洪潔伶
【摘 要】在學(xué)生試驗(yàn)中,自制測(cè)量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動(dòng)手實(shí)驗(yàn),它并不是簡(jiǎn)單的模仿制作,而是在不斷改進(jìn)過(guò)程中考驗(yàn)學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力,并且對(duì)物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。在本文中,筆者以自制密度計(jì)為例,闡述自制測(cè)量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。
【關(guān)鍵詞】自制;物理實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)
很多年前,中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物學(xué)家揚(yáng)衛(wèi)平發(fā)出質(zhì)疑:“現(xiàn)在,我們一不缺錢,二不缺儀器設(shè)備,三不缺勤奮努力,為什么到頭來(lái)原創(chuàng)性成果還是比不過(guò)別人?”彼時(shí),筆者剛剛踏上教育崗位,這段話,成為多年教育實(shí)踐過(guò)程中反反復(fù)復(fù)思索的問(wèn)題,也是前進(jìn)的方向和燈塔。福建師大的余文森教授指出,這個(gè)問(wèn)題的根源在于思維方式,思維方式的模式化、格式化導(dǎo)致原創(chuàng)思維的欠缺和喪失。物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門學(xué)科,我們要培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng),就必須在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中建立物理概念、物理思維、體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程,樹立科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。
在學(xué)生試驗(yàn)中,自制測(cè)量工具是很能幫助學(xué)生提高物理核心素養(yǎng)的一種動(dòng)手實(shí)驗(yàn),它并不是簡(jiǎn)單的模仿制作,而是在不斷改進(jìn)過(guò)程中考驗(yàn)學(xué)生的思考能力、創(chuàng)新能力、動(dòng)手能力,并且對(duì)物理概念的深度理解起到了非常積極的作用。如何在一步一步的改進(jìn)過(guò)程中獲得更好的測(cè)量效果,這個(gè)過(guò)程極大地刺激了學(xué)生的感官,調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性,激發(fā)了學(xué)生的興趣和求知欲,從而由淺層的學(xué)習(xí)進(jìn)入深層的思考。初中階段可以利用手邊隨手可得的瓶瓶罐罐甚至紙片制作的測(cè)量工具很多,刻度尺、彈簧測(cè)力計(jì)、簡(jiǎn)易小天平、密度計(jì)、電流表、電壓表……在本文中,筆者以自制密度計(jì)為例,闡述自制測(cè)量工具在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)上的顯著作用。
一、建立物理概念,理解物理原理
物理實(shí)驗(yàn)中使用的密度計(jì),是一種測(cè)量液體密度的儀器。它是根據(jù)漂浮在液體中的物理所受的浮力等于重力的原理制造與工作的。密度計(jì)是一根粗細(xì)不均勻的密封玻璃管,管的下部裝有少量密度較大的鉛丸或水銀。使用時(shí)將密度計(jì)豎直地放入待測(cè)的液體中,待密度計(jì)平穩(wěn)后,從它的刻度處讀出待測(cè)液體的密度。
