孟 巖

(北京市第一七一中學(xué) 北京 100013)

王曉京

(北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院 北京 100009)

1 建構(gòu)質(zhì)量概念的教學(xué)意義

世界最本質(zhì)的屬性是物質(zhì)的，因此“質(zhì)量”作為描述這一基本屬性的物理量, 是物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)的基本概念[1].同時(shí)“物質(zhì)”也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念的重要組成部分，因此對(duì)于質(zhì)量概念的學(xué)習(xí)，是學(xué)生逐步形成物質(zhì)觀所必需經(jīng)歷的一個(gè)重要環(huán)節(jié).從歷史的角度來(lái)看，人們?cè)谏a(chǎn)生活中首先建立了“重量”的概念，然后隨著力學(xué)的發(fā)展，又逐步建立起“質(zhì)量”概念，在近代物理學(xué)不斷地發(fā)展中，質(zhì)量概念又有了更為豐富和全面的描述.因此,學(xué)生建立質(zhì)量概念的過(guò)程，也是在落實(shí)科學(xué)思維中所提及的“從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性的認(rèn)識(shí)方式”.

2 建構(gòu)質(zhì)量概念的教學(xué)策略

質(zhì)量概念是在發(fā)展中逐步建立起來(lái)的，因此,學(xué)生在初中階段第一次學(xué)習(xí)質(zhì)量概念時(shí)，教師也應(yīng)采用一定的策略對(duì)質(zhì)量概念進(jìn)行逐步地建構(gòu)，而不是直接告訴學(xué)生一個(gè)模糊的概念.這就需要學(xué)生在頭腦中以理解為前提，對(duì)生活中的重量概念逐步建構(gòu)，在物質(zhì)觀的高度重建質(zhì)量概念.建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)是個(gè)體與環(huán)境交互作用中逐漸建構(gòu)的結(jié)果.在課堂教學(xué)中，個(gè)體指學(xué)生，環(huán)境則是具體的教學(xué)情境.筆者認(rèn)為能夠引發(fā)學(xué)生思考、發(fā)展學(xué)生高階思維的問(wèn)題情境，能夠更好地發(fā)揮出建構(gòu)的作用.

“問(wèn)題情境”中的“境”，是客觀環(huán)境，“情”則是人的主觀心理.創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，就是教師要精心設(shè)計(jì)一定的環(huán)境條件，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，使學(xué)生面臨某個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題，從而激起學(xué)生疑惑、驚奇、詫異的情感，進(jìn)而產(chǎn)生一種積極探究的愿望，引起積極思維[2].教師創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，并依托情境設(shè)計(jì)出呈現(xiàn)遞進(jìn)關(guān)系的問(wèn)題鏈，從而在問(wèn)題鏈的引領(lǐng)下引導(dǎo)學(xué)生積極思考，建構(gòu)新的概念.同時(shí)，由于質(zhì)量概念是在人類社會(huì)發(fā)展和科學(xué)發(fā)展的過(guò)程中，逐步建立起來(lái)的，所以,教師設(shè)計(jì)的問(wèn)題情境可以依托歷史的發(fā)展軌跡.下面是筆者根據(jù)以上構(gòu)想設(shè)計(jì)的初中階段關(guān)于質(zhì)量概念建構(gòu)的教學(xué)設(shè)計(jì).

3 建構(gòu)質(zhì)量概念的教學(xué)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由兩個(gè)問(wèn)題情境組成，每個(gè)問(wèn)題情境引領(lǐng)一個(gè)問(wèn)題鏈.

