“密度”概念引入教学的研究——基于“自创性实验”的个案研究，本文主要内容关键词为：个案论文,自创论文,密度论文,概念论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“密度”是初中物理最主要的基本概念，是全日制义务教育课程标准（实验稿）规定的认知达到理解层次的5个知识点之一；它是后续学习液体压强、浮力及高中气态方程等知识的基础，更是用比值定义物理量的科学方法的相关量。然而教学实践证明，密度作为学生开始学习物理接触较早的抽象概念，学生很难从物理本质上掌握这个概念。因此，密度概念引入教学的方法问题，备受教科书编者、课改专家以及一线教师的关注，也在有关刊物上发表了相关文章，这些文章一般都注重探究教学方式和体积相同时质量不等物理事实的丰富，而忽视了引入质量与体积之比的科学方法，更没有说清楚为什么要用质量与体积之比来表征密度概念，而这正是密度概念教学形成难点的根本原因。
一、对历史上“密度”概念引入方法的认识
我们查阅了20世纪80年代到现在人民教育出版社的四种版本教科书，密度引入方法主要有以下三种：
1.教师讲授法
这种引入方法表现于80年代教科书，从学生对物体软硬、颜色、气味等熟悉的生活特性入手，过渡到相同体积的物质其质量不同，这也是物质的一种特性；为了表示物质的这种特性，接着就直接定义密度概念为质量与体积之比，并用这样一段课文过渡：“1立方米的质量作为物质的密度。例如
；再下来，介绍公式和单位，设计了大量形式各异的由易到难“密度”题供学生练习，再辅以变式练习、反馈、纠正等教学行为，将对概念的“语义记忆”与相应“练习”链接起来达到强化“密度”概念识记的目的。这种方法引入密度概念的速度很快，但学生只知道密度是表示物质的一种特性及其计算方法，并没有获得密度概念的体验经历，更没有体会科学方法的渗透。
2.学生验证法
这种引入方法表现于90年代教科书，开始注重学生动手实践能力的培养，同时培养学生实事求是的科学态度和实践第一的观念。学生通过实验验证了物体的体积增大几倍其质量也增大几倍，即物体质量跟自身体积成正比，质量与体积之比一定。然后，借助“物质质量跟体积的比值等于单位体积的质量”这样一段话过渡到密度概念的定义。这种引入方法，突出了密度所表征的物质固有属性，学生对概念形成过程的理解比直接叙述有了质的飞跃，践行了当时修订的初中物理教学大纲的要求，即通过实验引入概念，通过实验得出规律，通过实验检验猜想，通过实验发展新知。
3.实验探究法
这种引入方法表现于21世纪初各种版本的义务教育物理课程标准实验教科书，以实验为载体通过科学探究方法来引入密度概念。这些教科书大体是这样的引入线路：演示或学生实验→学生通过实验数据探究出“体积相同的不同种物质，其质量不同”→分析数据得到“同种物质其质量与体积成正比关系”→进一步分析数据或教师直截提出“同种物质其质量与体积的比值一定，不同物质它们的比值不同，比值不同反映了不同种物质的不同属性，物理学用密度表示这种固有属性”→定义密度概念。
我们认为，按现行教科书的探究式思路授课，既能丰富学生的物理事实和表象，又注重了学生体验密度概念的形成过程，实现了学生是学习主体的理念。但从概念定义的科学方法角度，仍感到存在如下不足：
(1)教材对为什么引入“比值”的做法是“空降”式的，是用生硬的方式直接灌入的。
学生通过实验探究获得丰富的物理事实，得出“物体的质量与体积成正比”后，现行教科书没有任何形式的过渡就直接提出：“物体的质量和体积的比值一定吗？”在学生没有思想准备的前提下突兀地出现这样一个问题，没有过渡怎么能让学生知道“我们为什么要比值？”“怎么会想到要应用比值？”“为什么比值就能反映物质的一种属性？”等问题。
(2)学生获得的知识是“空心”的，是机械记忆。
学生在没有受到比较思想方法的引导，也没有学习控制变量法的情况下，就要从“一种物质的质量与体积的比值是一定的，物质不同其比值一般不同”这段话，毫无理由地突然得出“单位体积某种物质的质量叫做这种物质的密度”这一定义。教材这样做，必然使学生没有认知思维过程的支持，不能很好地将密度概念“同化”在认知结构中，只能将密度概念的学习退化为纯粹的记忆过程；只是让学生“知道”和“记住”了“密度是什么”，却不能体验到比知识更丰富、更有价值的科学方法，进而也就无法深刻理解密度概念的物理内涵。
上述教的“空降”，学生学的“空心”，会使学生对密度概念的学习很难达到理解的层次，也难以牢固掌握，一旦面对新的较为复杂的物理问题情境时，就会不自觉地产生“认知背叛”，如认为“棉花比铁轻”等。
