基于發展科學思維的物理教學實踐研究*
——以“自制密度計”教學為例

何 靜

(北京大學附屬中學 北京 100080)

隨著《義務教育物理課程標準(2022年版)》的頒布,首次提出把促進學生“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”等核心素養的養成和發展作為初中物理課程目標,這也對教師的教學方式提出了新要求.科學思維是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識方式;是建構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領域的具體運用;是基于事實證據和科學推理對不同信息、觀點和結論進行質疑和批判,予以檢驗和修正,進而提出創造性見解的品格與能力.

本文以“自制密度計”這節課為例,探討通過創設問題情境、制作密度計、開展科學探究、推理論證提高密度計測量精度的方法,總結歸納密度計制作和改進的全過程,遷移應用到把彈簧測力計改裝成密度計等環節,力圖在初中物理課堂教學中發展學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等科學思維.

1 教學思想與創新點

1.1 設計真實學習情境 激發高水平問題

從“為遷移而教”的觀點來看,包括創新素養在內的整個核心素養的教學,都應該高度重視情境學習,將學生置于真正的情境中,基于現實世界的真實任務進行學習,讓他們把知識與真實的、現實的情境連接起來,有效解決真實任務.基于此,筆者嘗試在教學的設計與實踐中,選擇鑒別兩瓶標簽模糊不清的體積分數為50%和75%的酒精這種學生熟悉的生活情境,讓學生認識到物理就在身邊,嘗試用物理的視角去認識身邊的事物.酒精消毒液是家庭、學校必備品,對于不同濃度酒精的應用,學生較為熟悉,但未從物理學科的角度去思考兩種濃度不同的酒精其本質的不同是什么.如何鑒別呢?這樣的真實情境,對學生的思維有很強的驅動性,可引發高水平思考.

1.2 親身經歷儀器的制作過程 發展科學思維能力

讓學生重演儀器發明的過程,依據儀器的核心原理和技術需要,把儀器的結構部件逐步“構造”出來.這樣的教學設計更符合學生的認知規律,利于發展學生的高階思維.基于此,筆者嘗試在教學設計與實踐中,讓學生經歷制作簡易密度計的全過程,不同的過程對培養學生高階思維的側重點也不同.在這個過程中設計一系列進階式學習任務,引發學生深度思考.鼓勵學生自主設計,引導學生思考細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模型.制作完成后,引導學生從溫度計的刻度標定方法,遷移思考如何標定密度計的刻度.學生經歷先實驗探究,后理論分析,再根據實驗現象進行科學推理,結合已有知識進行科學論證.標定刻度后再使用密度計鑒別液體,在實際測量時發現還要考慮密度計的精確度.學生再通過動手實驗探究結合推理論證找到提高密度計精確度的方法,進一步改進密度計.在課程的最后,從原理-刻度標定方法-提高精度的分析方法,總結密度計的制作過程,這不僅是密度計的制作方法,更是大部分物理儀器的生產制造過程.引導學生從個別到一般的提升,再進一步遷移應用.提出新的進階任務——如何使用彈簧測力計制作密度計,讓學生不斷體會創新的過程.密度計制作流程如圖1所示.

圖1 密度計制作流程

2 教學目標

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

(2)通過標定密度計的刻度,發展實驗觀察能力和科學推理思維能力.

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

(4)通過進一步拓展密度計的制作,培養學生利用所學知識遷移創新的能力.

3 教學過程

環節一：創設情境、分析建構

教師活動:實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%,但是標簽模糊不清.

提出問題：請學生們結合浮力知識思考如何鑒別這兩種液體密度的大小.

學生活動:思考并討論,提出鑒別的方法.

實驗制作: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,并嘗試辨別A、B兩種液體密度的大小關系.

教師活動:展示幾位學生做成的密度計,結合PPT圖片展示,引導學生思考細鐵絲纏繞的形狀是否對測量密度有影響從而建立密度計的“圓柱體”模型.

設計意圖：學生通過制作的過程體會和加深對密度計原理的認識.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”密度計建立密度計的模型,把模型建構的過程通過如圖2所示的方式顯化出來,引導學生從形象思維過渡到抽象思維.培養模型建構能力.

