魯植全

(云南大學(xué)附屬中學(xué) 云南 昆明 650031)

1 引言

在平時(shí)的教學(xué)中，很多次遇到這種現(xiàn)象：給學(xué)生一個(gè)計(jì)算題學(xué)生會(huì)做了，再給學(xué)生一個(gè)可以用同樣方法來測(cè)量出某個(gè)物理量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題學(xué)生就不會(huì)了，而且無從下手.由此引發(fā)了筆者的困惑和思考：明明解決問題的方法類似，為什么學(xué)生表現(xiàn)出的差異卻如此之大呢？后來查閱資料了解到：物理問題可以分為“原始物理問題”和經(jīng)過抽象后而理想化的“物理模型問題”，即常見的物理習(xí)題兩大類.所謂“原始物理問題”是指未經(jīng)過人為抽象化和理想化加工的、來自自然現(xiàn)象和生活生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)際物理問題.北京大學(xué)物理系趙凱華教授曾經(jīng)指出：在我們的教學(xué)中，同一物理問題，既可以把原始物理問題提交給學(xué)生，也可以由教師把物理問題分解或抽象成一定的數(shù)學(xué)模型后提交給學(xué)生，而我國(guó)的學(xué)生往往獲得的是后者而非有血有肉的物理現(xiàn)象，缺少了將原始問題轉(zhuǎn)化成抽象問題的過程培養(yǎng)，所以在遇到原始問題時(shí)往往會(huì)不知所措.

目前很多教師都在關(guān)注這一問題，都在反思學(xué)生出現(xiàn)這種現(xiàn)象是否是我們教師所造成的，是否是應(yīng)試教育所造成的必然結(jié)果？很多教師呼吁進(jìn)行深層次的教育改革，要求我們不能再惟考施教，應(yīng)著眼于學(xué)生的能力發(fā)展，走出課堂，聯(lián)系社會(huì).因此，在教學(xué)中適時(shí)穿插一些物理原始問題對(duì)切實(shí)提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力顯得尤為重要.在初中密度的知識(shí)學(xué)習(xí)完之后，筆者選擇了密度的測(cè)量作為教學(xué)內(nèi)容，將物理原始問題融入課堂教學(xué)做了一次嘗試.

2 教學(xué)案例

上課一開始，筆者直接問學(xué)生們：小明在家里發(fā)現(xiàn)了一瓶液體，不知道是什么液體，你能幫他想辦法判斷出液體的種類嗎？

當(dāng)筆者把問題給出之后，有不少學(xué)生表情詫異而又一臉茫然，然而很快就有學(xué)生舉手要發(fā)表自己的看法.

生：可以測(cè)量液體的密度，因?yàn)槊芏瓤梢杂脕龛b別物質(zhì).

學(xué)生們紛紛點(diǎn)頭表示贊同.

師：那么，怎么測(cè)出該液體的密度呢？

師：怎么用天平來測(cè)量液體的質(zhì)量呢？實(shí)驗(yàn)步驟有哪些？

生：液體不能直接倒入天平托盤，所以我們應(yīng)該使用一個(gè)量筒，先測(cè)出空量筒的質(zhì)量；再將液體裝入量筒中，天平測(cè)出量筒和液體的總質(zhì)量；二者相減得到液體的質(zhì)量.

這個(gè)方案一提出來，就立即有學(xué)生舉手起來說道：剛才的這種方案有個(gè)錯(cuò)誤，量筒要放置在水平桌面上，而天平在使用過程中橫梁會(huì)左右搖擺，所以量筒不能放在天平上.我認(rèn)為應(yīng)該把量筒換成燒杯，測(cè)量步驟為，先測(cè)出空燒杯的質(zhì)量m1；再將液體裝入燒杯中，天平測(cè)出燒杯和液體的總質(zhì)量m2；二者相減得到液體的質(zhì)量.再將液體倒入量筒測(cè)得體積V，從而代入密度公式計(jì)算液體密度

師：非常好.請(qǐng)大家對(duì)該測(cè)量方案進(jìn)行評(píng)估，指出方案的不足.

生：我覺得剛才的方案會(huì)帶來較大的測(cè)量誤差，因?yàn)閷⒁后w從燒杯倒入量筒時(shí)倒不干凈.

師：那你認(rèn)為測(cè)量的密度偏大，還是偏小呢？

學(xué)生們沉思片刻后，紛紛舉手.

生：因?yàn)槭菑臒谷肓客矔r(shí)倒不干凈，所以會(huì)導(dǎo)致后面所測(cè)得的液體體積偏小，根據(jù)密度公式可知測(cè)得的密度偏大.

