基于学生认知逻辑的密度概念教学.docx
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基于学生认知逻辑的密度概念教学
基于学生认知逻辑的“密度”概念教学
沂源县实验中学李汝忠
【教情分析】
“密度”是在学习了“质量”之后引入的一个新的物理量，它既是在“质量”的基础上对物质世界的进一步探索，也是掌握“测定物质密度的方法”和解决有关密度问题的基础，并为深入学习液体压强、浮力等知识做好铺垫。
因此，它成为初中物理的教学重点内容之一。
也因“密度”这一概念的抽象程度较高，成为传统物理教学的难点。
【学情分析】
一方面，八年级的学生在物理学习中有关观察、实验、抽象和概括能力已初步形成，但绝大多数不够强，仍然是对形象直观的东西接受能力较强，而抽象思维能力较弱。
因此教学中要充分发挥实验的教学功能，培养学生学习兴趣。
另一方面，由于网络的普及，现在的学生知识获取面很广泛，但是生活中的体验却是相对欠缺。
绝大多数的孩子对“密度”这一名词较为陌生，但在生活中或多或少对物质的“疏密”和“轻重”有一定认识。
教师应放低姿态，站在学生认识事物的角度，以学生的认知事物的逻辑思维，去思考问题，去设定情境，引导从学生对生活常识的感性认识，用实验、分析的方法构建密度的精准概念。
【传统教材处理的不足与创新点】
在传统教学过程中，教师一般遵循现行课本编写与处理方式：
首先，通过鉴别相似物体，比如外形相同的木块、铝块、塑料等不同材料组成的物体，通过情景的创设，引起学生的兴趣。
然后，再让学生用天平称量上述所有物体的质量，在此基础上，引导分析、比较，能发现什么现象？
进而认识到不同种物质组成的物体体积相同，质量不同；质量相同，体积不同。
这表明物质在这方面性质上有差异。
接着，引导学生思考“同种物质的质量与体积有什么关系”，并选材、设计、测量、收集数据，就算出质量与体积的比值，绘制“质量—体积”图像，组织学生分析、交流，最终，同种物质质量与体积成正比，或者同种物质质量与体积的比值是一个定值的结论。
并推广到其他物体。
在此基础上，提出“同种物质，质量与体积的比值是一个定值，物质不同，比值不同，这反映了物质的一种本质特性”，从而引出并建立了“密度”的概念。
这种处理方式，存在着以下几个问题：
第一，从鉴别相似物体到想到用体积与质量的关系来区分不同物质进而探究质量与体积的关系，这种思维跳跃是有难度的，不符合学生思维逻辑。
每当老师设法从“任务”引入到“问题产生”的过程中，总感到很“困难”或“不顺”。
第二，在探究质量与体积的关系当中，数据处理的方式有很多，我们为什么要求质量与体积的比值？
没有这一步我们完全可以得出质量与体积成正比的结论。
第三，我们为什么用质量与体积之比来定义密度？
教材给出了是什么，但没解决为什么的问题。
概念被生硬的塞给了学生，导致学生并不能准确的深刻的理解密度的物理意义。
概念建立过程的逻辑关系应是：
本质现象→反应本质的概念→应用。
辨别物质是密度的应用，我们以这种方式来引入，颠倒了逻辑顺序，完全忽视了学生的自然认知规律。
关于密度的物理意义其实从教材的处理到老师授课都刻意回避了这个问题，只是在得到“同种物质质量与体积的比值相同，物质不同比值不同”的结论后，告诉学生“这个比值就能反应物质的一种属性”，我们用“密度”来表示这种属性，但到底是哪一种属性，学生的认识是模糊的，不够精准的。
【教学过程】
物理概念是人类在探索物理世界的过程中，在大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维的方法，把物理现象、物理过程的本质属性加以抽象、概括形成的。
中学物理学到的物理概念是科学家早已创建的，要使之成为学生头脑中的物理概念，也得经历一个从感性到理性、从具体到抽象、从知识到应用的过程，中间通过分析、综合、抽象、概括等思维过程才能实现。
所以，要让学生能学好并掌握物理概念的内涵和外延，提升学生综合思维能力，提高学生科学素养，必须依据物理概念形成特征实施教学。
一、设疑激趣，引入新课。
内容：
比较物体轻重，引发认知冲突
