田曉娜

摘 ? 要：為完成“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”的任務(wù)，初學(xué)物理的學(xué)生把大米數(shù)量的計(jì)量轉(zhuǎn)化為體積、質(zhì)量的測(cè)量，利用了累積、轉(zhuǎn)換等物理方法，增加了對(duì)質(zhì)量、體積的感性認(rèn)識(shí)，提高了解決問(wèn)題的能力，提升了物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：測(cè)量;轉(zhuǎn)換法;小量累積法;物理素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）2-0051-3

門(mén)捷列夫說(shuō)科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的。長(zhǎng)度、體積、質(zhì)量和時(shí)間的測(cè)量是力學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)，充分利用基本測(cè)量的教學(xué)價(jià)值，不僅可以讓學(xué)生掌握正確的測(cè)量方法，而且能夠讓學(xué)生綜合運(yùn)用測(cè)量技能解決實(shí)際問(wèn)題。在研修課上“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”是一次有益的嘗試。

1 ? ?開(kāi)動(dòng)腦筋設(shè)計(jì)測(cè)量方案

一萬(wàn)粒大米若一粒一粒地?cái)?shù)，每秒數(shù)一粒，近3個(gè)小時(shí)才能完成，顯然這不可行。借助哪些測(cè)量手段解決問(wèn)題簡(jiǎn)單可行呢？初學(xué)物理的學(xué)生容易從空間、質(zhì)量、時(shí)間的測(cè)量入手，需要的器材分別為刻度尺、量筒、天平、秒表，學(xué)生設(shè)計(jì)出了幾種典型方案。

1.1 ? ?長(zhǎng)度法

取20粒大米排列成一條直線，用刻度尺測(cè)得長(zhǎng)度為l，每粒大米的平均長(zhǎng)度為l/20，一萬(wàn)粒大米的長(zhǎng)度為500l，借助刻度尺擺出長(zhǎng)度為500l的大米隊(duì)列，需要的大米即為一萬(wàn)粒。

1.2 ? ?面積法

用一個(gè)底面積為S的小紙盒，底部密鋪上一層大米，數(shù)出大米的粒數(shù)n，一粒大米平均占據(jù)的面積為S/n，用刻度尺測(cè)出面積為104S/n的區(qū)域，密鋪上一層大米，對(duì)應(yīng)的大米粒數(shù)為一萬(wàn)粒。

1.3 ? ?體積法

數(shù)出100粒大米，用量筒測(cè)得體積為v，每粒大米的平均體積為v/100，用量筒量出100v體積的大米，就是一萬(wàn)粒大米。

1.4 ? ?質(zhì)量法

數(shù)出100粒大米，用天平測(cè)得質(zhì)量為m，每粒大米的平均質(zhì)量為m/100，一萬(wàn)粒大米的質(zhì)量為100m，用天平測(cè)出質(zhì)量為100m的大米，即為一萬(wàn)粒大米。

1.5 ? ?時(shí)間法

取一個(gè)漏斗，用手堵住底部，裝滿大米，松開(kāi)底部同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)10 s，再次堵住漏斗，數(shù)出10 s內(nèi)漏出的大米粒數(shù)n，計(jì)算漏出一萬(wàn)粒大米所需要的時(shí)間105/n s。漏斗在漏米的同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)105/n s，即可得到一萬(wàn)粒大米。

另外，有學(xué)生設(shè)計(jì)利用杠桿的力臂放大，如力臂比10：1，可以實(shí)現(xiàn)用100粒大米稱(chēng)出1000粒大米;有學(xué)生設(shè)計(jì)用天平測(cè)出一顆彈珠與多少粒大米質(zhì)量相同，計(jì)算一萬(wàn)粒大米相當(dāng)于幾顆彈珠的質(zhì)量再進(jìn)一步測(cè)量。這兩種方法本質(zhì)上與質(zhì)量法相同。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程是調(diào)動(dòng)頭腦中所學(xué)知識(shí)與新情境建立聯(lián)結(jié)的過(guò)程，可行的方案是解決問(wèn)題邁出的一大步。

