自制测量工具 培养物理学科核心素养

洪洁伶

【摘 要】在学生试验中，自制测量工具是很能帮助学生提高物理核心素养的一种动手实验，它并不是简单的模仿制作，而是在不断改进过程中考验学生的思考能力、创新能力、动手能力，并且对物理概念的深度理解起到了非常积极的作用。在本文中，笔者以自制密度计为例，阐述自制测量工具在培养学生物理学科核心素养上的显著作用。

【关键词】自制;物理实验;核心素养

很多年前，中国科学院动物学家扬卫平发出质疑：“现在，我们一不缺钱，二不缺仪器设备，三不缺勤奋努力，为什么到头来原创性成果还是比不过别人？”彼时，笔者刚刚踏上教育岗位，这段话，成为多年教育实践过程中反反复复思索的问题，也是前进的方向和灯塔。福建师大的余文森教授指出，这个问题的根源在于思维方式，思维方式的模式化、格式化导致原创思维的欠缺和丧失。物理学是以实验为基础的一门学科，我们要培养学生物理学科的核心素养，就必须在实验的过程中建立物理概念、物理思维、体验科学探究的过程，树立科学态度与责任。

在学生试验中，自制测量工具是很能帮助学生提高物理核心素养的一种动手实验，它并不是简单的模仿制作，而是在不断改进过程中考验学生的思考能力、创新能力、动手能力，并且对物理概念的深度理解起到了非常积极的作用。如何在一步一步的改进过程中获得更好的测量效果，这个过程极大地刺激了学生的感官，调动了学生的学习积极性，激发了学生的兴趣和求知欲，从而由浅层的学习进入深层的思考。初中阶段可以利用手边随手可得的瓶瓶罐罐甚至纸片制作的测量工具很多，刻度尺、弹簧测力计、简易小天平、密度计、电流表、电压表……在本文中，笔者以自制密度计为例，阐述自制测量工具在培养学生物理学科核心素养上的显著作用。

一、建立物理概念，理解物理原理

物理实验中使用的密度计，是一种测量液体密度的仪器。它是根据漂浮在液体中的物理所受的浮力等于重力的原理制造与工作的。密度计是一根粗细不均匀的密封玻璃管，管的下部装有少量密度较大的铅丸或水银。使用时将密度计竖直地放入待测的液体中，待密度计平稳后，从它的刻度处读出待测液体的密度。

学生要想自制密度计，首先要理解密度计的工作原理。

教师可以提问，为什么一定需要漂浮的物体呢？悬浮或是沉底的物体不行吗？问题不难，可是此时学生就必须去思考。

教师进一步提问，密度计在不同液体中液面指示的刻度是不同的，最根本的原因是什么？学生可以回答：密度计浸没在液体中的体积不同。引起这个体积不同的原因是什么。学生在这个地方往往会有一个错误的前概念，觉得密度计受到的浮力大一些，密度计会浮的高一些。此时根据浮力公式F浮=ρ液gV排，学生很快就能发现矛盾的地方，密度计浮得更高了，V排不是变小了吗？难道浮力变小了？对比思考过后，孩子们可以更深刻的明白，物理漂浮的时候，浮力的大小等于自身的重力，所以只要物体重力不变，浮力大小是不变的。当密度计放在密度不同的液体中，由于浮力不变，所以密度大的液体中，密度计会浮得高一些，这个时候指示的刻度应该较大。反之，则较小。

由此，学生在制作密度计的前期知识储备中通过深入思考明白了两件事情： 1.密度计的工作原理是漂浮在密度不

同的液体中受到的浮力大小相同;2.密度计的刻度应该是下大上小的。

二、培养物理思维，体验科学探究过程

理解了原理之后，学生开始选材。要求学生从日常的事物中选取适合的材料，甚至可以从曾经出现过的习题、网络上的成功案例中获得经验。这一点，很能考察学生获取信息、处理信息的能力。毫无疑问，学生获取信息的途径是五花八门的，他们所选取的材料也是各式各样的。有铅笔和铁丝、吸管和沙子、小木杆、甚至塑料玩具，处在信息爆炸的年代，孩子们很容易得到自制密度计的方法，简单而又容易的制作教材网络上遍地都是，事实上真的那样了吗？学生根据百度来的方法制作了各种各样的简易密度计。

