转换法与等效替代法在初中物理实验教学中的应用

李甲林

[摘   要]转换法与等效替代法是初中物理实验教学中很重要的两种科学方法，转换和等效替代的思维方法往往可以将复杂的问题简单化，对培养学生的思维能力有重要的作用。

[关键词]转换法;等效替代法;初中物理;实验教学

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）20-0052-02

一、转换法和等效替代法的区别和联系

1.轉换法

转换法是初中物理实验教学中的一个重要方法，有些物理实验现象并不明显。例如，在苏科版初中物理第一章《声现象》的教学中，探究声音产生的条件时，可以将正在发声的音叉接触悬挂的乒乓球，通过乒乓球被弹起的现象表明发声的音叉在振动，这就应用了转换的思维方法。

有些物理量无法直接观察，这时就需要把无法直接观测的物理量转换成容易观测的物理量，帮助我们完成实验。例如，在苏科版初中物理第十二章《动能  势能  机械能》的教学中，探究动能的大小与哪些因素有关时，小车具有的动能大小无法直接观察出来，这时可以让运动的小车来推动静止的木块，通过木块被小车推动的距离来反映小车动能的大小，这就是转换法的具体应用。

2.等效替代法

在物理实验中有些物理特征、物理过程和物理量想要直接观察和测量很困难，这时就需要把要观测的量替换成其他间接的，容易观察和测量的量进行研究，这种研究问题的方法叫作等效替代法。

等效是指不同的物理现象、模型、过程等在物理作用效果或物理意义相同时，它们之间可以相互替代，当面对一个较为复杂的问题时，可以提出一个简单的方案或设想，加以替代，使它们的效果完全相同，从而将问题化难为易。

曹冲称象的故事就应用了等效替代的思维方法，古时无法直接测量出大象的质量，曹冲就把大象赶到小船上，在船和水面的交界处做好标记，再把大象赶下船，在船上装上石头使水面仍然达到标记处，则这时石头的总质量就等于大象的质量。将不可测量的、大的物体等效转换为多个可测量的小物体，这一难题就得到了解决。

3.两者之间的联系

曹冲利用石头等效替代了大象，其本质也是转换思想，因为古时大象的质量无法直接测量，但可以转换成测量石头的质量。等效替代的思想实质就是转换法的具体应用，这两种科学方法在初中物理实验教学中有着广泛的应用，把这两种科学方法结合起来可以更好地解决问题。

二、实验教学案例：一堂测量人体血液密度的实验复习课

1.课前准备

现在学生自己解决问题的能力普遍较差，学生在大量课业负担的重压下，大多都忙于完成解题，以提升应试能力。普遍情况是教师讲过的包括一些难度较大的题型，只要通过一定量的训练大多数学生都能掌握得较好，但是只要是教师没讲过的题型，即使试题难度不大，学生也大多不会解。究其原因主要是，学生并没有真正掌握分析解决问题的方法，而只是照搬教师的思路，缺少创新，所以在教学中培养学生分析和解决问题的能力就显得尤为重要。在初中物理实验教学中注重转换法和等效替代法的应用，能有效提高学生解决实际问题的能力。本堂课是初三学生中考前总复习时教师为了培养学生的转换和替代思维能力而准备的一堂实验复习课，课前教师准备了密度计、大烧杯、溢水杯、鸡蛋、水、盐、天平、量筒等器材。

2.课堂实录

在复习了密度和浮力有关实验及相关知识后，教师可让学生自己设计测量人体血液密度的实验方案。

学生讨论后提出了两种方案：一是测量出血液的质量m和体积V，根据[ρ=mV]求出血液密度;二是把血液装在容器中用密度计直接测量出密度。

师：理论上这两种实验方案都是可行的，但是有没有不足之处呢？

学生讨论后意识到以上两种方案都需要较多的血液，在实际测量中并不合理。

（此时学生不知如何着手了，这时正是培养学生思维能力的绝佳时机。）

师：既然不能直接测量出血液的密度，那我们能不能把测量血液的密度转换成测量其他物质的密度呢？比如，我们可以用一个鸡蛋来替代血液，先研究如何测量鸡蛋的密度。

学生甲：可以先用天平测量出鸡蛋的质量m，再用量筒和水测量出鸡蛋的体积V，根据密度公式计算出鸡蛋的密度。

（教师拿出准备好的鸡蛋、量筒及适量的水，演示将鸡蛋放入盛水的量筒时的情景。）

师：甲同学的方案理论上是可行的，但是我们发现由于鸡蛋体积较大无法放入量筒中，那么如何测量鸡蛋的体积呢？

学生乙：可以将鸡蛋浸没在装满水的溢水杯中，用量筒接住溢出的水，测量溢出水的体积就等于鸡蛋的体积。

师：乙同学把鸡蛋的体积转换成了排出水的体积，用排开水的体积等效替代了鸡蛋的体积，这就是转换法和等效替代法的具体应用。

（让学生分小组实验，利用天平、溢水杯、水、量筒测出鸡蛋密度。）

师：用溢水杯测量鸡蛋体积时有什么发现？还有什么方法可以测量鸡蛋的密度呢？

学生丙：当把鸡蛋放入溢水杯里的水中时，发现鸡蛋似乎可以悬浮在水中，可以在溢水杯里的水中加盐，并不断搅拌使鸡蛋刚好悬浮在盐水中，用密度计测量出盐水的密度，此时盐水的密度就等于鸡蛋的密度。

（让学生分小组实验，在溢水杯中加盐使鸡蛋悬浮，测出鸡蛋的密度。）

师：丙同学的方案非常好，他把测量鸡蛋的密度转换成了测量盐水的密度，这就是转换法的具体应用。那么测量血液密度该如何转换和替代呢？

学生丁：可以把一滴血滴在一种和血液不互溶的溶液中，通过调节溶液的密度使血液刚好悬浮在溶液中，这样血液的密度就等于这种溶液的密度，再测量出该溶液的密度即可。

师：丁同学提出的测量血液密度的方案在实际医疗中就有类似的应用，在医疗上是将血液直接滴入配置好的密度已知的硫酸铜溶液中，当血液在硫酸铜溶液中悬浮时，ρ血=ρ溶液。这种转换和等效替代的思维方法帮助我们解决了测人体血液密度的难题。

3.课后总结

本堂课通过创设测量人体血液密度的问题情境，结合具体实验，让学生参与讨论和设计并进行实验，使学生既理解了密度的概念，又灵活掌握了浮力和二力平衡的相关知识，学会了转换法和等效替代法的具体应用，培养了学生运用所学知识解决实际问题的能力，使学生所学的知识得以融会贯通，锻炼了学生的思维。通过讲述学生熟悉的曹冲称象的故事，激发了学生学习物理的热情，使教学取得了事半功倍的效果。

三、结束语

除了转换法和等效替代法以外，在初中物理实验教学中还有很多的科学方法，不管是应用什么科学方法，其实都是为了提升学生的思维能力。要在初中物理实验教学中培养学生的思维能力，就不能只满足于初中物理教材上现有的内容，而要对某些内容做出适当的改进、创新，使之更加有利于学生思维能力的发展。

（责任编辑 易志毅）