2 ? ?動(dòng)手操作解決實(shí)際問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)方案是頭腦中解決問(wèn)題的整體思路，解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)需要不斷調(diào)整，這對(duì)于學(xué)生的能力是一種挑戰(zhàn)。

比如，長(zhǎng)度法中學(xué)生發(fā)現(xiàn)一萬(wàn)粒大米一粒粒排列起來(lái)比直接數(shù)粒數(shù)難度還要大。學(xué)生不愿意放棄長(zhǎng)度法，提出可以用只能容下一列大米的凹槽來(lái)省去人工排列的繁瑣，但凹槽需要很長(zhǎng)或者重復(fù)取多次。學(xué)生再次提出的解決方案是凹槽寬一些，一次多鋪幾列，或者凹槽寬一些，同時(shí)深一些，一次鋪更多列。大米從一維排列到二維、三維排列，其實(shí)就是測(cè)量方法從長(zhǎng)度到面積、體積，并且學(xué)生發(fā)現(xiàn)不需要專(zhuān)門(mén)制作凹槽，小紙盒、量筒就是現(xiàn)成的凹槽。雖然長(zhǎng)度法估測(cè)出一萬(wàn)粒大米可行性差，但由長(zhǎng)度法逐步得出面積法、體積法的過(guò)程中，學(xué)生的思維在進(jìn)階，解決問(wèn)題的能力在提升。

面積法中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)大米的單層排列雖然可以用手掌或書(shū)去壓以節(jié)約時(shí)間，但邊緣容易多層堆積，中間容易形成空隙，整理起來(lái)比較耗時(shí)。

時(shí)間法中漏斗底部孔大，大米下落速度太快。計(jì)時(shí)時(shí)間短，計(jì)時(shí)誤差大;計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，落下大米粒數(shù)較多，統(tǒng)計(jì)困難。漏斗底部孔小，大米容易被卡住流不下來(lái)，找到合適的漏斗并不容易。

最后，學(xué)生通過(guò)實(shí)踐得到結(jié)論，體積法和質(zhì)量法測(cè)出一萬(wàn)粒大米最方便、快捷。

理論和實(shí)踐之間有若干實(shí)際問(wèn)題需要解決，只有在教師放手讓學(xué)生操作的過(guò)程中，基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能才能得以應(yīng)用，學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力以及選擇最佳方案的思辨能力得到提高，為以后物理知識(shí)走向社會(huì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 ? ?潛移默化滲透物理方法

一萬(wàn)粒大米直接數(shù)出不現(xiàn)實(shí)，需要把數(shù)大米的粒數(shù)變?yōu)闇y(cè)量長(zhǎng)度、面積、體積、質(zhì)量、時(shí)間等，這是一種典型的物理方法——轉(zhuǎn)換法。轉(zhuǎn)換法是把不易觀察的物理現(xiàn)象、過(guò)程或不宜測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換成另一種可見(jiàn)性或可測(cè)性的形式表現(xiàn)出來(lái)的研究方法[1]。比如，探究動(dòng)能的大小的影響因素中，沒(méi)有直接測(cè)量物體的動(dòng)能，而是觀察物體推木箱在水平面運(yùn)動(dòng)的距離來(lái)定性判斷物體具有的動(dòng)能大小。

一粒大米的質(zhì)量、體積很小，直接用天平、量筒測(cè)量不可行，通過(guò)測(cè)多粒大米的質(zhì)量和體積，計(jì)算得到一粒大米的質(zhì)量和體積。為了得到測(cè)量?jī)x器不能直接測(cè)量的微小物理量，我們通常用小量累積的方法使待測(cè)量的量化少成多[2]。利用單擺測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量單擺擺動(dòng)30～50個(gè)周期所需的時(shí)間計(jì)算單擺的周期;時(shí)間法測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)從漏斗落下的大米粒數(shù)計(jì)算一粒大米落下所需時(shí)間，都用到了小量累積法。

“不聞不若聞之，聞之不若見(jiàn)之，見(jiàn)之不若知之，知之不若行之;學(xué)至于行而止矣。”聽(tīng)到的會(huì)忘記，看到的能記住，做過(guò)的才真正明白。學(xué)生在測(cè)量、交流時(shí)體驗(yàn)并體會(huì)到解決問(wèn)題的過(guò)程中使用了多種物理方法，通過(guò)“做”這些物理方法內(nèi)化為學(xué)生的一種能力。