師：那么怎么測(cè)量可以使得測(cè)得的液體密度更準(zhǔn)確呢？

生：我打算先測(cè)量空燒杯的質(zhì)量，接著在量筒中倒入要測(cè)量的液體，測(cè)出液體的體積；最后把量筒中的液體倒入燒杯中，測(cè)出液體和燒杯的總質(zhì)量，減去空燒杯的質(zhì)量就是液體的質(zhì)量，帶入密度公式可得到液體的密度.

該生剛一說完，就已經(jīng)有好多個(gè)同學(xué)舉起了手，紛紛要發(fā)表自己的看法.

生：這種方案還是存在從量筒里倒入燒杯中倒不干凈的問題.

學(xué)生們紛紛表示贊同地點(diǎn)點(diǎn)頭.

師：那么這種方案會(huì)使測(cè)得的液體密度偏大，還是偏小呢？

生：因?yàn)閺牧客仓械谷霟械共桓蓛簦瑫?huì)導(dǎo)致最后一步測(cè)得的液體質(zhì)量偏小，所以密度偏小.

師：那么怎么使得測(cè)得的液體密度更準(zhǔn)確呢？

該學(xué)生說完后，班上立即就有好多學(xué)生露出了會(huì)心的微笑，也有一些學(xué)生情不自禁地為同學(xué)鼓掌喝彩.

筆者發(fā)現(xiàn)還是有部分學(xué)生對(duì)剛才的這種方案沒有完全理解，于是就又重復(fù)分析了一遍，力爭(zhēng)讓每一位學(xué)生都理解方案怎么做到讓質(zhì)量與體積之間相互對(duì)應(yīng)，從而減小誤差的.

此時(shí)，又有學(xué)生舉起了手，起來說道：我還有另一種方案，先測(cè)出燒杯和液體的總質(zhì)量m1，接著只將部分液體倒入量筒中測(cè)出體積V，然后將裝有剩余液體的燒杯一起測(cè)出總質(zhì)量m2，這樣原有總質(zhì)量減去最后剩余的液體和燒杯質(zhì)量就是倒入量筒中的液體的質(zhì)量m1-m2，除以量筒中液體的體積就得到液體的密度

學(xué)生們紛紛鼓掌表示贊同，與前一個(gè)方案異曲同工.

在學(xué)生學(xué)完壓強(qiáng)、浮力、機(jī)械等部分力學(xué)知識(shí)之后，筆者再次把這個(gè)密度測(cè)量的原始問題提出來.

師：如果測(cè)量工具只有彈簧測(cè)力計(jì)，你能否測(cè)出液體的密度？

學(xué)生聽到這個(gè)問題更是一臉茫然.經(jīng)過分組討論之后，有小組匯報(bào)：可以利用浮力測(cè)出液體密度.首先找一個(gè)石塊，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出其重力G；再將石塊吊在彈簧測(cè)力計(jì)下浸沒在水中，讀出測(cè)力計(jì)的示數(shù)F1；再將石塊吊在彈簧測(cè)力計(jì)下浸沒在待測(cè)液體中，讀出測(cè)力計(jì)的示數(shù)F2；根據(jù)物體浸沒在水中時(shí)的浮力公式變形求出物體的體積

再利用物體浸沒在待測(cè)液體中的浮力公式變形得到液體的密度為

師：如果測(cè)量工具只有刻度尺，你能否測(cè)出液體密度？

經(jīng)過分組討論之后，有學(xué)生匯報(bào)說可以利用自制密度計(jì)借助浮力知識(shí)測(cè)出液體密度：找一根粗細(xì)均勻的木筷，用金屬絲纏繞在一端制成一個(gè)密度計(jì)，測(cè)出木筷的總長(zhǎng)度L；將其放入水中使其豎直漂浮，測(cè)出筷子露出水面的長(zhǎng)度L1；再將其放入待測(cè)液體中使其豎直漂浮，測(cè)出筷子露出液面的長(zhǎng)度L2.假設(shè)木筷的橫截面積為S，因?yàn)槟究昶r(shí)浮力等于重力，即

ρ水gS(L-L1)=ρ液gS(L-L2)

即可求解得到液體密度

又有小組學(xué)生舉手說道：可以利用液體壓強(qiáng)知識(shí)測(cè)量.找一根粗細(xì)均勻兩端開口的玻璃管，將玻璃管的一端扎上橡皮膜，將玻璃管緩慢插入裝有水的燒杯中,用刻度尺測(cè)出橡皮膜在水中的深度記為h1；往玻璃管內(nèi)緩慢灌入待測(cè)液體，直至橡皮膜剛好變平，測(cè)出所倒入液體的高度h2；利用橡皮膜變平時(shí)水的壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)相等，列出等式

