“发现学习”理论在中学物理教学设计中的运用

马孝忠

“物质的密度”是中学物理最基本、最重要的概念之一.首先， 密度是学生后续学习液体压强、浮力等知识的基础；其次，密度是学生涉及的物质的物理属性，它是用比值法定义的物理量.对于比值定义的物理量，一般比较容易测量，这种教学应以实验为基础，采用探究的方式进行设计教学，不仅能调动学生学习的积极性，更重要的是建立密度概念的科学方法对于学生学习物质的其他物理属性具有代表意义.如何让学生更好地掌握知识技能和提高科学素养，本文介绍笔者运用“发现学习”理论设计“物质的密度”的教学过程.

1中学物理实验探究性教学的理论基础

物理实验探究性教学首要的理论基础是布鲁纳提出的“发现学习”.布鲁纳发展了杜威教学理论中的积极因素，注意调动学生学习的积极性，通过学生自身的发现、探索活动来掌握知识、发展科研智慧.他认为在教学过程中要有意识地让学生自己发现问题并寻找答案，从而学会“如何学习”，因此最主要的学习方法是尽可能引导学生自己去发现，通过这种方法加强学生的探究能力是教学过程的核心.他认为在教学过程中，重要的是培养学生学习和探究以及独立解决问题的态度.而要培养这种探究态度，最重要的条件就是培养学生问题意识和发现意识的喜悦感，树立对自己能力的信心.“发现学习”较好地体现了学生的主体地位，体现了学生认识过程的性质和特点.由于探究教学强调的是师生共同创设情境，引导学生猜想、发现、探究问题，因而布鲁纳的“发现学习”理论在物理实验探究性教学实践过程中发挥着积极的指导作用.

布鲁纳将“发现学习”概括为：“以培养探究性思维的方法为目标，以基本教材为内容，使学生通过再发现的步骤来进行的学习”，并进一步提出了运用发现学习的一般步骤：（1）提出要解决或研究的问题，以激起学生探究的需求，明确发现的目标或中心；（2）对所发现的问题，提出解答的假设，指导学生思考的方向，并推测出各种答案；（3）创设特定的问题情境，使学生在这种情境中面临矛盾，使之产生问题，从而寻求问题的解答；（4）协助学生收集和组织有关资料，使学生能够运用自己所获的知识捍卫自己的观点，提出论据和论证；（5）对争论和证明作总结，最后得出结论.“发现学习”实质是要求学生在教师的启发下，让学生借助教材或教师提供的有关材料亲自探索或发现应得出的结论和规律.

2运用“发现学习”理论构建“物质的密度”教学设计

运用“发现学习”理论引导学生借助原认知和实验进行科学探究，可以清晰地建立密度的概念，从而取得较好的教学效果.以下是笔者运用“发现学习”理论构建的“物质的密度”教学设计.

2.1从生活情境到物理情境——概念的引入

师： 同学们请看展示照片.一张是所有班级的学生在操场上做早操的情景， 一张是少数班级的学生在操场上体育课的情景.比较学生分布的疏密程度.

生： 发现学生的分布有疏密程度的不同.

师： 出示两个物体.一个是厨房里用来清洁餐具的长方体海绵块，一个是实验室里经常用到的长方体木块.比较物质分布的疏密程度.

生： 发现物质的分布也有疏密程度的不同.

对初学者来说，在形成某个概念的初始阶段，教师应该以日常生活中能够反映概念本质的那些最为朴素的、直观的经验事实为基础，设计贴合学生实际的问题情境，让学生在运用原认知解决问题的过程中，发现新的问题，从而产生进一步探究的欲望.

2.2从物理情境到方法归纳 —— 概念的建立

师： 体积都是10 cm3的实心铜柱和实心铁柱，哪个物质分布更密集？并说明理由.

生： 需要比较它们的质量.

师： 用已经调节好平衡的托盘天平比较铜柱和铁柱的质量大小.

生： 铜柱的物质分布更密集.铜柱和铁柱体积相同，但铜柱的质量较大.这就说明在相同体积内铜柱所含物质更多.

师： 这是一种怎样的比较方法？请大家归纳一下.

生： 相同体积比质量，质量越大，物质分布更密集.

师： 质量都是100 g的水和酒精， 谁的物质分布更密集？并说明理由.

生： 需要比较它们的体积.

师： 先用天平和烧杯称取100 g的水和酒精，然后用量筒测出它们的体积.

生： 水的物质分布更密集.水和酒精质量相同说明它们所含物质的多少是一样的，但水的体积小.

师： 这是一种怎样的比较方法？请归纳一下.

生： 相同质量比体积，体积越小，物质分布越密集.

师： 实心物体A的体积为100 cm3质量为790 g；实心物体B的体积为10 cm3，质量为89 g.哪个物质分布更密集？并说明比较方法.

