楊婉榮

引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)的操作過(guò)程中理解理論知識(shí)是一種創(chuàng)新的教學(xué)方式，也是促使學(xué)生在動(dòng)手基礎(chǔ)上思維參與的深度學(xué)習(xí)的有效方式。學(xué)生自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)有助于切實(shí)提高學(xué)生的科學(xué)思維和探究能力。下面以制作“中考真題情境中的密度計(jì)”為例，闡述如何在設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中科學(xué)思維，質(zhì)疑求真。

問(wèn)題的提出：

中學(xué)生自主設(shè)計(jì)創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)的目的是鍛煉學(xué)生的思維，提高學(xué)生的探究能力。創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的源泉來(lái)自哪里？概念與規(guī)律的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、將習(xí)題轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)、綜合實(shí)踐活動(dòng)的重新設(shè)計(jì)是學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的三個(gè)主要來(lái)源。筆者選取“將習(xí)題轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)”這個(gè)方面展開教學(xué)，選擇一道關(guān)于密度計(jì)的真題為實(shí)驗(yàn)的原型，以質(zhì)疑題設(shè)情境真?zhèn)螢閯?dòng)機(jī)，鼓勵(lì)學(xué)生自主動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合。激發(fā)同學(xué)們實(shí)驗(yàn)的熱情，引導(dǎo)同學(xué)們?cè)趧?dòng)手實(shí)踐的過(guò)程中認(rèn)識(shí)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，鍛煉思維，提高能力。

教學(xué)實(shí)踐：

一、梳理真題，初步探究

真題展示：（2018·常州）興趣小組自制液體密度計(jì)，請(qǐng)完成計(jì)算：

步驟：取一上端開口的薄壁厚底玻璃筒，標(biāo)有0～50mL體積刻度。

3.將空玻璃筒開口向上放入待測(cè)液體中，向玻璃筒內(nèi)加水至外側(cè)待測(cè)液體液面與玻璃筒記號(hào)線重合，利用玻璃筒內(nèi)水的體積刻度，可測(cè)得待測(cè)液體的密度。g取10 N/kg，問(wèn)：

（1）每次實(shí)驗(yàn)，玻璃筒記號(hào)線與外側(cè)液面相平時(shí)，其排開外側(cè)液體的體積是多大？

（2）玻璃筒的重力有多大？

（3）該密度計(jì)能夠測(cè)量的液體密度的最大值有多大？

遵循實(shí)驗(yàn)步驟，制作密度計(jì)

首先，讓學(xué)生按照題目的實(shí)驗(yàn)步驟，尋找合適的實(shí)驗(yàn)器材，制作密度計(jì)。

通過(guò)中考實(shí)驗(yàn)題目引入，鼓勵(lì)同學(xué)們依據(jù)情境制作題目中設(shè)定的密度計(jì)，這樣設(shè)計(jì)，一方面實(shí)現(xiàn)了不僅從教材中綜合實(shí)踐活動(dòng)課，還可以自制密度計(jì)完成教學(xué)導(dǎo)入的目的，拓寬了學(xué)生的思維，發(fā)現(xiàn)不同密度計(jì)的設(shè)計(jì)方法；另一方面鼓勵(lì)同學(xué)們質(zhì)疑求真，反思不同的設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，從而達(dá)到能力的真正提升。

觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)成果可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)生可以做到先綜合運(yùn)用浮力知識(shí)正確求解出情境中需要求解的答案，再依據(jù)文本、圖片素材，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

初步設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)需要用到的器材：玻璃管、細(xì)沙（配重）、記號(hào)筆（防水）、量筒（0～100 mL）、膠頭滴管等。

二、動(dòng)手實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)器材初步選定后，實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)一帆風(fēng)順嗎？同學(xué)們會(huì)遇到哪些問(wèn)題呢？