二、基于比较思想的“密度”引入方法的理论根据
作为联结客观物质世界和主观精神世界的纽带，作为构造物理理论的“基石”，任何一个物理概念都必须满足两个条件：一是如实地正确地反映和概括客观物理事实；二是有助于物理研究工作的开展和物理理论的构建。“密度”概念也是如此!一方面，密度概念正确反映了“同一物质的质量与体积的比值是物质的一种属性”这一事实；另一方面，密度概念的建立使人们对“相同体积的物体其质量不同”的研究，从定性思维发展为定量思维，更使学生明确这种比值定义概念的方法，使相关定义的建立成为可能，有助于学生习得一种定义概念的科学方法——比值定义法。
所谓比值定义法，就是用两个或多个物理量的比值来定义物理概念的方法。人们普遍认为，“在研究物理问题时常会遇见这样的情况，某两个（或几个）量在一定条件下成正比，其比值是常数，这个常数正好反映了事物的某一本质属性；因此，利用这个比值常数可以定义出描写事物本质属性的一类概念。”这种观点的逻辑缺陷在于，它把比值定义法当作原因来加以阐述，完全没有揭示出比值定义法的本质。上述观点忽视了比值定义法运用时的一个关键问题——为什么要用两个物理量进行相比来定义一个新的物理量；只回答是什么（比值是常数）而不回答为什么（为什么要比），这是多数教材编者对比值定义法理解上的根本缺陷。目前高中教材也存在这样的不足，采用比值法定义时，直接阐述为谁与谁之比就叫做什么。我想，正是这个缺陷使得比值定义法无法问津初中物理教材。
其实，比值定义法的理论基础是比较。所谓比较，是指对事物同异关系的思想过程和方法。客观世界既是统一的又是千姿百态的，这是比较法产生的客观基础。无论是在空间上并存的事物之间，还是在时间上先后出现的事物之间，都可以找到它们赖以相互区别的特点，这是事物的特殊性；因为一切物理事物及其运动又都是相互联系相互依存的，所以又可以找到它们之间的共性。这就是说，任何事物之间既有共性又有个性。根据一定标准把彼此有某种联系的事物加以对比，从而确定判断其共性的相同标准，才能使得比较的结果有意义。所以，比值定义法采用两个或多个物理量相比，就是在比较时选取相同标准的一个基本手段。不明确这一点，就不可能明白比值定义法，也就无法将教材知识用比值定义法去呈现给学生了。
通过以上分析不难看出，要实现密度概念引入方法的真正突破，应在教学中使学生明白引入的原因和为什么要用比值来反映物质的这一属性，以及将物理事实与科学方法有机地联系起来，进而使密度定义成为可理解的概念。
三、基于比值法定义“密度”概念引入的教学设计
1.联系生活，感受现象，了解物质的本质属性
通过提问和演示让学生知道，无色的水和酒精可用气味不同来区别；包在黑色不透明塑料袋中的砖和豆腐，可用手摸软硬（硬度）来区别；棕红色的铜和银白色的铝可通过观察颜色来区别……进而总结出气味、硬度、颜色、导电性等是物质的一种本质属性，不同种物质其本质属性一般是不同的。可见，可通过比较本质属性的不同来区别物质。
2.创设思维冲突，启发铺垫，感知比值方法的需要
教师提出问题：体积相同，外表面涂有颜色的铜、铝圆柱体，如何区别它们哪个是铜，哪个是铝？教师随手拿出涂有颜色的两个圆柱体向学生展示，用上述气味、硬度、颜色、导电性等本质属性都不能解决问题时，大多数学生思维受阻、思维平衡被破坏，产生了一种强烈的求知欲，能主动积极思考。
通过学生之间的讨论，提出用天平测质量的方法。教师追问，为什么比较质量？多数学生从生活体验中知道铜制的物体质量一般都比较大。若学生回答有困难时教师可以提示，一袋棉花和一袋大米哪个质量大，学生几乎都能想到用秤称质量大小来区别。
教师又提出问题：刚才是体积相同的铜和铝，现在出示6个颜色相同但体积不同的圆柱体，其中3个是铜3个是铝，如何区别（分类）开哪3个是铜，哪3个是铝？
有的学生对测质量方法的前提条件是体积相同没有掌握好，就说用天平测质量，这时教师取一个大的银白色铝圆柱和一个小的棕红色铜圆柱放在天平上比较，铝的质量大，给予了否定。在几乎所有学生都感到无从下手时个别学生说，用质量除以体积来比较；当问为什么时，回答是书上写的，不知道为什么相比的理由。为了引出比值法，教师提示，我们在研究问题时往往要用控制变量法，这样学生结合体积相同的上面例子就会想到体积相同时比较质量。然后继续提示，在体积不同时如何使体积相同呢？若学生思维依旧受阻，则教师还可以进一步提示，我们在比较运动快慢时，往往用路程和时间比值来比较……像这样，在思维上顺其自然合乎逻辑地引入用比值法来解决问题，可避免现行课本中唐突地出现比值方法的无奈之举。
