优化实验设计 使用比值法构建密度的定义概念

江果丰　江帆

摘 要：“密度”是初中物理教学中遇到的一个比值定义概念.本文以“密度”教学为例，通过优化课堂实验设计，以对照形式的问题串为导向，结合实验操作，联系学生生活实际，把物理课堂中“密度”这一个比值概念通过图像研究方法构建给初中学生.

关键词：密度；比值；概念

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1008-0333（2023）02-0067-03

比值定义概念，又叫属性定义法概念，它是指概念本身，是在其他几个概念的相互关系中得出的结论.该概念本身包含了另外几个概念的特性，同时又反映了事物本身所具有的不同于其他物质的特性.

比值定义概念在初中物理学习中，是和普通的物理基础元素定义概念有着本质区别的物理概念.那些能够通过测量工具直接测量直接得出来的物理量概念，例如长度、时间、温度、质量等等，由于这些基础概念在日常生活中随处可见，测量方法直观，学生容易理解和接受.但是一些比值定义概念，比如速度、密度、压强、功率等等，它们的含义来源于几个概念的特定关联，不能像基础概念那样直接在学生的头脑中得到直观的认识和理解，需要在其他几个概念的相互关系中得出结论.在初中物理教学中，这种比值法定义的物理概念从开始接触，继而渐学渐多，这种类型概念的教学，应该如何开展呢？本文以“密度”教学为例，尝试从优化实验设计的角度探讨一二.

1 书本对于“密度”概念的阐述的不足之处

教材从体积相同的木块、铝块和铁块，它们的质量并不相同这个例子引入，得到“同一种物质，体积越大，质量越大”的结论.这个结论是不科学、不严谨的，至少应该在后面打个问号.特别是在以后的浮力章节的学习环节中，会出现同一种物质组成的各种状况的实心或者空心的物体，不能再简单地从体积大小比较同一种物质的质量大小關系.

教材在一开始提出的有待验证的观点“同一种物质的质量与它的体积成正比吗？”这个成正比例关系，在无法确定学生的数学知识有没有学习掌握到正比例这个环节的情况下，也直接对学习的概念理解造成模糊不清的认知.

教材在设定密度实验探究的环节，使用的器材是大小不同的若干铝块和天平以及直尺.分别用天平测量出这些大小不等的铝块的质量，然后用直尺测量出它们的尺寸，用数学公式计算出它们的体积.这样的实验设计，使用天平测量铝块质量耗费时间，天平的测量结果读数需要逐一读取砝码和游码，耗时又费力，读数难度比较大，坐在后面的学生基本上看不清楚老师的操作，也看不清楚读数.利用直尺测量各种铝块的尺寸，然后用数学公式计算出他们的体积，再进行一番单位转换.在观看教师进行这种枯燥重复的实验操作过程中，一般学习程度的学生以及坐在课室中后排的学生已经坚持不下来，失去了好奇心和耐心.更遑论让学生自己如此这般重复一遍测量工作和纸面上的数学计算，“探究”一番了.

我国古代思想家荀子说过：“闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之.”从物理课堂学习效果来看这句话就是：教师把知识概念生硬直白地灌输给学生，那是比较浅表的、被动的学习，难以在学生的脑海留下深刻的印象和情感共鸣，如果能有精彩的演示实验让学生看得见客观事物的变化现象，思考物象变化背后的隐藏的规律，那么学习效果会好一些.让学生看着老师操作演示物象的变化，又还比不上学生自己亲身动手参与尝试实践这些物象变化过程的印象更加感受深刻.

2课堂实验优化设计

2.1 优化演示实验的目的

在明确教学内容和教学目标的情况下，基于书本概念阐述以及探究实验设定的不足之处，对于《密度》这一节的教学，对密度实验进行了优化改良，力图弥补书本的概念阐述不清晰之处，简化实验探究的繁琐度，提升时间宝贵的课堂实验的速度，以及提高探究实验的可观性，使得实验更加易于操作，读数更加清晰明确，实验速度更加便捷，实验数据更为精确.

此外，通过改良测量液体密度实验设计活动，在正比例图像中诠释密度的比值概念.把物理课堂中比值概念这一新鲜的物理量和图像研究方法带给初中学生.

2.2 改良的实验器材：天平、电子秤、60毫升的针筒

学生刚学习完质量的概念，会使用天平.但本节为简化实验操作过程，把重点放在密度概念的构建上，故在探究密度的实验中采用电子天平测量物质的质量，替代了操作繁琐严谨又耗时的天平.此外，由于测量固体、液体，甚至是气体的密度的方法都是必须取得被测量物体的质量和体积，我们采用液体替代书本的铝块，用针筒直接抽取所需液体的体积，加快读数的精确度和容易度.以求尽快获得质量和体积的实验数据进行分析.

2.3 正比例图像的引入

如果未能确定学生数学上是否已具备正比例函数的相关概念，分析实验数据时可以采用直观的动画演示，以表明同种物质的质量与体积之间的正比例关系.

3 教学过程

3.1 回顾“质量”，承上启下.设定“悬念”，把质量与体积的概念作为课前复习引入

教师活动 取出两个外形规格完全相同的矿泉水瓶子.甲瓶里面装有一整瓶水，大概300毫升.乙瓶里面装有半瓶水.大概150毫升.

