評價考題求真，創新實驗育能
——以創造性的制作“中考真題情境中的密度計”為例

楊婉榮 江蘇省蘇州市吳江區吳江中學

引導學生自主設計創新型實驗，并在實驗的操作過程中理解理論知識是一種創新的教學方式，也是促使學生在動手基礎上思維參與的深度學習的有效方式。學生自主設計創新型實驗有助于切實提高學生的科學思維和探究能力。下面以制作“中考真題情境中的密度計”為例，闡述如何在設計創新型實驗的過程中科學思維，質疑求真。

問題的提出：

中學生自主設計創新型實驗的目的是鍛煉學生的思維，提高學生的探究能力。創新實驗的源泉來自哪里？概念與規律的驗證實驗、將習題轉化為實驗、綜合實踐活動的重新設計是學生自主創新實驗的三個主要來源。筆者選取“將習題轉化為實驗”這個方面展開教學，選擇一道關于密度計的真題為實驗的原型，以質疑題設情境真偽為動機，鼓勵學生自主動手實驗，引導學生將理論知識與實踐相結合。激發同學們實驗的熱情，引導同學們在動手實踐的過程中認識問題的實質，鍛煉思維，提高能力。

教學實踐：

一、梳理真題，初步探究

真題展示：（2018·常州）興趣小組自制液體密度計，請完成計算：

圖1 精確測量比水的密度大的液體密度

步驟：取一上端開口的薄壁厚底玻璃筒，標有0～50mL體積刻度。

1.將空玻璃筒開口向上放入水中（ρ水=1×103kg/m3），玻璃筒豎直漂浮，在玻璃筒與外側水面相平處做記號線。

2.將空玻璃筒開口向上放入鹽水中（ρ鹽水=1.2×103kg/m3），向玻璃筒內加水至20 mL刻度線時，外側鹽水液面恰好與玻璃筒記號線重合。

3.將空玻璃筒開口向上放入待測液體中，向玻璃筒內加水至外側待測液體液面與玻璃筒記號線重合，利用玻璃筒內水的體積刻度，可測得待測液體的密度。g取10 N/kg，問：

（1）每次實驗，玻璃筒記號線與外側液面相平時，其排開外側液體的體積是多大?

（2）玻璃筒的重力有多大?

（3）該密度計能夠測量的液體密度的最大值有多大？

遵循實驗步驟，制作密度計

首先，讓學生按照題目的實驗步驟，尋找合適的實驗器材，制作密度計。

通過中考實驗題目引入，鼓勵同學們依據情境制作題目中設定的密度計，這樣設計，一方面實現了不僅從教材中綜合實踐活動課，還可以自制密度計完成教學導入的目的，拓寬了學生的思維，發現不同密度計的設計方法；另一方面鼓勵同學們質疑求真，反思不同的設計方法的優缺點，從而達到能力的真正提升。

觀察學生的學習成果可以發現，學生可以做到先綜合運用浮力知識正確求解出情境中需要求解的答案，再依據文本、圖片素材，進行實驗。

初步設計的實驗需要用到的器材：玻璃管、細沙（配重）、記號筆（防水）、量筒（0～100 mL）、膠頭滴管等。

二、動手實踐，發現問題

實驗器材初步選定后，實驗過程會一帆風順嗎？同學們會遇到哪些問題呢？

實驗剛開始，同學們就發現了問題：大試管與細沙總重100 g，大試管口徑很大，這樣就會導致密度計刻度過于集中，不便于實際測量，誤差較大。若換用小口徑試管代替大試管制作密度計，則小試管因為浮力過小直接沉在水底。同學們再次審題，思考實驗的原理、實驗的過程、實驗的方法以及實驗的數據等。細心的同學發現：題目情境下的V排=100 mL，若選用小量程試管制作密度計，則小試管總量程不過50 mL，它無法完成實驗；若采用30 mm大口徑的試管制作密度計，則帶來的問題是密度計會非常笨重。于是，同學們大膽地得出結論：出試題的老師并沒有過多思考它的功能性，這就意味著依據試題所述情境制作的密度計僅僅是停留于試題上的產物。

圖2 （注明：1號試管口徑15 mm，2號試管口徑30 mm）

三、提煉想法，改編真題

我們能否改編這個中考真題呢？經過改編，密度計能否制作成功呢？

如何“改小”這支密度計，成了同學們熱議的話題。實驗器材、實驗數據等能否改變？同學們從反思本題的求解過程出發，具體思路如下：

解：密度計處于平衡狀態時有

同學們立刻發現：選擇小試管制作密度計，小試管質量越小對應的V排越小。V排變小，相應的G水1變小。經過討論，同學們發現題目數據可以改變一下，即將數據變小，這樣這個密度計制作出來就可以是一個小的密度計了。基于密度計量程不變的想法，同學們計算出新的實驗數據為V排=20 mL，玻璃筒質量m=20 g，ρmax=1.5×103kg/m3。

