田曉娜

摘 ? 要：為完成“估測出一萬粒大米”的任務，初學物理的學生把大米數(shù)量的計量轉(zhuǎn)化為體積、質(zhì)量的測量，利用了累積、轉(zhuǎn)換等物理方法，增加了對質(zhì)量、體積的感性認識，提高了解決問題的能力，提升了物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：測量;轉(zhuǎn)換法;小量累積法;物理素養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2020）2-0051-3

門捷列夫說科學是從測量開始的。長度、體積、質(zhì)量和時間的測量是力學測量的基礎(chǔ)，充分利用基本測量的教學價值，不僅可以讓學生掌握正確的測量方法，而且能夠讓學生綜合運用測量技能解決實際問題。在研修課上“估測出一萬粒大米”是一次有益的嘗試。

1 ? ?開動腦筋設(shè)計測量方案

一萬粒大米若一粒一粒地數(shù)，每秒數(shù)一粒，近3個小時才能完成，顯然這不可行。借助哪些測量手段解決問題簡單可行呢？初學物理的學生容易從空間、質(zhì)量、時間的測量入手，需要的器材分別為刻度尺、量筒、天平、秒表，學生設(shè)計出了幾種典型方案。

1.1 ? ?長度法

取20粒大米排列成一條直線，用刻度尺測得長度為l，每粒大米的平均長度為l/20，一萬粒大米的長度為500l，借助刻度尺擺出長度為500l的大米隊列，需要的大米即為一萬粒。

1.2 ? ?面積法

用一個底面積為S的小紙盒，底部密鋪上一層大米，數(shù)出大米的粒數(shù)n，一粒大米平均占據(jù)的面積為S/n，用刻度尺測出面積為104S/n的區(qū)域，密鋪上一層大米，對應的大米粒數(shù)為一萬粒。

1.3 ? ?體積法

數(shù)出100粒大米，用量筒測得體積為v，每粒大米的平均體積為v/100，用量筒量出100v體積的大米，就是一萬粒大米。

1.4 ? ?質(zhì)量法

數(shù)出100粒大米，用天平測得質(zhì)量為m，每粒大米的平均質(zhì)量為m/100，一萬粒大米的質(zhì)量為100m，用天平測出質(zhì)量為100m的大米，即為一萬粒大米。

1.5 ? ?時間法

取一個漏斗，用手堵住底部，裝滿大米，松開底部同時開始計時10 s，再次堵住漏斗，數(shù)出10 s內(nèi)漏出的大米粒數(shù)n，計算漏出一萬粒大米所需要的時間105/n s。漏斗在漏米的同時用秒表計時105/n s，即可得到一萬粒大米。

另外，有學生設(shè)計利用杠桿的力臂放大，如力臂比10：1，可以實現(xiàn)用100粒大米稱出1000粒大米;有學生設(shè)計用天平測出一顆彈珠與多少粒大米質(zhì)量相同，計算一萬粒大米相當于幾顆彈珠的質(zhì)量再進一步測量。這兩種方法本質(zhì)上與質(zhì)量法相同。學生設(shè)計實驗方案的過程是調(diào)動頭腦中所學知識與新情境建立聯(lián)結(jié)的過程，可行的方案是解決問題邁出的一大步。

2 ? ?動手操作解決實際問題

實驗方案是頭腦中解決問題的整體思路，解決實際問題時需要不斷調(diào)整，這對于學生的能力是一種挑戰(zhàn)。

比如，長度法中學生發(fā)現(xiàn)一萬粒大米一粒粒排列起來比直接數(shù)粒數(shù)難度還要大。學生不愿意放棄長度法，提出可以用只能容下一列大米的凹槽來省去人工排列的繁瑣，但凹槽需要很長或者重復取多次。學生再次提出的解決方案是凹槽寬一些，一次多鋪幾列，或者凹槽寬一些，同時深一些，一次鋪更多列。大米從一維排列到二維、三維排列，其實就是測量方法從長度到面積、體積，并且學生發(fā)現(xiàn)不需要專門制作凹槽，小紙盒、量筒就是現(xiàn)成的凹槽。雖然長度法估測出一萬粒大米可行性差，但由長度法逐步得出面積法、體積法的過程中，學生的思維在進階，解決問題的能力在提升。

面積法中，學生發(fā)現(xiàn)大米的單層排列雖然可以用手掌或書去壓以節(jié)約時間，但邊緣容易多層堆積，中間容易形成空隙，整理起來比較耗時。

時間法中漏斗底部孔大，大米下落速度太快。計時時間短，計時誤差大;計時時間長，落下大米粒數(shù)較多，統(tǒng)計困難。漏斗底部孔小，大米容易被卡住流不下來，找到合適的漏斗并不容易。

最后，學生通過實踐得到結(jié)論，體積法和質(zhì)量法測出一萬粒大米最方便、快捷。

理論和實踐之間有若干實際問題需要解決，只有在教師放手讓學生操作的過程中，基礎(chǔ)知識、基本技能才能得以應用，學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力以及選擇最佳方案的思辨能力得到提高，為以后物理知識走向社會打下堅實的基礎(chǔ)。