情境1：在古代人們常常通過(guò)“物物交換”來(lái)獲得自己需要的物品.甲和乙兩人進(jìn)行大米和蘋(píng)果的交換，他倆規(guī)定：“一斗米”換“20個(gè)蘋(píng)果”.第一次交換很愉快，但是第二次卻……(如圖1所示，每個(gè)蘋(píng)果比第1次要小不少)

圖1 “物物交換”情境

情境1的設(shè)計(jì)背景來(lái)源于歷史，質(zhì)量概念的形成就是起源于人們對(duì)物質(zhì)含量多少的思考.在古代，當(dāng)人們?cè)谶M(jìn)行物物交換等活動(dòng)時(shí)，就產(chǎn)生了判定物質(zhì)含量多少的迫切需要[1].此情境讓學(xué)生經(jīng)歷人類社會(huì)最初的物物交換，并通過(guò)教師預(yù)設(shè)的問(wèn)題，感受判定物質(zhì)多少的方式及其不足，這是建構(gòu)“質(zhì)量”的基礎(chǔ).具體問(wèn)題鏈設(shè)計(jì)如下.

問(wèn)題1：你認(rèn)為甲還愿意去換蘋(píng)果嗎？為什么？(預(yù)設(shè)回答：不愿意，因?yàn)樘O(píng)果變小了)

問(wèn)題2： 你認(rèn)為他們對(duì)于蘋(píng)果的多少是如何度量的？(預(yù)設(shè)回答：蘋(píng)果的數(shù)量)

問(wèn)題3：你認(rèn)為通過(guò)數(shù)量的多少來(lái)度量物體的多少，可能會(huì)存在什么問(wèn)題？能舉個(gè)例子嗎？

(預(yù)設(shè)回答：對(duì)于大小不固定的固體、細(xì)小的固體以及液體不方便用具體的個(gè)數(shù)來(lái)確定)

以上3個(gè)問(wèn)題旨在引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，對(duì)于物體數(shù)量的比較是人們生活中所必須的，但是僅通過(guò)數(shù)量來(lái)進(jìn)行物體多少的比較，在某些情況下是不準(zhǔn)確的，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生積極思考更好的比較方式.

問(wèn)題4：你認(rèn)為他們對(duì)于大米的多少是通過(guò)大米的個(gè)數(shù)來(lái)度量的嗎？(預(yù)設(shè)回答：不是)

問(wèn)題5：他們是通過(guò)什么方式來(lái)度量大米多少的？(預(yù)設(shè)回答：體積)

問(wèn)題6：這種方式度量大米的多少會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差嗎？(預(yù)設(shè)回答：不會(huì))

問(wèn)題7：你認(rèn)為通過(guò)體積來(lái)度量其他物體的多少，可能會(huì)存在什么問(wèn)題？能舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)明嗎？(預(yù)設(shè)回答：形狀不規(guī)則、大體積的固體，熱脹冷縮、物態(tài)變化的影響等)

以上4個(gè)問(wèn)題重現(xiàn)了古人對(duì)體積作為度量物質(zhì)多少的思考.古人在交換物品的過(guò)程中，找到了可以使用的兩種方式：重量和體積.盡管體積可以在貿(mào)易中成為物質(zhì)多少的衡量方式，但人們發(fā)現(xiàn)，有時(shí)當(dāng)體積變了，物質(zhì)本身卻沒(méi)有變，例如在水變成水蒸氣或水變成冰的時(shí)候[3].

問(wèn)題8：不管是大米、蘋(píng)果還是其他物體，它們雖然是不同的東西，但都是由物質(zhì)構(gòu)成的，雖然“數(shù)量”和“體積”在日常生活中的某些情形下可以來(lái)度量物質(zhì)的多少，但它們都有一些缺陷.那么我們可以用什么方式能夠避免上述缺陷，從而比較準(zhǔn)確地度量物質(zhì)的多少呢？

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考這種度量方式應(yīng)該滿足：不管發(fā)生什么情況(溫度、形狀、物態(tài)等變化)，只要這個(gè)物質(zhì)的多少?zèng)]有變化，度量物質(zhì)多少的參數(shù)就不會(huì)變化.預(yù)設(shè)學(xué)生會(huì)回答出重量或質(zhì)量，雖然有可能回答出“質(zhì)量”，但此時(shí)學(xué)生對(duì)于“質(zhì)量”的認(rèn)識(shí)從本質(zhì)上說(shuō)還是“重量”這個(gè)概念.這個(gè)問(wèn)題的作用是引出“物質(zhì)”這個(gè)概念，并通過(guò)模糊的“守恒”思想，建構(gòu)學(xué)生頭腦中對(duì)于物質(zhì)的量的衡量標(biāo)準(zhǔn)的思考.