在上述研究過程中，同學們至少有三點收獲：一是，只有在實驗的過程中才能發現中考真題題述情境下的數據設計不合理；二是，只有在動手實驗的基礎上才會萌生出改小題目數據，重新設計密度計的沖動；三是，同學們得到啟發，實驗創新并不是空穴來風，它來源于真實情境，它是基于事實的質疑和發現，而這個發現過程并沒有那么高深，它源于思考。

四、深挖創新，優化實驗成果

（一）制作密度計

再次動手實驗，同學們又有新的發現。

發現的問題：1.細沙加入小試管后，細沙和試管不能構成整體，試管中加減水的過程不能完全倒出。如何讓密度計成為一個整體？

2.細沙吸水，不能通過試管中加入水的體積反應液體的密度，實驗誤差較大，如何處理？

3.小試管放入液體中時，重心不穩，容易傾倒、傾斜，如何讓密度計在液體中保持豎直平衡？

實踐的過程中總有意想不到的問題，同學們借助媒體、網絡等平臺拓寬思路，尋找有用的方法。因為發現的問題比較集中，同學們自發地分工合作尋求解決問題的方法。有的同學負責尋找解決密度計穩定問題的方法，有的同學負責尋找配重與小試管連接在一體的方法等。經過搜索大量的素材，頭腦風暴式爭論，同學們尋找到許多有用的方法，比如，密封方法：蠟封、油封、膠水密封、水加蠟封等；配重方法：用油、小鋼珠作為配重等。同學們不停地試錯，最終，同學們拋棄了上面的所有方法，自主開發了如下的方法制作配重。

實驗材料：飽和食鹽水、食鹽、小布條作為配重、電子天平（稱重）、15 mm口徑的小試管

圖3

圖4

同學們制作的密度計的特點：1.整體質量控制在20 g，密度計中加減水時，密度計原本配重和玻璃管的質量幾乎不變，精度保持完好。

2.利用食鹽和飽和食鹽水充當配重材料，在實驗過程中，食鹽顆粒調整密度計豎直漂浮狀態比鋼珠效果更好，它能使密度計更快地調整到豎直漂浮狀態。這是非常智慧的做法，也是在實踐中的感悟。

3.小布條浸水后密封效果好，成功解決了配重和玻璃管難以合二為一的難題，經檢驗這個裝置放在室內較長時間質量也不發生變化，有利于實驗器材的反復使用。

同學們制作了不同于普通密度計的新型密度計。這支密度計的特別之處包括：1.測量密度的方法是把這支密度計放在不同的待測液體中，然后往密度計內部管中加清水，直到外側液體的液面與密度計標注的刻度平齊，然后從刻度讀出密度值。

2.這是一種創新的做法，是從無到有的探究過程，是同學們利用物理知識解決實際問題的有力證據。反映了核心素養中切實培養同學們的科學思維這一要求。學會從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認知方式，是基于經驗事實構建理想模型的抽象概括過程。

（二）給密度計標度

以“數學方法尋找標度”方法為例，看學生的遷移能力。

這支密度計的標度：將V排=20 mL、m=20 g代入③

圖5

同學們發現這支密度計標度是均勻的！

（三）密度計成品展示

分度值：0.01 g/cm3

量程：1 g/cm3～1.5 g/cm3

使用說明：

1.將密度計放入待測液體中，用滴管往密度計中添加水直到外側待測液體液面與玻璃筒記號線重合。

2.取出密度計讀出待測液體密度。

3.注意事項：這支密度計只適用于測量密度大于1 g/cm3的液體密度。

拓展思考：對于密度小于1 g/cm3的液體，如何設計制作呢？這支密度計和教材中設計的密度計有什么相似和不同呢？它有哪些優點和不足？同學們順著上述思路，又展開了新的發現之旅……

通過給密度計標上刻度，密度計成果展示等活動，引導同學們反思評價設計成果。一方面，通過真實的密度計設計、實驗過程體驗學習，這是一個完整且真實的學習過程。另一方面，同學們從工程的視角反思評價作品成果，思考它的優點和不足。同時，同學們可以把自制的密度計與教材中設計的自制密度計進行對比，全面的、多角度的評價。這樣的評價有比較，更加的立體，感受更加深刻。這樣的學習有一定的深度，沒有生硬的引導，水到渠成。

五、實踐感悟

蘇霍姆林斯基說：“人的內心里有一種根深蒂固的需要總想感到自己是發現者、研究者、探尋者?！蓖瑢W們基于中考真題，大膽質疑，評析求真，對于中學生來說非常有意義。首先，對于這個實際問題，課本上沒有參照的標準，同學們細心觀察思考、實驗探究、交流討論，切實鍛煉了科學思維素養。其次，這是一次真實的探究之旅，同學們體驗了從無到有、從理論到實踐的完整過程。例如：（1）同學們設計的這支密度計精確度高、量程大、刻度均勻，打破了對傳統密度計刻度不均勻的慣性認識，發散了思維。（2）同學們體會了改編中考題目的樂趣，鍛煉了獨立思考的能力。（3）整個探究過程引導學生的學習進入了深刻的層面，學會了利用科學的物理方法認識事物的本質，形成了物理品格。