方法一：找粗细均匀截面形状相同的木棒一根，在一端钉一大铁钉，铁钉上缠一些铁丝也能制成密度计。

方法二：用铅笔自制密度计，在铅笔一端缠绕数圈细铁丝，或插到一块橡皮里，使其能在水中直立，刻下此时水面在铅笔杆的位置，即制成简易密度计。

方法三：找一支塑料吸管，用蜡烛油把钩口封死，在吸管中装入适量的沙子，也能制成密度计。

……

看起来一切似乎很简单，做起来就不是那么回事了。当学生们在按部就班的进行时，他们自己发现并提出了问题：细木棒很难钉入铁钉;粗木棒在不同液体中V排区别太小;铁丝太重;铅笔沉底了;吸管在液体中歪歪斜斜的，不能竖直漂浮……孩子们为了制作出好的密度计，不得不针对出现的问题进行思考，教师给予适当的引导：1.大家选取的主材料有什么样的特点，为什么要这样选取？2.为什么要让它们竖直漂浮在液体中呢？怎样可以做到竖直？

孩子们在教师的引导下主动参与、思考积极、气氛活跃， 通过交流讨論，对实验现象的对比、分析、归纳和总结，学生们得出了各种不同的结论，培养了孩子的发散性思维。孩子们的结论总结如下：

1.选取自身材料密度小的空心物体（吸管、胶头滴管、圆珠笔管……）放入配重。要比铅笔、木棍等物质缠绕铁丝好。物体更容易竖直漂浮，根据需要调节配重更方便;

2.根据圆柱体积公式，选用较细的柱状物体，漂浮在不同液体中时△h区别更大，可是较细的物体不容易添加配重;

3.下端是圆弧形或锥形的物体（胶头滴管）比底部水平的物体更容易在竖直方向平衡;

4.体积小而均匀的配重效果比大块配重好，使密度计更容易竖直平衡;

5.密度大的配重（铅粒）比密度小的配重（砂砾）效果更好，但是成本更高。

根据他们自己总结出的结论，孩子们利用大吸管、小铅粒、胶头滴管做出了两个可以很好竖直漂浮在液体中的半成品（如图1）。再进一步分析比较二者的优劣，孩子们又制作出了最终版本。（如图2）

三、从定性到定量，树立科学态度

这样的密度计能测量液体的密度吗？一个完整的测量工具还需要相应的刻度，怎样标示刻度？能像弹簧测力计一样把两个值之间等分吗？你能给我们的密度计标上刻度吗？怎样使你的刻度尽可能准确呢？

问题抛给学生，学生会想要去定位标准的刻度。他们能够标出的第一个刻度值是1.0×103kg/m3，因为水是生活中常见而易得的液体。然后才能想到去标示其他的刻度线，孩子们会想到利用密度不同的已知液体多刻制几条刻度线。教师提问：我们的生活用水密度一定是1.0×103kg/m3吗？如何获得密度比水大或比水小的液体呢？获得这些液体后又怎样知道他们的准确密度值呢？孩子们就问题展开讨论，油、煤油这样特殊的液体会被排除在外，不容易获得也不容易清洗。怎样寻找容易获得且能够改变密度的液体呢？类似盐水、糖水、酒精掺水自然是最为合适的选择。选用成品密度计来与自制密度计进行对比，从而比较准确的标示出刻度值。这个过程是量化的，严谨的，孩子们必须认真细致，尊重事实，积极主动地接受经过证实的结论。这在实验过程中潜移默化的树立孩子们的科学态度。当然，也可以鼓励孩子们发散思维，探讨其他标示刻度的方法。

自制密度计的过程让学生深切地感受到了学习的乐趣，收获的快乐和成功的愉悦。其实，每一个实验都跟着一串问题，不要因为思维活动几下就停了下来，没有走到目的地的过程像是一段没有演奏完的乐章。好的实验就像投入湖面的小石头引起的波浪一样，推动孩子的思维向着更深更广的方向发展，将学生领进科学的殿堂。虽然现在的教学条件比以前改善了很多，有了各式各样的成品教学仪器，但有些情况下利用身边随手可得的物品进行实验探究，可以拉近物理学与生活的距离，让学生亲切地感受科学探究的过程。自制教具是实验教学的一个有机组成，事实证明，随着物理实验的开展，物理教师们在教育教学领域中大胆创新，尝试自制各种测量工具，是促进实验教学开展的重要方式，它能有效辅助优化课堂教学效果，能够更好地培养学生的综合持续能力和物理核心素养。

【参考文献】

[1]任荃.中国“牛顿”：“苹果树”在哪[N].文汇报，2004-

10-19