實(shí)驗(yàn)剛開始，同學(xué)們就發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：大試管與細(xì)沙總重100 g，大試管口徑很大，這樣就會(huì)導(dǎo)致密度計(jì)刻度過(guò)于集中，不便于實(shí)際測(cè)量，誤差較大。若換用小口徑試管代替大試管制作密度計(jì)，則小試管因?yàn)楦×^(guò)小直接沉在水底。同學(xué)們?cè)俅螌忣}，思考實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)的過(guò)程、實(shí)驗(yàn)的方法以及實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)等。細(xì)心的同學(xué)發(fā)現(xiàn)：題目情境下的V排=100 mL，若選用小量程試管制作密度計(jì)，則小試管總量程不過(guò)50mL，它無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)；若采用30 mm大口徑的試管制作密度計(jì)，則帶來(lái)的問(wèn)題是密度計(jì)會(huì)非常笨重。于是，同學(xué)們大膽地得出結(jié)論：出試題的老師并沒有過(guò)多思考它的功能性，這就意味著依據(jù)試題所述情境制作的密度計(jì)僅僅是停留于試題上的產(chǎn)物。

三、提煉想法，改編真題

我們能否改編這個(gè)中考真題呢？經(jīng)過(guò)改編，密度計(jì)能否制作成功呢？

如何“改小”這支密度計(jì)，成了同學(xué)們熱議的話題。實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等能否改變？同學(xué)們從反思本題的求解過(guò)程出發(fā)，具體思路如下：

在上述研究過(guò)程中，同學(xué)們至少有三點(diǎn)收獲：一是，只有在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)中考真題題述情境下的數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)不合理；二是，只有在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上才會(huì)萌生出改小題目數(shù)據(jù)，重新設(shè)計(jì)密度計(jì)的沖動(dòng)；三是，同學(xué)們得到啟發(fā)，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新并不是空穴來(lái)風(fēng)，它來(lái)源于真實(shí)情境，它是基于事實(shí)的質(zhì)疑和發(fā)現(xiàn)，而這個(gè)發(fā)現(xiàn)過(guò)程并沒有那么高深，它源于思考。

四、深挖創(chuàng)新，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)成果

（一）制作密度計(jì)

再次動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們又有新的發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題：1.細(xì)沙加入小試管后，細(xì)沙和試管不能構(gòu)成整體，試管中加減水的過(guò)程不能完全倒出。如何讓密度計(jì)成為一個(gè)整體？

2.細(xì)沙吸水，不能通過(guò)試管中加入水的體積反應(yīng)液體的密度，實(shí)驗(yàn)誤差較大，如何處理？

3.小試管放入液體中時(shí)，重心不穩(wěn)，容易傾倒、傾斜，如何讓密度計(jì)在液體中保持豎直平衡？

實(shí)踐的過(guò)程中總有意想不到的問(wèn)題，同學(xué)們借助媒體、網(wǎng)絡(luò)等平臺(tái)拓寬思路，尋找有用的方法。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)的問(wèn)題比較集中，同學(xué)們自發(fā)地分工合作尋求解決問(wèn)題的方法。有的同學(xué)負(fù)責(zé)尋找解決密度計(jì)穩(wěn)定問(wèn)題的方法，有的同學(xué)負(fù)責(zé)尋找配重與小試管連接在一體的方法等。經(jīng)過(guò)搜索大量的素材，頭腦風(fēng)暴式爭(zhēng)論，同學(xué)們尋找到許多有用的方法，比如，密封方法：蠟封、油封、膠水密封、水加蠟封等；配重方法：用油、小鋼珠作為配重等。同學(xué)們不停地試錯(cuò)，最終，同學(xué)們拋棄了上面的所有方法，自主開發(fā)了如下的方法制作配重。

實(shí)驗(yàn)材料：飽和食鹽水、食鹽、小布條作為配重、電子天平（稱重）、15 mm口徑的小試管

同學(xué)們制作的密度計(jì)的特點(diǎn)：1.整體質(zhì)量控制在20 g，密度計(jì)中加減水時(shí)，密度計(jì)原本配重和玻璃管的質(zhì)量幾乎不變，精度保持完好。