3.设计实验，探究规律，获得科学方法
在上述分析讨论中引入用比值来区别不同物质的方法后，再通过实验进一步探究质量与体积之比是物质的一种本质属性，让学生在经历不同物质的分类过程中体会密度概念的本质，更让学生认识同种物质的
比值是相同的，从而获得比值定义物理概念的方法。
为此，我们利用易找到又易操作的萝卜、土豆等材料来实验。为了不让学生通过外观就能区别开来，我们提供的萝卜和土豆都是去了皮的、形状不同的各3块；同时还提供了小刀、细线、烧杯、刻度尺、水、天平、量筒等。我们发现，在设计探究实验时只要引导好三个方面的内容，即强调如何测物体的体积和质量、怎样设计记录表格、使用小刀时应注意安全后，几乎所有学生就都能完成实验并得到规律：同种物质的质量与体积的比值是常数，……因此这个比值反映了物质的一种固有本质属性。于是，用这种比值所得常数的方法来定义密度概念就水到渠成了。
4.反思探究，回味比值，彰显价值
在得到正确结论“同种物质的质量与体积的比值是常数，……这个比值反映了物质的一种本质属性”之后，老师应该带领学生反思整个探究的思维历程，回味比值方法在探究过程中是如何生成、转变和发展为一种科学方法的。该探究历程具体表现为：
为了区别不同物质（如酒精和水）→从熟悉的特性入手（嗅气味等）→铺垫陌生的情境Ⅰ（区分外涂颜色的、相同体积的铜和铝）→从比较思维入手区别（用天平测质量）→铺垫陌生情境Ⅱ（区分外涂颜色的、不相同体积的铜和铝）→思维受控制变量法的引导（使铜和铝的体积相同）→要实现控制变量就得采用比值得其常数（求质量与体积比值的理由）→获得比值定义概念的科学方法。
通过以上共同反思，让学生明确密度这一物质的本质属性是隐性的，不像气味、硬度、颜色等那样能简单感知，而隐含在物质的质量和体积共同作用的综合效果中，这个效果要用质量和体积的比值定量来表示。比较思维是密度概念引入的基础，控制变量法以比值操作为前提，使学生有感知、有体验、有理由、有方法，将学生对密度概念的认识从经验水平提升到科学概念的水平。
四、对“密度”概念引入教学设计的反思
1.教学设计要符合学生需要和知识发生发展规律
要使教学成为创造性和富于个性的活动，教师首先要有先进的教学理念，追求学生终生受益的教学价值，让学生学习有用的物理。因此，我们从学生对比较不同种物质的需要入手，弥补了现行教科书没有理由就要让学生求比值这一做法的不足；此外，还应符合认识发生发展规律，加强物理过程教学，渗透科学方法。在教学设计中，特别突出了密度概念建立的过程，不是直接计算出比值结果就进行比较，而是通过一系列“同中求异”“异中求同”的思考，让学生逐步认识到对同一物质而言其质量跟体积之比一定，而对不同物质该比值一般不同，质量跟体积的比值就表示了物质这方面的属性即密度。在建立密度概念的过程中还要注意应用比较方法，经历比值定义物理量的科学思维和实践操作。
2.创新教学需要创造性地使用教科书
通过本节课的设计可知教材演绎逻辑是一种常见的知识演绎方式，并非演绎的唯一方式，更不是科学探究的唯一方式。教科书只是一个范例，所以要用教材而不是教教材。亦即应根据学生的实际认知水平、教学环境，对教材内容进行重新编排、裁剪、充实、活化，使教学素材既符合知识本身的逻辑，又符合学生的认知规律，达到合理利用课程资源、促进有效教学的目的。本教学设计突出的一点是，在没有得到密度概念之前，让学生以比较为基础进行思维，以控制变量法为手段进行自创性实验，使“测量物质的密度”一节中测量固体的分组实验，巧妙地融合在探究过程中，用物理事实来促使比值定义科学方法的建立。
3.丰富课程资源，展示自创性实验的作用
教科书所安排的实验要考虑很大范围的学生，还要考虑不同地区经济发达与落后等因素，因此具有普遍适宜的一般性。本节课教材安排的实验器材是实验室配备的国产器材
铜和铝圆柱体，实验过程单一，所测数据一致，难以进行有效地探究。而我们利用生活用品萝卜和土豆等进行了自创性实验，很好地弥补了上述不足。自创性实验是就是用低价常见材料，通过构思巧妙、装置清晰简捷、步骤简单的操作，获得所需信息的方法与技术。就像当年法国物理学家傅科在巴黎万神殿安放一个巨大钟摆装置，使观看实验的人群发出了由衷的惊叹：“地球真的在转动啊!”我们认为，该实验被评为最美丽的十大物理实验之一，主要原因就在于它是简约化的自创性实验。