問(wèn)題9：如果利用重量來(lái)度量物質(zhì)的多少，該如何設(shè)計(jì)一個(gè)大米和蘋(píng)果的交換方式呢？請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)比較公平的交換規(guī)則，并說(shuō)出所需要的比較儀器.(預(yù)設(shè)回答：等重量交換，利用天平，比如10斤米換10斤蘋(píng)果；或者按比例交換，比如用10斤米換15斤蘋(píng)果)

問(wèn)題10：?jiǎn)为?dú)一個(gè)天平可以完成等重量的比較，但是它只能比較重量的大小，卻不能具體量化重量的多少.我們可以如何改進(jìn)，來(lái)比較精確地得到10斤米和15斤蘋(píng)果，從而進(jìn)行交換呢？

以上兩個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)的目的是引出質(zhì)量測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn).問(wèn)題中“單獨(dú)”兩字是暗示學(xué)生改進(jìn)的方向，進(jìn)而確定比較的標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)學(xué)生“創(chuàng)造”出天平和砝碼，為后面測(cè)量質(zhì)量的教學(xué)鋪墊思維基礎(chǔ).接著，教師總結(jié)到：“對(duì)不同的物體, 性質(zhì)雖然不同, 但它們的重量總是可以比較的.古時(shí)候的人們?yōu)榇税l(fā)明了天平和秤等稱量工具.我國(guó)從漢代開(kāi)始就以北方所產(chǎn)黑色黍谷粒的重量為標(biāo)準(zhǔn)，100粒重為1銖，24銖為1兩，16兩為1斤.現(xiàn)在甲乙兩人達(dá)成了新的交換規(guī)則——10斤米換15斤蘋(píng)果”.至此，第一個(gè)情境所引發(fā)的問(wèn)題鏈就告一段落了，學(xué)生在這個(gè)問(wèn)題鏈的引領(lǐng)下，以描述物質(zhì)多少為目的，建構(gòu)了“重量”概念，并“創(chuàng)造”出了測(cè)量重量的方法.

在歷史上，最初人們把重量看作是一切物體共有的特性，隨著天平與秤等稱量工具的出現(xiàn)與應(yīng)用，用來(lái)判定物質(zhì)多少的重量逐漸與具體的物體相脫離, 而成為它們共同抽象的性質(zhì)[1].此情境再現(xiàn)了人們對(duì)于重量概念的進(jìn)一步理解與應(yīng)用，從而印證了學(xué)生思維的方向與歷史發(fā)展的吻合，對(duì)學(xué)生積極深入的思考起到了正強(qiáng)化的作用，樹(shù)立了學(xué)生的自信.但盡管重量和體積可以在貿(mào)易中成為物質(zhì)多少的衡量方式，但這兩者都無(wú)法成為自然哲學(xué)或者是科學(xué)意義上的“物質(zhì)的量”的統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn)[3].接下來(lái)的第二個(gè)問(wèn)題情境，就要在學(xué)生的頭腦中建構(gòu)科學(xué)意義上的“物質(zhì)的量”的統(tǒng)一度量標(biāo)準(zhǔn).

情境2：在商議新的交換規(guī)則時(shí)，甲曾想用等重量的大米與蘋(píng)果進(jìn)行交換，但是被乙斷然拒絕了.顯然，產(chǎn)生10斤大米所付出的人力物力成本，要高于產(chǎn)生10斤蘋(píng)果所付出的成本.這就如同一個(gè)1斤重的鐵塊和一個(gè)1斤重的銅塊，他們由不同的物質(zhì)構(gòu)成，顏色不同、體積不同、價(jià)值也不同.那么它們相同的重量到底意味著什么呢？我們?cè)撊绾嗡伎寄兀?/p>

情境2基于情境1中的問(wèn)題，將學(xué)生對(duì)于質(zhì)量含義的思考由生活情景，拉到了物理情景中來(lái)，為學(xué)生建構(gòu)具有科學(xué)意義的質(zhì)量概念起到了鋪墊的作用.接下來(lái)的問(wèn)題鏈依次展開(kāi).