师：同学们来看看这两瓶水，甲瓶的体积是300毫升，乙瓶的体积是150毫升.哪一瓶的质量比较大？

生：300毫升满瓶水的质量大.

教师活动 分别把满瓶水和半瓶水放到500克量程的天平上称量，得出满瓶水质量大的结果.顺便复习了一遍使用天平的规范操作.得出结论，复习质量和体积的关系.

生：同种物质，质量随着体积增大而增大.

教师活动 取出两个质量相同、体积相同的铁球.

师：这是两个用相同材料金属铁做出来的体积一样大的铁球.同学们来猜测一下这两个铁球的质量大小比较？

生：两个金属铁小球的质量一样大.

教师活动 分别把两个一样体积的金属铁小球放到500克量程的天平上称量，得出两个体积相同的同种金属铁小球质量相同的结果.

生：两个相同材料相同大小的金属铁小球的质量一样大.

教师活动 取出两个质量不同的铁球，一个是实心的大质量小铁球，一个是空心的小质量大铁球.

师：这是两个用相同材料金属铁做出来的铁球.同学们来猜测一下这两个铁球的质量大小比较？

生：大铁球的质量大.

教师活动 分别把两个不一样体积的金属铁小球放到500克量程的天平上称量，得出小体积的金属铁小球质量大的结果.

师：两个小球的材质相同，为什么会出现这种质量不同的情况？为什么体积大的铁球反而质量小？

学生活动 讨论纷纷.有学生提出大铁球可能是空心的猜想.

教师活动 取出两瓶装在相同规格透明矿泉水瓶子里的、体积一致是150毫升的A溶液浓盐水和B溶液95%酒精.事先在瓶子上面标注“A”“B”，但是不告知学生液体成分.

师：同学们来猜测一下A与B这两瓶溶液，它们看起来外观一样，它们的体积也是一样的150毫升.它们的质量会一样吗？

学生活动 由于有了刚才大小铁球的质量比较，学生意识到不能只从表面的体积大小判别出质量大小，于是又议论纷纷.

师：这两瓶外观和体积看起来一样的液体，它们的质量会蕴含什么特别的秘密呢？为了尽快解决这个疑问，我们来改良一下刚才的实验条件，力求尽快揭开这个秘密.

概念教学重点并不在于概念的本身，而注重于引导学生构建这个概念的过程，在于引导学生思维的近距离迁移和爬升.概念是需要在感性认识的基础上产生的.任何学习都要涉及学习者原有的知识结构.学生总是要运用自身的经验作为背景，来理解和建构新的知识.学生有比较，有疑惑，有经历，才有感悟.

在学生接触到“密度”这个全新的概念之前，教师通过设置悬念，从学生已有的知识点切入，逐步爬升进入新的教学情境中.学生发现通过已有的质量和体积的概念的认知，已经不能解决当前所遇到的新问题了.对于当前产生的新疑惑，需要经历进一步的学习，才能有所收获有所领悟.这就进入了一个概念学习的建构过程.

3.2 教师演示使用针筒测量液体体积的正确操作，强调注意事项

教师活动 针筒——抽取液体，并同时测量液体的体积.注意提示学生，读数的时候眼睛和针筒刻度线齐平.

师：读数单位是什么？提醒学生留意分度值.

生：毫升.

师：毫升和国际单位的对应关系？

教师活动 板书：ml，1ml=1cm3

展示错误的操作和图片（针筒漏气、有气泡和读数视线斜视）

学生活动 指出教师错误的操作，表示要避免实验中因错误操作取得错误数据.

3.3 教师演示电子秤的正确使用方法

教师活动 电子秤的基本的使用介绍.打开开关，放置，读数.

电子秤去皮操作介绍：列举日常生活中，去市场买牛肉的时候，要提醒商家上秤称量的时候去除外包装盒子的重量.

3.4 教师用针筒抽取不等量的同种液體，记录其体积V.使用电子秤测量质量m，记录到预先准备好的数据记录表中

学生活动 观察教师演示操作.

教师活动 以质量和体积作为纵横坐标，描出坐标点，连线，分别画出A、B液体的质量——体积图像

3.5 进行学生分组课堂实验

师：四人一组，半数小组测量对象为液体A，半数为液体B.用针筒抽取不等量的同种液体，记录其体积V和质量m到数据记录表中.

学生活动 每组一电子天平、一针筒、一杯液体（A或B），操作时间5-8分钟.

有的比值概念可以从其单位反向推导出概念的关系来源，例如密度（千克/立方米）（克/立方厘米），速度（米/秒）.有的概念虽然也是通过比值法诠释而来，由于为了纪念与概念有关的科学家，重新赋予了这些物理概念新的单位名称，例如压强（帕斯卡），功率（瓦特，也就是 焦耳/秒）其本质上还是同一种研究方法而得来.

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准［M］.北京：人民教育出版社，2018.

[2] 吴振楠.基于核心素养的问题引导式教学设计[J].中学物理教学参考，2021（10）：38-41.

［责任编辑：李 璟］

收稿日期：2022-10-15

作者简介：江果丰 （1975.7-），本科，中级教师，从事计算机教学研究.

江帆（1980.10-），本科，中小学高级教师，从事物理教学研究.