學(xué)生要想自制密度計(jì),首先要理解密度計(jì)的工作原理。
教師可以提問(wèn),為什么一定需要漂浮的物體呢?懸浮或是沉底的物體不行嗎?問(wèn)題不難,可是此時(shí)學(xué)生就必須去思考。
教師進(jìn)一步提問(wèn),密度計(jì)在不同液體中液面指示的刻度是不同的,最根本的原因是什么?學(xué)生可以回答:密度計(jì)浸沒(méi)在液體中的體積不同。引起這個(gè)體積不同的原因是什么。學(xué)生在這個(gè)地方往往會(huì)有一個(gè)錯(cuò)誤的前概念,覺(jué)得密度計(jì)受到的浮力大一些,密度計(jì)會(huì)浮的高一些。此時(shí)根據(jù)浮力公式F浮=ρ液gV排,學(xué)生很快就能發(fā)現(xiàn)矛盾的地方,密度計(jì)浮得更高了,V排不是變小了嗎?難道浮力變小了?對(duì)比思考過(guò)后,孩子們可以更深刻的明白,物理漂浮的時(shí)候,浮力的大小等于自身的重力,所以只要物體重力不變,浮力大小是不變的。當(dāng)密度計(jì)放在密度不同的液體中,由于浮力不變,所以密度大的液體中,密度計(jì)會(huì)浮得高一些,這個(gè)時(shí)候指示的刻度應(yīng)該較大。反之,則較小。
由此,學(xué)生在制作密度計(jì)的前期知識(shí)儲(chǔ)備中通過(guò)深入思考明白了兩件事情: 1.密度計(jì)的工作原理是漂浮在密度不
同的液體中受到的浮力大小相同;2.密度計(jì)的刻度應(yīng)該是下大上小的。
二、培養(yǎng)物理思維,體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程
理解了原理之后,學(xué)生開始選材。要求學(xué)生從日常的事物中選取適合的材料,甚至可以從曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的習(xí)題、網(wǎng)絡(luò)上的成功案例中獲得經(jīng)驗(yàn)。這一點(diǎn),很能考察學(xué)生獲取信息、處理信息的能力。毫無(wú)疑問(wèn),學(xué)生獲取信息的途徑是五花八門的,他們所選取的材料也是各式各樣的。有鉛筆和鐵絲、吸管和沙子、小木桿、甚至塑料玩具,處在信息爆炸的年代,孩子們很容易得到自制密度計(jì)的方法,簡(jiǎn)單而又容易的制作教材網(wǎng)絡(luò)上遍地都是,事實(shí)上真的那樣了嗎?學(xué)生根據(jù)百度來(lái)的方法制作了各種各樣的簡(jiǎn)易密度計(jì)。
方法一:找粗細(xì)均勻截面形狀相同的木棒一根,在一端釘一大鐵釘,鐵釘上纏一些鐵絲也能制成密度計(jì)。
方法二:用鉛筆自制密度計(jì),在鉛筆一端纏繞數(shù)圈細(xì)鐵絲,或插到一塊橡皮里,使其能在水中直立,刻下此時(shí)水面在鉛筆桿的位置,即制成簡(jiǎn)易密度計(jì)。
方法三:找一支塑料吸管,用蠟燭油把鉤口封死,在吸管中裝入適量的沙子,也能制成密度計(jì)。
……
看起來(lái)一切似乎很簡(jiǎn)單,做起來(lái)就不是那么回事了。當(dāng)學(xué)生們?cè)诎床烤桶嗟倪M(jìn)行時(shí),他們自己發(fā)現(xiàn)并提出了問(wèn)題:細(xì)木棒很難釘入鐵釘;粗木棒在不同液體中V排區(qū)別太小;鐵絲太重;鉛筆沉底了;吸管在液體中歪歪斜斜的,不能豎直漂浮……孩子們?yōu)榱酥谱鞒龊玫拿芏扔?jì),不得不針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行思考,教師給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo):1.大家選取的主材料有什么樣的特點(diǎn),為什么要這樣選?。?.為什么要讓它們豎直漂浮在液體中呢?怎樣可以做到豎直?