2.利用食鹽和飽和食鹽水充當(dāng)配重材料，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，食鹽顆粒調(diào)整密度計(jì)豎直漂浮狀態(tài)比鋼珠效果更好，它能使密度計(jì)更快地調(diào)整到豎直漂浮狀態(tài)。這是非常智慧的做法，也是在實(shí)踐中的感悟。

3.小布條浸水后密封效果好，成功解決了配重和玻璃管難以合二為一的難題，經(jīng)檢驗(yàn)這個(gè)裝置放在室內(nèi)較長(zhǎng)時(shí)間質(zhì)量也不發(fā)生變化，有利于實(shí)驗(yàn)器材的反復(fù)使用。

同學(xué)們制作了不同于普通密度計(jì)的新型密度計(jì)。這支密度計(jì)的特別之處包括：1.測(cè)量密度的方法是把這支密度計(jì)放在不同的待測(cè)液體中，然后往密度計(jì)內(nèi)部管中加清水，直到外側(cè)液體的液面與密度計(jì)標(biāo)注的刻度平齊，然后從刻度讀出密度值。

2.這是一種創(chuàng)新的做法，是從無(wú)到有的探究過(guò)程，是同學(xué)們利用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的有力證據(jù)。反映了核心素養(yǎng)中切實(shí)培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)思維這一要求。學(xué)會(huì)從物理學(xué)視角對(duì)客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)知方式，是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)構(gòu)建理想模型的抽象概括過(guò)程。

（二）給密度計(jì)標(biāo)度

以“數(shù)學(xué)方法尋找標(biāo)度”方法為例，看學(xué)生的遷移能力。

通過(guò)給密度計(jì)標(biāo)上刻度，密度計(jì)成果展示等活動(dòng)，引導(dǎo)同學(xué)們反思評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)成果。一方面，通過(guò)真實(shí)的密度計(jì)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程體驗(yàn)學(xué)習(xí)，這是一個(gè)完整且真實(shí)的學(xué)習(xí)過(guò)程。另一方面，同學(xué)們從工程的視角反思評(píng)價(jià)作品成果，思考它的優(yōu)點(diǎn)和不足。同時(shí)，同學(xué)們可以把自制的密度計(jì)與教材中設(shè)計(jì)的自制密度計(jì)進(jìn)行對(duì)比，全面的、多角度的評(píng)價(jià)。這樣的評(píng)價(jià)有比較，更加的立體，感受更加深刻。這樣的學(xué)習(xí)有一定的深度，沒有生硬的引導(dǎo)，水到渠成。

五、實(shí)踐感悟

蘇霍姆林斯基說(shuō)：“人的內(nèi)心里有一種根深蒂固的需要總想感到自己是發(fā)現(xiàn)者、研究者、探尋者。”同學(xué)們基于中考真題，大膽質(zhì)疑，評(píng)析求真，對(duì)于中學(xué)生來(lái)說(shuō)非常有意義。首先，對(duì)于這個(gè)實(shí)際問(wèn)題，課本上沒有參照的標(biāo)準(zhǔn)，同學(xué)們細(xì)心觀察思考、實(shí)驗(yàn)探究、交流討論，切實(shí)鍛煉了科學(xué)思維素養(yǎng)。其次，這是一次真實(shí)的探究之旅，同學(xué)們體驗(yàn)了從無(wú)到有、從理論到實(shí)踐的完整過(guò)程。例如：（1）同學(xué)們?cè)O(shè)計(jì)的這支密度計(jì)精確度高、量程大、刻度均勻，打破了對(duì)傳統(tǒng)密度計(jì)刻度不均勻的慣性認(rèn)識(shí)，發(fā)散了思維。（2）同學(xué)們體會(huì)了改編中考題目的樂趣，鍛煉了獨(dú)立思考的能力。（3）整個(gè)探究過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)入了深刻的層面，學(xué)會(huì)了利用科學(xué)的物理方法認(rèn)識(shí)事物的本質(zhì)，形成了物理品格。