問(wèn)題1：我們?cè)诘厍虮砻婵梢岳锰炱綔y(cè)量重量，那如果我們乘坐宇宙飛船來(lái)到外太空，在不受任何星球引力的情況下，還可以用天平來(lái)測(cè)出重量嗎？為什么？(預(yù)設(shè)回答：由于沒(méi)有地球等星球的吸引力，無(wú)法測(cè)出來(lái))

問(wèn)題2：之前，我們用“重量”的大小來(lái)描述物質(zhì)的多少.但是在太空中用天平測(cè)不出重量了，是否就意味著重量為零呢？(預(yù)設(shè)回答：在太空中物質(zhì)并沒(méi)有消失，物質(zhì)的量應(yīng)該沒(méi)有變化，只是用天平無(wú)法測(cè)量了)

問(wèn)題3：看來(lái)我們之前建立起來(lái)的“重量”概念，還不能全面的定義物質(zhì)的多少.那么該如何定義物質(zhì)的多少呢？

問(wèn)題4：不管物質(zhì)種類是否相同，你認(rèn)為相同重量的物體，能否產(chǎn)生一個(gè)相同的效果呢？如果可以的話，那是一種什么效果？

以上兩個(gè)問(wèn)題引發(fā)學(xué)生的深度思考，問(wèn)題具有開(kāi)放性，學(xué)生可能有多種回答，或者不知如何回答.教師可以通過(guò)下面的演示實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生從運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的角度來(lái)分析.

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，在水平木板的一端固定一個(gè)彈簧，將小車(chē)擠壓彈簧后松手釋放，小車(chē)在彈簧彈力的作用下可以沿木板做直線運(yùn)動(dòng).在小車(chē)上分別固定質(zhì)量相等的鐵塊1和銅塊2，以及質(zhì)量更小一些的銅塊3.分別用小車(chē)擠壓彈簧至相同位置，使得每次彈簧的形變量相同，然后釋放小車(chē)，觀察3次小車(chē)在木板上運(yùn)動(dòng)的距離.小車(chē)的運(yùn)動(dòng)距離與小車(chē)獲得的初速度之間的關(guān)系，初中學(xué)生還無(wú)法對(duì)其進(jìn)行推導(dǎo)，因此教師可直接告知學(xué)生：運(yùn)動(dòng)得越遠(yuǎn)，說(shuō)明物體在彈簧作用下獲得的速度越大.學(xué)生對(duì)這個(gè)定性規(guī)律的認(rèn)識(shí)與生活中的經(jīng)驗(yàn)是吻合的，基本上不存在認(rèn)知障礙.通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比，學(xué)生應(yīng)該可以總結(jié)出：相同的力的作用下，重量越小的物體獲得的速度越大，且速度與這個(gè)物體由什么物質(zhì)構(gòu)成無(wú)關(guān).問(wèn)題4的答案也就隨之產(chǎn)生，學(xué)生應(yīng)該可以回答出在相同作用力的情況下，用物體產(chǎn)生的速度的大小來(lái)度量物質(zhì)的重量.

圖2 研究慣性與質(zhì)量的關(guān)系

接下來(lái)，教師進(jìn)行總結(jié)并正式引出“質(zhì)量”概念：用同樣大小的力作用在物體上，質(zhì)量大的物體獲得的速度小，質(zhì)量小的物體獲得的速度大，相同質(zhì)量的物體，獲得的速度相同，它們之間是有準(zhǔn)確的定量關(guān)系的，這個(gè)我們高中時(shí)再去學(xué)習(xí).看來(lái)我們找到這個(gè)“效果”了.為了區(qū)別之前的“重量”，把這個(gè)用力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)度量“物質(zhì)多少”的物理量，叫做“質(zhì)量”.