孩子們?cè)诮處煹囊龑?dǎo)下主動(dòng)參與、思考積極、氣氛活躍, 通過(guò)交流討論,對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的對(duì)比、分析、歸納和總結(jié),學(xué)生們得出了各種不同的結(jié)論,培養(yǎng)了孩子的發(fā)散性思維。孩子們的結(jié)論總結(jié)如下:
1.選取自身材料密度小的空心物體(吸管、膠頭滴管、圓珠筆管……)放入配重。要比鉛筆、木棍等物質(zhì)纏繞鐵絲好。物體更容易豎直漂浮,根據(jù)需要調(diào)節(jié)配重更方便;
2.根據(jù)圓柱體積公式,選用較細(xì)的柱狀物體,漂浮在不同液體中時(shí)△h區(qū)別更大,可是較細(xì)的物體不容易添加配重;
3.下端是圓弧形或錐形的物體(膠頭滴管)比底部水平的物體更容易在豎直方向平衡;
4.體積小而均勻的配重效果比大塊配重好,使密度計(jì)更容易豎直平衡;
5.密度大的配重(鉛粒)比密度小的配重(砂礫)效果更好,但是成本更高。
根據(jù)他們自己總結(jié)出的結(jié)論,孩子們利用大吸管、小鉛粒、膠頭滴管做出了兩個(gè)可以很好豎直漂浮在液體中的半成品(如圖1)。再進(jìn)一步分析比較二者的優(yōu)劣,孩子們又制作出了最終版本。(如圖2)
三、從定性到定量,樹立科學(xué)態(tài)度
這樣的密度計(jì)能測(cè)量液體的密度嗎?一個(gè)完整的測(cè)量工具還需要相應(yīng)的刻度,怎樣標(biāo)示刻度?能像彈簧測(cè)力計(jì)一樣把兩個(gè)值之間等分嗎?你能給我們的密度計(jì)標(biāo)上刻度嗎?怎樣使你的刻度盡可能準(zhǔn)確呢?
問(wèn)題拋給學(xué)生,學(xué)生會(huì)想要去定位標(biāo)準(zhǔn)的刻度。他們能夠標(biāo)出的第一個(gè)刻度值是1.0×103kg/m3,因?yàn)樗巧钪谐R?jiàn)而易得的液體。然后才能想到去標(biāo)示其他的刻度線,孩子們會(huì)想到利用密度不同的已知液體多刻制幾條刻度線。教師提問(wèn):我們的生活用水密度一定是1.0×103kg/m3嗎?如何獲得密度比水大或比水小的液體呢?獲得這些液體后又怎樣知道他們的準(zhǔn)確密度值呢?孩子們就問(wèn)題展開討論,油、煤油這樣特殊的液體會(huì)被排除在外,不容易獲得也不容易清洗。怎樣尋找容易獲得且能夠改變密度的液體呢?類似鹽水、糖水、酒精摻水自然是最為合適的選擇。選用成品密度計(jì)來(lái)與自制密度計(jì)進(jìn)行對(duì)比,從而比較準(zhǔn)確的標(biāo)示出刻度值。這個(gè)過(guò)程是量化的,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模⒆觽儽仨氄J(rèn)真細(xì)致,尊重事實(shí),積極主動(dòng)地接受經(jīng)過(guò)證實(shí)的結(jié)論。這在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中潛移默化的樹立孩子們的科學(xué)態(tài)度。當(dāng)然,也可以鼓勵(lì)孩子們發(fā)散思維,探討其他標(biāo)示刻度的方法。
自制密度計(jì)的過(guò)程讓學(xué)生深切地感受到了學(xué)習(xí)的樂(lè)趣,收獲的快樂(lè)和成功的愉悅。其實(shí),每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都跟著一串問(wèn)題,不要因?yàn)樗季S活動(dòng)幾下就停了下來(lái),沒(méi)有走到目的地的過(guò)程像是一段沒(méi)有演奏完的樂(lè)章。好的實(shí)驗(yàn)就像投入湖面的小石頭引起的波浪一樣,推動(dòng)孩子的思維向著更深更廣的方向發(fā)展,將學(xué)生領(lǐng)進(jìn)科學(xué)的殿堂。雖然現(xiàn)在的教學(xué)條件比以前改善了很多,有了各式各樣的成品教學(xué)儀器,但有些情況下利用身邊隨手可得的物品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,可以拉近物理學(xué)與生活的距離,讓學(xué)生親切地感受科學(xué)探究的過(guò)程。自制教具是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)有機(jī)組成,事實(shí)證明,隨著物理實(shí)驗(yàn)的開展,物理教師們?cè)诮逃虒W(xué)領(lǐng)域中大膽創(chuàng)新,嘗試自制各種測(cè)量工具,是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開展的重要方式,它能有效輔助優(yōu)化課堂教學(xué)效果,能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的綜合持續(xù)能力和物理核心素養(yǎng)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]任荃.中國(guó)“牛頓”:“蘋果樹”在哪[N].文匯報(bào),2004-
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