环节设置：
①设疑：
铁和木头谁重呢？
②展示：
形状体积各不相同的木块和铁块，且木块要比铁块质量大。
③体验：
真是这样吗？
设计意图：
在学习了“质量”后，如何比较不同物体的质量自然而然的就成了学生要学会解决的问题。
“权衡”和“掂量”物体，是生活中人们对物理世界最基本的感知方式，“比较”的思维方法是人类思维最基本的形态。
所以，我们从比较物体的轻重入手，提出问题：
“铁和木头谁重呢？
”基于生活体验，学生一般会答出：
“铁比木头重”。
顺势追问：
真是这样吗？
设置展示体验环节，从中得出给定的木块却比铁块重。
由此，学生在认知上起了冲突，关注度与兴趣也就提高了，问题也拓展开来：
这是哪里出了问题呢？
而通过设疑→展示→体验三个环节引起思维冲突，引入课程学习的同时，培养了学生的敢于质疑的科学态度、提出问题的能力、科学思维等方面的科学素养。
二、探究质量与体积的关系，确定比较标准
1.设立情境，提出问题，合理猜想
内容：
质量与体积存在怎样的关系？
环节设置：
①设置情境：
爸爸下班在小区门口花16元买了4斤桔子，妈妈下班在小区门口花21元买了6斤苹果，怎样比较谁买的水果更便宜？
②反思：
为什么比较铁与木头轻重时，与我们的预想不一样呢？
③重新思考：
我们该怎样正确比较铁与木头谁更重？
④也就是说你认为物体的质量与体积有关，那我们就通过实验来探究一下质量和体积之间到底有什么样的关系。
设计意图：
设置生活情境，是“从生活走向物理，从物理返回生活”的基本理念入手，探讨生活中谁买的水果更便宜的实际问题，学生会根据生活经验选取相同标准，即：
“一斤多少钱”来比较。
从这个情境中，学生意识到，不同质量、不同费用的水果哪个更便宜，需要在“质量相同”的标准下才能进行。
由此及彼，“反思为什么比较铁与木头轻重时，与我们的预想不一样呢？
”因为我们没有相同的标准。
继续追问“我们该怎样正确比较铁与木头谁更重？
”学生会想到“铁和木头一样大时铁比木头重”。
从物理观念上来说，“一样大”即“相同体积”。
我们选择相同体积作为标准的同时，意识到质量与体积间存在的关系，从而引入探究质量与体积的关系。
经过几个环节，学生知识迁移的能力，逻辑思维的能力，利用物理观念准确表述的能力都得到了锻炼。
2.制订计划，设计实验
内容：
交流合作，得出探究质量与体积的关系的方案
环节设置：
①提出问题：
质量和体积有怎样的定量关系？
②组内讨论：
要探究质量跟体积的关系？
需测量哪些量？
需要哪些测量工具？
如何使所得结论具有普遍性？
③组间展示：
请两组的同学汇报本小组的实验方案。
④交流评估：
你认为他们设计的方案合理吗？
⑤归纳展示：
最终方案！
设计意图：
科学探究是人类探索和了解自然、获得科学知识的主要方法，也是学生学习科学的主要方式，还是一种综合的、关键的科学能力和素养。
学生为验证自己的猜想是否正确，必定产生强烈的求知欲望，保持好奇心和探究热情，这是学好物理该具有的科学态度。
通过方案设计，一步一步建立起完善的实验体系，培养学生的逻辑思维与实验设计的能力。
探究教学强调合作学习与科学论证，经过组内合作讨论，形成较为完善的方案，通过组间展示对实验方案进一步探讨完善，培养学生合作探究的精神与交流评估的能力。
通过对实验方案交流与评估，理清实验方法：
控制变量法，即必须是同种物质组成的物体；要得到普遍规律，就要研究不同种类物质组成的物体，即：
我们要分类多组实验。
面向全体学生，提高学生科学素养是我们物理教学的基本理念。
最终，在引导学生讨论得出规范实验方案后，出示教师设计的实验方案供方案设计不合理的小组借鉴。
3.进行实验，收集数据
学习内容：
分组实验，收集数据
环节设置：
①讨论：
由方案到实施，如何分工、选择哪些器材、有什么使用规则、如正确操作等等。
②进行实验：
以小组为单位，选择合适探究对象（木块或铁块）完成实验，并记录下你的数据。
③结果展示：
请两小组比较有代表性的同学到黑板上展示自己的测量结果。
体积（cm3）
质量（g）
木块1
木块2
木块3
石块1
石块2
石块3
设计意图：
各学习小组，利用选取的研究对象（木块或者铁块）进行实验，分工合作共同收集证据。