至此，質(zhì)量概念正式的被引出.然后教師可以播放王亞平在太空授課中測(cè)質(zhì)量的視頻，印證了問(wèn)題1中在太空中測(cè)量質(zhì)量的可行性.以上環(huán)節(jié)教師對(duì)學(xué)生“模糊”地滲透“慣性質(zhì)量”，但是并沒(méi)有明確“慣性質(zhì)量”這個(gè)名詞.因?yàn)閷?duì)于初中學(xué)生來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確地理解“慣性質(zhì)量”是超出其認(rèn)知范圍的.但筆者認(rèn)為，僅僅把初中教材中對(duì)于質(zhì)量概念的描述“物體所含物質(zhì)的多少”直接告知學(xué)生，學(xué)生是不太能夠從物質(zhì)觀的角度來(lái)理解質(zhì)量概念的.因此，以上設(shè)計(jì)只是把質(zhì)量的本質(zhì)含義在學(xué)生的頭腦中種下一顆種子，讓學(xué)生感受到質(zhì)量原來(lái)是可以這樣度量的，待到高中時(shí)，這顆種子必然會(huì)隨著學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)萌發(fā)成長(zhǎng).在人教版高中物理必修一講解牛頓第一定律時(shí)寫(xiě)到：“描述物體慣性的物理量是它的質(zhì)量”，已經(jīng)明確的提出了慣性質(zhì)量的概念.教材中還寫(xiě)道：“在初中，我們把質(zhì)量理解為物體所含物質(zhì)的多少；現(xiàn)在又從物體慣性的角度認(rèn)識(shí)質(zhì)量.我們對(duì)于科學(xué)概念的認(rèn)識(shí)就是這樣一步一步深入的.”[4]

在以上整個(gè)建構(gòu)概念的過(guò)程中，學(xué)生隨著歷史發(fā)展的脈絡(luò)，對(duì)質(zhì)量有了更深入的認(rèn)識(shí)，發(fā)展了學(xué)生的思維.最后，教師可以進(jìn)行一個(gè)階段性的總結(jié)：“一個(gè)1斤重的鐵塊和銅塊，他們由不同的物質(zhì)構(gòu)成，也許他們的形狀、體積、位置、狀態(tài)也都不同.但它們相同的質(zhì)量到底意味著什么呢？隨著我們逐漸的學(xué)習(xí)，同學(xué)們?cè)诟咧须A段和大學(xué)階段，自然會(huì)有更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)和感受”.

4 結(jié)束語(yǔ)

質(zhì)量概念的確立是牛頓力學(xué)體系構(gòu)建過(guò)程中的重要一環(huán)；對(duì)引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的追索,又是愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論的出發(fā)點(diǎn)[1].如此重要的概念，需要學(xué)生在頭腦中以理解為前提，從生活中的認(rèn)識(shí)逐步建構(gòu)，在物質(zhì)觀的高度重建質(zhì)量概念.這個(gè)建構(gòu)過(guò)程會(huì)經(jīng)歷初中、高中和大學(xué)3個(gè)階段.本文所述的初中階段質(zhì)量概念的建構(gòu)，就暫告一段落.此時(shí)學(xué)生們的頭腦中關(guān)于質(zhì)量的概念是“模糊”的，但是學(xué)生經(jīng)歷了建構(gòu)的過(guò)程，并且意識(shí)到他們認(rèn)識(shí)的質(zhì)量概念是“模糊”的.當(dāng)學(xué)生們?cè)诟咧袝r(shí)學(xué)到牛頓運(yùn)動(dòng)定律時(shí)，他們便會(huì)對(duì)這個(gè)模糊的質(zhì)量概念有了更加準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)；當(dāng)他們?cè)诖髮W(xué)時(shí)學(xué)到愛(ài)因斯坦提出的質(zhì)速關(guān)系和質(zhì)能關(guān)系時(shí)，他們頭腦中的質(zhì)量概念更會(huì)再一次被刷新.