ρ水gh1=ρ液gh2

即可求解得到液體密度

3 教學(xué)案例分析

(1)原始物理問題能切實(shí)落實(shí)從生活走進(jìn)物理、從物理走向社會(huì)的新課程基本理念

在教學(xué)中當(dāng)筆者把第一個(gè)問題提給學(xué)生的時(shí)候，有不少學(xué)生是很茫然的：什么已知條件都沒有，這樣的問題要怎么去解答呢？這恰恰是我們?cè)趯?shí)際生活中常遇到的生活情境，在這樣的情境下不可能還有已知條件，需要哪些條件，需要準(zhǔn)備哪些工具等這些問題都需要學(xué)生自己去思考.而這種思考不是漫無目的的，是需要學(xué)生能夠?qū)λ鶎W(xué)習(xí)過的物理知識(shí)進(jìn)行聯(lián)系思考，并整合物理規(guī)律之間的聯(lián)系.所以，這樣的問題正好能夠很好地體現(xiàn)新課程“從生活走向物理、從物理走向社會(huì)”的基本理念.

(2)原始物理問題有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

正因?yàn)樵嘉锢韱栴}源于生活，雖然學(xué)生一開始不知道從何處著手，但是學(xué)生卻保有積極的解決問題的熱情.

在本節(jié)課教學(xué)過程中，問題提出之后，學(xué)生展開了積極的討論，提出了自己的測(cè)量方案，雖然有些學(xué)生的方案不完善，甚至有些學(xué)生的方案是錯(cuò)誤的，但是學(xué)生在這種參與討論的思維碰撞過程中能夠不斷進(jìn)益，從而讓問題在爭(zhēng)論與討論中越來越明晰，能夠體會(huì)到參與學(xué)習(xí)的樂趣，學(xué)習(xí)興趣也能夠得到不斷鞏固.

(3)原始物理問題有利于提升學(xué)生分析解決問題的能力

原始物理問題由于其條件的隱蔽性，需要學(xué)生自己去尋找或創(chuàng)造已知條件，同時(shí)利用抽象思維從具體問題中構(gòu)建出物理模型，這個(gè)將原始問題抽象為習(xí)題的過程能夠很好地訓(xùn)練和發(fā)展學(xué)生構(gòu)建物理模型的科學(xué)思維.

本節(jié)課對(duì)如何鑒定是什么液體，學(xué)生首先要將原始問題轉(zhuǎn)化為物理問題：測(cè)密度.同時(shí)，在討論中要理清天平的使用規(guī)則，量筒不能放在天平上等使用要求，誤差分析方法，利用浮力、壓強(qiáng)知識(shí)測(cè)量密度更需要學(xué)生有很強(qiáng)的綜合分析問題的能力，所以，可以切實(shí)提高學(xué)生分析解決問題的能力.

本節(jié)課教學(xué)過程中對(duì)于只有刻度尺一個(gè)測(cè)量工具來測(cè)液體密度這一問題，有部分學(xué)生提出了利用自制密度計(jì)和利用兩端開口的玻璃管來測(cè)密度，是非常好的辦法，但是如果學(xué)生不是具備了很強(qiáng)的綜合分析浮力、壓強(qiáng)等問題的能力是幾乎不可能做到的.雖然大部分學(xué)生直接想出這種方案是很困難的，但是在一起分析其他學(xué)生想出來的方案的過程中，對(duì)綜合分析浮力、壓強(qiáng)、密度等知識(shí)的能力也會(huì)有很大的提高.

此外，由于很多原始物理問題存在開放性、綜合性、復(fù)雜性等特征，在學(xué)生無法單獨(dú)解決問題時(shí)，往往需要配合使用討論式教學(xué)方法幫助學(xué)生克服困難，這個(gè)過程除了可以很好地訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用物理知識(shí)解決問題的能力之外，還可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的交流與合作能力.

(4)原始物理問題有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的發(fā)展，有利于學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成，為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)

開放的原始物理問題，由于問題指向性不特定，所以學(xué)生可以從不同的角度入手，拓展學(xué)生的思維空間，有利于學(xué)生發(fā)散思維的形成和質(zhì)疑創(chuàng)新思維能力的發(fā)展.

本節(jié)課中當(dāng)如何鑒定是什么液體的問題提出來之后，有些學(xué)生從密度的定義公式出發(fā)，提出了天平和量筒測(cè)密度的方案，還有一部分學(xué)生提到了用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)重力的方案來測(cè)密度，還有部分學(xué)生提出了利用浮力知識(shí)測(cè)密度，還有部分學(xué)生提出了利用液體壓強(qiáng)測(cè)密度，還有部分學(xué)生提出了利用杠桿測(cè)密度.

這種多角度的發(fā)散思維，能夠促使學(xué)生理清物理規(guī)律之間的聯(lián)系，有利于形成相互之間討論、爭(zhēng)論的學(xué)習(xí)氛圍，幫助學(xué)生逐步形成質(zhì)疑創(chuàng)新思維.這種從具體問題中構(gòu)建物理模型、從物體間相互作用和聯(lián)系的角度看問題、質(zhì)疑創(chuàng)新等正是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要形成過程.