是“重量”這個概念.這個問題的作用是引出“物質”這個概念，并通過模糊的“守恒”思想，建構學生頭腦中對于物質的量的衡量標準的思考.

問題9：如果利用重量來度量物質的多少，該如何設計一個大米和蘋果的交換方式呢？請你設計一個比較公平的交換規則，并說出所需要的比較儀器.(預設回答：等重量交換，利用天平，比如10斤米換10斤蘋果；或者按比例交換，比如用10斤米換15斤蘋果)

問題10：單獨一個天平可以完成等重量的比較，但是它只能比較重量的大小，卻不能具體量化重量的多少.我們可以如何改進，來比較精確地得到10斤米和15斤蘋果，從而進行交換呢？

以上兩個問題設計的目的是引出質量測量的標準.問題中“單獨”兩字是暗示學生改進的方向，進而確定比較的標準，引導學生“創造”出天平和砝碼，為后面測量質量的教學鋪墊思維基礎.接著，教師總結到：“對不同的物體, 性質雖然不同, 但它們的重量總是可以比較的.古時候的人們為此發明了天平和秤等稱量工具.我國從漢代開始就以北方所產黑色黍谷粒的重量為標準，100粒重為1銖，24銖為1兩，16兩為1斤.現在甲乙兩人達成了新的交換規則——10斤米換15斤蘋果”.至此，第一個情境所引發的問題鏈就告一段落了，學生在這個問題鏈的引領下，以描述物質多少為目的，建構了“重量”概念，并“創造”出了測量重量的方法.

在歷史上，最初人們把重量看作是一切物體共有的特性，隨著天平與秤等稱量工具的出現與應用，用來判定物質多少的重量逐漸與具體的物體相脫離, 而成為它們共同抽象的性質[1].此情境再現了人們對于重量概念的進一步理解與應用，從而印證了學生思維的方向與歷史發展的吻合，對學生積極深入的思考起到了正強化的作用，樹立了學生的自信.但盡管重量和體積可以在貿易中成為物質多少的衡量方式，但這兩者都無法成為自然哲學或者是科學意義上的“物質的量”的統一度量標準[3].接下來的第二個問題情境，就要在學生的頭腦中建構科學意義上的“物質的量”的統一度量標準.

情境2：在商議新的交換規則時，甲曾想用等重量的大米與蘋果進行交換，但是被乙斷然拒絕了.顯然，產生10斤大米所付出的人力物力成本，要高于產生10斤蘋果所付出的成本.這就如同一個1斤重的鐵塊和一個1斤重的銅塊，他們由不同的物質構成，顏色不同、體積不同、價值也不同.那么它們相同的重量到底意味著什么呢？我們該如何思考呢？

情境2基于情境1中的問題，將學生對于質量含義的思考由生活情景，拉到了物理情景中來，為學生建構具有科學意義的質量概念起到了鋪墊的作用.接下來的問題鏈依次展開.

問題1：我們在地球表面可以利用天平測量重量，那如果我們乘坐宇宙飛船來到外太空，在不受任何星球引力的情況下，還可以用天平來測出重量嗎？為什么？(預設回答：由于沒有地球等星球的吸引力，無法測出來)

問題2：之前，我們用“重量”的大小來描述物質的多少.但是在太空中用天平測不出重量了，是否就意味著重量為零呢？(預設回答：在太空中物質并沒有消失，物質的量應該沒有變化，只是用天平無法測量了)

問題3：看來我們之前建立起來的“重量”概念，還不能全面的定義物質的多少.那么該如何定義物質的多少呢？

問題4：不管物質種類是否相同，你認為相同重量的物體，能否產生一個相同的效果呢？如果可以的話，那是一種什么效果？

以上兩個問題引發學生的深度思考，問題具有開放性，學生可能有多種回答，或者不知如何回答.教師可以通過下面的演示實驗，引導學生從運動狀態的角度來分析.