在实验前，要求学生一起讨论实验由方案到具体的实施步骤应该关心的问题，如分工合作要明确，严格遵守仪器的使用规则，读数时要认真、细心，并记录好实验数据等。
探究过程中进行分组探究，一是节约课堂时间，二是构建共同探索的学习环境，培养学生进行实验与收集证据的能力，以及学生的团结合作精神。
4.数据分析，得出结论
内容：
同种物质，质量与体积成正比
环节设置：
①定性分析：
面对直观数据，由其大小变化，你发现了什么？
②定量分析：
观察体积和质量的变化量，仔细对比一下，看能不能得到质量和体积定量的关系呢？
③形成定论：
同种物质质量与体积成正比。
设计意图：
分析与论证是实验的重要环节，注重学生科学思维的培养。
本环节设置的目的正是锻炼学生正确使用物理思维方法,从定性和定量两个方面进行科学推理、找出规律、形成结论的能力。
对于大部分的学生来说，由数据得到最直接最原始的初步结论还是没有什么问题的。
但是对于形成真正意义上能准确描述的规律性结论，部分同学的能力还是欠缺的。
所以在这里先引导学生得到定性的结论，再充分利用数学中已有的知识引导学生探讨物理量之间是否存在数量依存关系，最终得到定量的结论。
这样既能够让学生知道，这个规律这个关系是怎么建立的，同时又培养学生运用数学方法的能力和实事求是的科学态度。
结论得出后，我们明确了质量与体积的定量关系，也解决了为什么可以选择“相同体积”为同一标准的疑惑，为建立密度概念做好铺垫。
三、推理延伸，构建密度概念
内容：
建立密度的概念
环节设置：
①展示实物，设置冲突
质量不同，体积也不同，该怎么做到“体积相同”？
②知识迁移，构建质量与体积之比“质量/体积”
水果单位质量的费用→物体单位体积的质量→质量/体积
③求解、对比、分析，发现质量与体积的比值与“轻”“重”的联系。
同种物质的质量与体积的比值相同，不同种物质质量与体积的比值不同。
体积（cm3）
质量（g）
质量/体积（cm3/g）
木块1
木块2
木块3
石块1
石块2
石块3
4讨论：
从质量是含有物质多少的角度，讨论“质量/体积”的意义。
⑤建立密度概念：
就好比相同大小的地里，种的树多与少一样，相同体积下，铁块含有的物质多，“稠密”一些，木块含有的物质少，“稀疏”一些！
这就是不同物质之间的差异。
而“质量/体积”的值，便是这个差异的体现方式。
我们给它一个特定的称谓“密度”。
即：
密度就是质量与体积之比。
设计意图：
在已经确定“相同体积”为标准的前提下，提出体积、质量都不同的情况下，如何做到相同体积的标准。
通过对比用单价来体现“哪种水果更便宜”的生活经验入手，让学生意识到，对于不同质量不同体积的情况下，用单位体积（1m3或1cm3）作为标准比较质量的大小。
也能顺利过渡到用“质量/体积”来得到单位体积（1m3或1cm3）的质量。
然后，通过求解对比，同学们发现，同种物质“质量/体积”的值相同，不同种物质“质量/体积”的值不同。
进一步比较发现，铁块的比木块的比值要大，正好契合了学生一开始对木块轻铁块重的认知。
但我们原本是要比较物体质量的大小，却出现了一个与质量和体积没有关系的常量——质量与体积的比值，这个比值到底具备什么意义呢？
对比单价，弄懂“质量/体积”的值的含义：
单位体积的质量，结合“质量”的定义认识到“重”（质量大）：
相同体积下，含有物质多，内部结构“稠密”一些；“轻”（质量小）：
相同体积下，含有的物质少，内部结构“稀疏”一些。
让学生意识到这就是不同物质间存在的差异，而“质量/体积”的值，便是这个差异的体现方式。
由此，我们引入并建立起密度的概念，同时彻底理解了密度的物理意义。
即：
密度是质量与体积之比，密度反映了物质结构的疏密程度。
在这里，我们利用学生熟悉的生活体验与生活中对事物认识上积累的一些观念，再经过课堂上的实验探究，收集数据进行分析、比较、综合、判断和推理等思维活动，对感性材料进行思维加工，从中抽象出事物所共有的本质内涵属性，抛弃那些表面的、次要的、非本质的东西，进而形成相应的物理概念——密度。
同时，经历了物理学研究方法和过程，发展了学生的逻辑思维能力.