4 ? ?親身體驗(yàn)增加感性認(rèn)識(shí)

人類(lèi)對(duì)事物的認(rèn)知規(guī)律是從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)的，實(shí)踐的過(guò)程學(xué)生可以獲得大量的感性認(rèn)識(shí)。比如面積法中，學(xué)生在一個(gè)底面為15 cm×10 cm的盒子底部平鋪一層大米，在數(shù)粒數(shù)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)大米粒數(shù)較多，可能超過(guò)1000粒。于是重新選擇在一塊5.5 cm×2.5 cm的積木塊上平鋪一層大米來(lái)取樣，如圖1。又如體積法中，學(xué)生計(jì)劃數(shù)出100粒大米，用量筒測(cè)其體積從而得到一粒大米的平均體積。但發(fā)現(xiàn)100粒大米的體積很小，用量筒測(cè)量無(wú)法讀數(shù)，如圖2。決定把方案改為取體積為10 cm3的大米，數(shù)出大米的粒數(shù)來(lái)求一粒大米的平均體積。再如質(zhì)量法中，通過(guò)測(cè)量學(xué)生知道100粒大米的質(zhì)量約為2.2 g，一粒大米的質(zhì)量約為2.2×10-2 g，一頓飯吃二兩大米（100 g）制成的米飯，約吃掉大米5千粒，一億粒大米質(zhì)量約為2.2 t。曾有老師要求學(xué)生“數(shù)”出一億粒大米帶到學(xué)校，可見(jiàn)缺乏感性認(rèn)識(shí)，成年人也會(huì)犯錯(cuò)誤。積累了足量的感性認(rèn)識(shí)，感性認(rèn)識(shí)才會(huì)升華為理性認(rèn)識(shí)，并且來(lái)指導(dǎo)我們的行動(dòng)。

5 ? ?任務(wù)驅(qū)動(dòng)提升物理素養(yǎng)[3]

學(xué)生在完成“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”的任務(wù)中強(qiáng)化了質(zhì)量、體積等物理概念，鞏固了測(cè)量工具的正確使用方法，提高了靈活運(yùn)用這些基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能解決實(shí)際問(wèn)題的能力，達(dá)到了物理核心素養(yǎng)物理觀念的較高水平。“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”的任務(wù)由數(shù)出一萬(wàn)粒大米到可行的實(shí)驗(yàn)操作，通過(guò)累積法測(cè)一粒米的質(zhì)量、體積、漏下所需時(shí)間等小量，再用測(cè)量工具直接測(cè)出一萬(wàn)個(gè)這樣的小量，是把復(fù)雜問(wèn)題轉(zhuǎn)換成物理模型的過(guò)程，這有助于學(xué)生科學(xué)思維的形成。從制定測(cè)量方案到調(diào)整、實(shí)施方案，利用合理的器材獲得數(shù)據(jù)，到學(xué)生對(duì)測(cè)量過(guò)程和結(jié)果交流反思，得到最佳測(cè)量方案是體積法和質(zhì)量法，學(xué)生經(jīng)歷了一次科學(xué)探究的過(guò)程。有趣的測(cè)量任務(wù)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，完成任務(wù)的過(guò)程中學(xué)生尊重事實(shí)、相互協(xié)作，認(rèn)識(shí)到物理知識(shí)在解決實(shí)際問(wèn)題中的力量，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。學(xué)生在完成“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”的任務(wù)時(shí)，物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度等物理素養(yǎng)都得到了提升。設(shè)置“估測(cè)出一萬(wàn)粒大米”的任務(wù)，充分利用其教學(xué)價(jià)值，提高學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，提升學(xué)生的物理素養(yǎng)，這是一次有益的嘗試。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春燕.轉(zhuǎn)換法在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].物理教學(xué)，2012，34（3）：33-34.

[2]凡佐勝.例析長(zhǎng)度測(cè)量的特殊方法[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2010，39（11）：57-58.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）