實驗裝置如圖2所示，在水平木板的一端固定一個彈簧，將小車擠壓彈簧后松手釋放，小車在彈簧彈力的作用下可以沿木板做直線運動.在小車上分別固定質量相等的鐵塊1和銅塊2，以及質量更小一些的銅塊3.分別用小車擠壓彈簧至相同位置，使得每次彈簧的形變量相同，然后釋放小車，觀察3次小車在木板上運動的距離.小車的運動距離與小車獲得的初速度之間的關系，初中學生還無法對其進行推導，因此教師可直接告知學生：運動得越遠，說明物體在彈簧作用下獲得的速度越大.學生對這個定性規律的認識與生活中的經驗是吻合的，基本上不存在認知障礙.通過上述實驗現象的對比，學生應該可以總結出：相同的力的作用下，重量越小的物體獲得的速度越大，且速度與這個物體由什么物質構成無關.問題4的答案也就隨之產生，學生應該可以回答出在相同作用力的情況下，用物體產生的速度的大小來度量物質的重量.

圖2 研究慣性與質量的關系

接下來，教師進行總結并正式引出“質量”概念：用同樣大小的力作用在物體上，質量大的物體獲得的速度小，質量小的物體獲得的速度大，相同質量的物體，獲得的速度相同，它們之間是有準確的定量關系的，這個我們高中時再去學習.看來我們找到這個“效果”了.為了區別之前的“重量”，把這個用力和運動狀態來度量“物質多少”的物理量，叫做“質量”.

至此，質量概念正式的被引出.然后教師可以播放王亞平在太空授課中測質量的視頻，印證了問題1中在太空中測量質量的可行性.以上環節教師對學生“模糊”地滲透“慣性質量”，但是并沒有明確“慣性質量”這個名詞.因為對于初中學生來說，準確地理解“慣性質量”是超出其認知范圍的.但筆者認為，僅僅把初中教材中對于質量概念的描述“物體所含物質的多少”直接告知學生，學生是不太能夠從物質觀的角度來理解質量概念的.因此，以上設計只是把質量的本質含義在學生的頭腦中種下一顆種子，讓學生感受到質量原來是可以這樣度量的，待到高中時，這顆種子必然會隨著學生學習牛頓運動定律時萌發成長.在人教版高中物理必修一講解牛頓第一定律時寫到：“描述物體慣性的物理量是它的質量”，已經明確的提出了慣性質量的概念.教材中還寫道：“在初中，我們把質量理解為物體所含物質的多少；現在又從物體慣性的角度認識質量.我們對于科學概念的認識就是這樣一步一步深入的.”[4]

在以上整個建構概念的過程中，學生隨著歷史發展的脈絡，對質量有了更深入的認識，發展了學生的思維.最后，教師可以進行一個階段性的總結：“一個1斤重的鐵塊和銅塊，他們由不同的物質構成，也許他們的形狀、體積、位置、狀態也都不同.但它們相同的質量到底意味著什么呢？隨著我們逐漸的學習，同學們在高中階段和大學階段，自然會有更進一步的認識和感受”.

4 結束語

質量概念的確立是牛頓力學體系構建過程中的重要一環；對引力質量與慣性質量的追索,又是愛因斯坦建立廣義相對論的出發點[1].如此重要的概念，需要學生在頭腦中以理解為前提，從生活中的認識逐步建構，在物質觀的高度重建質量概念.這個建構過程會經歷初中、高中和大學3個階段.本文所述的初中階段質量概念的建構，就暫告一段落.此時學生們的頭腦中關于質量的概念是“模糊”的，但是學生經歷了建構的過程，并且意識到他們認識的質量概念是“模糊”的.當學生們在高中時學到牛頓運動定律時，他們便會對這個模糊的質量概念有了更加準確的認識；當他們在大學時學到愛因斯坦提出的質速關系和質能關系時，他們頭腦中的質量概念更會再一次被刷新.