圖2 建構密度計模型

環節二：類比遷移、標定刻度

教師活動:如圖3所示,引導學生回顧溫度計的刻度標定方法,總結這些把目標量轉換成長度測量的刻度標定方法.先選定兩個標準:冰水混合物為0 ℃,一個標準大氣壓下沸水的溫度為100 ℃,把它們之間的長度100等分,標記上相應的刻度,然后再用已知溫度來檢驗這種標記方法是否正確.提出問題:類比溫度計的刻度標定方法,如何給密度計標記刻度?密度計上的刻度線具有什么特點?與溫度計的刻度有什么不同?

圖3 密度計刻度標定方法

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

學生活動:實驗桌上有標有密度值的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記,把相應的數據填寫在數據表格中.觀察發現雖然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上標記的長度間隔卻不相等.

設計意圖：給儀器標定刻度是制造過程必不可少的環節,密度計刻度“上小下大、刻度不均勻和上疏下密”是學生理解的難點,學生通過實驗觀察到直觀數據和現象,基于現象和數據通過科學推理說明密度計的刻度特點,并把刻度標定的原理和方法如圖3所示顯化出來,通過實驗觀察和科學推理相結合突破學生的認知障礙,發展基于模型分析和推理的能力.

環節三：提出質疑、實驗探究

教師活動:請一位學生到講臺前使用自制的密度計來區分出這兩種酒精,發現密度計在兩種液體中露出部分基本相同,即自制的密度計難以辨別.請學生們結合定量計算討論思考原因是什么?

學生活動:根據酒精密度的計算方法,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,而自制的密度計的最小分度值為0.1 g/mL,也就是精確度不達標導致無法測量.

教師提出驅動型問題:如何提高密度計的精確度呢?想要提高密度計的精確度,就要找準哪些因素會影響密度計的精度,請學生們認真觀察并提出猜想.

學生活動:學生結合密度計僅由金屬絲和吸管組成,提出金屬絲的質量和吸管的粗細會影響其精確度.通過分組實驗探究,一些小組采用更換更細的吸管,發現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的情況下增加金屬絲的質量,發現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.

設計意圖：制造出來的密度計無法完成鑒定的任務,引發認知沖突,激發學生對制作的過程提出質疑,進一步引出提高精確度的進階任務.提高精確度是較難的環節,采用先實驗探究再推理論證的形式展開.在學生經歷了探究精確度的影響因素的過程中進一步提高科學探究和推理的能力.

環節四：推理論證提高密度計精確度的方法

教師活動:以B、C的間隔0.11H為例,如果想要使其對應的距離更長,則提高H的值即可.從密度計在不同的液體中始終是處于漂浮狀態入手,通過受力分析可得:F浮=G物,進一步推理論證:

結合所建構的密度計“圓柱體”模型,可得

ρ液gSH=m物g

由此可見,增加配重的質量或者減小柱體的橫截面積都可以增大H的數值,結合這個關系可以進一步做出如圖4所示的H-ρ圖像.

圖4 浸入深度和液體密度關系

設計意圖：通過理論論證增加質量和減小底面積是較難的部分,需要學生借助已經建立的“圓柱體”模型的基礎上進一步推理論證得到,這個環節也正是想讓學生經歷了科學探究以后,能嘗試進行的理論分析,實現實驗和理論推導雙重論證,進一步發展學生科學推理和論證的能力.

環節五：總結歸納、遷移創新

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

學生活動:遷移應用、討論思考.從彈簧測力計改裝成密度計的原理、刻度標定方法和提高精度的方法3個角度展開討論.

設計意圖：從原理-刻度標定方法—提高精度的分析方法,總結密度計的制作過程,這不僅是密度計的制作方法,更是我們大部分物理儀器的生產制造過程.引導學生從個別到一般的提升,再進一步應用.這個過程有意識地引導學生從金屬絲密度計遷移到彈簧測力計密度計,培養學生的創新能力.

4 總結與反思

學生物理科學思維能力的形成與發展,離不開教師教學中有意識的培養.教師作為教學活動的設計者,應首先確定本節課所要發展的科學思維的能力目標.本節課基于真實情景,根據能力目標設計多樣化的教學活動,學生在進階式任務的驅動下,完成由被動接受向主動學習的轉變,發展了學生的模型建構能力、科學推理和論證的能力,更重要的是讓學生經歷了儀器制作和改進的全過程,培養了學生的質疑精神和創新精神,有利于落實學生學科核心素養的培養.