生1：B的物质分布更密集.比较它们质量与体积的比值 ，比值越大说明相同体积质量越大，表示物质分布更密集.

生2：B的物质分布更密集.比较它们体积与质量的比值 ，比值越小说明相同质量体积越小，表示物质分布更密集.

师： 两位同学的方法都是正确的.求质量与体积的比值，就是利用除法将物体的体积变成一样，即选择同样的体积作为比较疏密程度的标准；求体积与质量的比值，就是利用除法将物体的质量变成一样，即选择同样的质量作为比较疏密程度的标准.所以说，两种方法的本质思想是一致的.但是，物理上用质量与体积的比值m/V表示物质分布的疏密程度.这是因为，m/V比值越大，物质分布越密集；V/m比值越小，物质分布越密集.也就是说，用质量与体积的m/V表示物质分布的疏密程度更符合人们正常的思维习惯.至此，学生已经比较清晰地知道，为什么要把质量与体积相比.质量与体积比值的形式与密度公式“ρ=m/V”也水到渠成地初步建立了联系.显然，学生已成功地初步建立起密度的概念.但是，到目前为止，只能说采用比值的方法可以比较物质的疏密程度，还不能说明该比值就是物质的一种特性.要得出该比值是物质的一种特性这一结论，还必须经历下一步的实验探究过程.

3从方法归纳到实验探究——概念的确立

师： 我们已经知道， 质量与体积的比值mV越大，表示物质分布越密集，那么是否存在质量与体积的比值为定值的情况？也就是说，是否存在物质分布的疏密程度保持不变的情况呢？可以举例说明.

生1：一滴水、一杯水、一桶水.

生2：一块橡皮、两块橡皮、三块橡皮.

生3：一枚1元硬币、两枚1元硬币、三枚1元硬币.

师：橡皮和1元硬币相比，质量与体积的比值m/V相同吗？

生：不同吧？

师：如何证明？

生：实验验证.学生进行分组实验，3组测橡皮，3组测一元硬币，三组测段状胡萝卜，用天平测质量，用量筒测体积，每组只需完成1个实验.

师：将各组数据汇总，引导学生进行数据分析.

生：同种物质的物体，质量与体积的比值相同（或定值）；不同种物质的物体，质量与体积的比值不同.

师：在其他条件一定的情况下，质量与体积的比值由什么决定？

生：由物质的种类决定.

师：现在我们已经知道，同种物质，比值m/V相同，物质分布的疏密程度相同；同种物质，比值m/V不同，物质分布的疏密程度不同.由此可见，比值m/V反映了物质的一种特性，这种特性就是“物质分布的疏密程度”.在物理学上，就把质量与体积的比值定义为“物质的密度”，简称“密度”，即ρ=m/V.同学们，物质的密度与物体的质量、体积有关系吗？

生：密度与质量、体积无关.因为同种物质比值m/V相同，即质量与体积成正比.至此，我们发现了比值m/V更深层次的物理意义——反映了“物质分布的疏密程度”这一特性.此时才给出“密度”的称谓，充分体现了比值定义物理概念的逻辑要求.为什么要把质量与体积相比？是因为比较物质分布的疏密程度需要统一比较的标准；为什么要把比值m/V定义为密度？是因为在比较的过程中发现了事物的共性（或者说本质属性）——同种物质疏密程度相同.因此，运用比值法定义能够揭示物质本质属性的概念.

4从实验探究到联系生活——概念的深化

师： 澳门的总人口约为60万，地区占地面积约为30 km2；香港的总人口约为710万，地区占地面积约为1100 km2，比较两个地区的人口密度大小.

生： 人口密度就是总人口与地区占地面积的比值.通过计算可以发现，澳门的人口密度更大.

比值定义法有着广泛的日常经验基础.这一环节就是要联系学生最朴素的生活经验，让学生经历由具体到抽象再由抽象到具体的螺旋式上升过程，丰富学生对比值定义法的认识，真正提升其科学素养. 奥苏贝尔认为，有意义学习就是符号代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念建立了非任意的和实质性的联系.

综上所述，运用“发现学习”理论，从生活情境到物理情境引入教学，引导学生发现问题；再从物理情境到方法归纳，启发学生对问题的思考和探究；最后从方法归纳到实验探究，使学生运用自己所得知识得出结论，从而建立“密度”的概念.整个教学设计中教师扮演学习的促进者角色，不断地向学生提供问题情境，引导学生对情境发问并搜集答案，同时较好地体现了学生的主体地位.运用“发现学习”理论来驱动课堂的教与学的活动，分层逐步揭示概念背后的本质观念和科学方法，让学生在基础知识和基本技能得到提升的同时获得物理学科素养的提升，从而具备后续发展的可塑性.