3 ? ?潛移默化滲透物理方法

一萬粒大米直接數(shù)出不現(xiàn)實，需要把數(shù)大米的粒數(shù)變?yōu)闇y量長度、面積、體積、質(zhì)量、時間等，這是一種典型的物理方法——轉(zhuǎn)換法。轉(zhuǎn)換法是把不易觀察的物理現(xiàn)象、過程或不宜測量的物理量轉(zhuǎn)換成另一種可見性或可測性的形式表現(xiàn)出來的研究方法[1]。比如，探究動能的大小的影響因素中，沒有直接測量物體的動能，而是觀察物體推木箱在水平面運動的距離來定性判斷物體具有的動能大小。

一粒大米的質(zhì)量、體積很小，直接用天平、量筒測量不可行，通過測多粒大米的質(zhì)量和體積，計算得到一粒大米的質(zhì)量和體積。為了得到測量儀器不能直接測量的微小物理量，我們通常用小量累積的方法使待測量的量化少成多[2]。利用單擺測重力加速度的實驗中，通過測量單擺擺動30～50個周期所需的時間計算單擺的周期;時間法測量一段時間內(nèi)從漏斗落下的大米粒數(shù)計算一粒大米落下所需時間，都用到了小量累積法。

“不聞不若聞之，聞之不若見之，見之不若知之，知之不若行之;學至于行而止矣?！甭牭降臅?，看到的能記住，做過的才真正明白。學生在測量、交流時體驗并體會到解決問題的過程中使用了多種物理方法，通過“做”這些物理方法內(nèi)化為學生的一種能力。

4 ? ?親身體驗增加感性認識

人類對事物的認知規(guī)律是從感性認識上升到理性認識的，實踐的過程學生可以獲得大量的感性認識。比如面積法中，學生在一個底面為15 cm×10 cm的盒子底部平鋪一層大米，在數(shù)粒數(shù)的過程中發(fā)現(xiàn)大米粒數(shù)較多，可能超過1000粒。于是重新選擇在一塊5.5 cm×2.5 cm的積木塊上平鋪一層大米來取樣，如圖1。又如體積法中，學生計劃數(shù)出100粒大米，用量筒測其體積從而得到一粒大米的平均體積。但發(fā)現(xiàn)100粒大米的體積很小，用量筒測量無法讀數(shù)，如圖2。決定把方案改為取體積為10 cm3的大米，數(shù)出大米的粒數(shù)來求一粒大米的平均體積。再如質(zhì)量法中，通過測量學生知道100粒大米的質(zhì)量約為2.2 g，一粒大米的質(zhì)量約為2.2×10-2 g，一頓飯吃二兩大米（100 g）制成的米飯，約吃掉大米5千粒，一億粒大米質(zhì)量約為2.2 t。曾有老師要求學生“數(shù)”出一億粒大米帶到學校，可見缺乏感性認識，成年人也會犯錯誤。積累了足量的感性認識，感性認識才會升華為理性認識，并且來指導我們的行動。

5 ? ?任務驅(qū)動提升物理素養(yǎng)[3]

學生在完成“估測出一萬粒大米”的任務中強化了質(zhì)量、體積等物理概念，鞏固了測量工具的正確使用方法，提高了靈活運用這些基礎(chǔ)知識、基本技能解決實際問題的能力，達到了物理核心素養(yǎng)物理觀念的較高水平?！肮罍y出一萬粒大米”的任務由數(shù)出一萬粒大米到可行的實驗操作，通過累積法測一粒米的質(zhì)量、體積、漏下所需時間等小量，再用測量工具直接測出一萬個這樣的小量，是把復雜問題轉(zhuǎn)換成物理模型的過程，這有助于學生科學思維的形成。從制定測量方案到調(diào)整、實施方案，利用合理的器材獲得數(shù)據(jù)，到學生對測量過程和結(jié)果交流反思，得到最佳測量方案是體積法和質(zhì)量法，學生經(jīng)歷了一次科學探究的過程。有趣的測量任務激發(fā)了學生的學習熱情，完成任務的過程中學生尊重事實、相互協(xié)作，認識到物理知識在解決實際問題中的力量，培養(yǎng)了學生的科學態(tài)度。學生在完成“估測出一萬粒大米”的任務時，物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度等物理素養(yǎng)都得到了提升。設(shè)置“估測出一萬粒大米”的任務，充分利用其教學價值，提高學生解決實際問題的能力，提升學生的物理素養(yǎng)，這是一次有益的嘗試。

參考文獻：

[1]王春燕.轉(zhuǎn)換法在初中物理教學中的應用[J].物理教學，2012，34（3）：33-34.

[2]凡佐勝.例析長度測量的特殊方法[J].中學物理教學參考，2010，39（11）：57-58.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）