四、总结提炼，获取新知
内容：
密度
1、定义：
某种物质质量与体积之比。
2、公式：
ρ=m/V
3、单位：
kg/m3g/cm3
1g/cm3=1000kg/m3
物理意义：
1m3水的质量是1000kg。
4、不同种物质的密度一般不同。
密度是物质的一种特性，与物质的种类、状态、温度等有关。
环节设置：
①总结陈述：
密度的定义方及公式。
②导出单位：
质量、体积的国际单位与常用单位是什么？
你能导出密度的单位吗？
你能导出密度常用单位与国际单位的换算关系吗？
③观察密度表：
认识一些物质的密度，记住水的密度，说出其物理意义。
④归纳总结：
密度是物质的一种特性。
设计意图：
通过探究与归纳，密度的概念已经被抽象出来，让学生表述意在培养学生对物理概念的准确表达能力。
导出密度单位的过程，主要是为了让学生从根本上了解单位的物理意义。
引导学生推导不同单位间的换算关系，则是为了培养学生的推导能力，更是为了克服学生因单位换算而造成的解题困难。
观察查阅密度表，培养学生从数据表格提取、总结、归纳信息的能力。
在展示与交流过程中，让学生认识到密度是物质的一种特性，不同物质一般不同，与物质的种类和状态有关，与物体的质量、体积、运动状态、位置等无关。
五、学以致用，深化理解，培养能力。
内容：
密度的应用
1、ρ=m/V，鉴别物质
2、m=ρV，获得不容易测量物体的质量
3、V=m/ρ，获得不规则形状物体的体积。
环节设置：
多媒体展示，创设情境，提出问题：
小明一家去北京旅游，晚上小明正在看电视，正看到攻打城池的士兵，被一块块的巨石砸退了进攻，爸爸神秘兮兮的回来了，跟小明说，看爸爸英明不，今天可逮着便宜了，给你妈买了条金项链……
①小明漫不经心的来了句：
爸，你买的不会是假的吧？
爸爸：
假不假，你想法子证明一下呗！
②小明：
我一直有个疑问：
你看电视上那么大的石头砸在人身上，那演员还不被砸坏了啊？
爸爸：
傻孩子，哪能用真石头啊。
既要弄那么大个，还要不能伤到人，你倒是想想，这石头道具是怎么做的？
③小明：
今天讲解员说，人民纪念碑的碑心石重多少吨。
我就不明白了，那么大的石头如何称出来的？
爸爸：
我就知道碑心石是花岗岩，我还看到它就是一长方体。
④小明：
科学馆的阿姨说人体的体积一般都不足0.1立方米，我感觉我挺大个的啊？
爸爸：
我就只告诉你，人的密度大概和水差不多，你琢磨琢磨吧。
设计意图：
当概念在学生思想中初步建立后，我们经历了从生活走向物理的过程，为了巩固、完善学生的理解，使之认识更为丰满，我们必须对其延伸和发散，再从物理走向生活。
使学生在运用概念联系实际或解决具体问题的过程中，巩固、深化和完善。
所以，通过建立体验情境，提取曾经出现过的疑问，构建讨论和思考的学习环境，让学生在解决生活实际问题中培养学习兴趣和解决实际问题的能力的同时感到所学知识亲切、有趣、有用。
比如：
利用密度是物质的一种特性，鉴别物质种类；选择合适密度的铸造材料，在保证体积不变的情况下，满足对质量的不同需求；利用公式的变形式计算无法直接测量的质量、体积等。
拓展学生的知识视野，激发学生对物理知识的热爱之情。
让学生在运用知识解决问题的过程中把知识转化为能力。
【教学启示】
新课程理念要求整个教学过程中，教师只是思维的引导者，学生才是学习的主体。
要构建一堂基于学生认知逻辑的精准备课，教师必须做到对学生的心理与认知水平有深刻的了解，对学科知识有精准的把握，对物理教学逻辑有合理的认识与规划。
1.教师需灵活运用心理学知识，使教学流程契合学生认知路径。
因此必然受到教育学理论及认知心理学成果的影响。
换言之，为使物理教学收获成效，就需要汲取认知心理学的研究成果以便教学设计贴合学生的认知路径，实现教学模式与认知路径的合理对接。
初三学生的认知水平正处于具体运算向形式运算过渡的阶段，他们兼有数据驱动与概念驱动两种认知路径。
鉴于此，在“密度”教学中，教师引导学生先依照概念驱动模式,从理论上演绎出密度的表达式,再沿袭数据驱动模式，借助实验数据归纳、诠释密度的内涵，最后拓展到密度在生活领域的应用，从而使密度概念的得出水到渠成,完成学生密度学习的升华。
2.教师要悉心钻研教材，促进学生深度学习的产生。
当前物理教学中存在着一个显著问题，即学生对物理知识的深度学习把握不足，以致无法充分领略物理学科本身的魅力，由此造成课堂教学表面热闹实际效果堪忧的窘境。
对此，笔者认为若想促使学生深度学习的发生，教师须先高端备课，即对学科知识有精准的把握，对教学逻辑有合理的规划，厘清知识导入的逻辑顺序，而非对教材、教参的简单重演。
力争每一个教学步骤都言必有据，每一个环节让学生体会到思维过程的曼妙，最终引导学生在构建出概念的定义式的同时，发展自身的逻辑思维能力。
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