物理“密度”概念教学再探析

董慧 曹小利

摘 要：初中物理“密度”概念的学习一直是个难题.本文通过对初中生密度概念理解的测试、分析，发现教师仅采用“探究质量与体积的关系”这种量化的方式建立密度概念，不足以使学生理解密度的内涵.本文结合物理概念形成条件和建构主义理论观点，分析学生理解困难的原因，并基于物质微观结构，采用定性和定量研究相结合的方法，对课堂教学实施和教材修订提出具体的建议.

关键词：密度;概念理解;概念教学

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）20-0012-03

作者简介：董慧（1982-），女，河南南阳人，博士，研究方向：物理课程与教学理论研究;

曹小利（1986-），女，河南郑州人，硕士，中学二级教师，研究方向：中学物理课堂教学研究.

初中物理密度概念是物理学中的重要概念，因其比较抽象，学生学习起来相当困难，不少物理教师困惑于寻找合适的方法帮助学生理解.且一直以来，该概念的教学方式单一，有不少学者也从不同视角、不同的“切入点”展开详尽的分析，但基本都是按照教材安排，采用定量研究的方法，探究质量与体积的关系，建立密度概念.而笔者认为，物理初学者对新知识的建构多以生活经验和对世界的感知为基础，教师仅采用定量研究的方法不足以让学生理解密度的内涵，因此，本文从物质微观结构入手，采用定量和定性研究相结合的方法对此进一步探索.

1 初中生对“密度”概念理解偏误的测试

1.1 对“密度”概念理解的两个偏误

笔者对郑州市某中学（成绩在郑州市排名中等偏上）八年级三个班共160名学生进行课后测试，结果（见表1）显示学生对密度概念的理解存在两个问题：不能正确理解“密度、质量、体积”三者之间的关系;不能正确分析“物质密度大小的变化”.

1.2 理解偏误的主要原因

1.2.1 探究实验中，“质量和体积”两物理量“干扰”学生对密度内涵的理解

教材按照“提出问题—实验探究—得出结论—给出概念”的思路安排教学.（教师按此安排授课）探究“物体的质量与体积的关系”得出结论并给出密度概念和计算公式[1]，如图1所示.

此过程用量化的方式探究“质量与体积的比值是不是定值”，看似直观、逻辑清晰，但学生在对密度性质的理解中，质量、体积两物理量也有干扰作用.学生疑惑：通过探究质量、体积的关系而得的密度概念，怎么又与二者无关？同时，对于八年级学生而言，仅根据“同与不同”理解“物质的属性”有一定难度.可见，教师仅采用定量研究还不能使学生正确清晰地理解密度概念.

1.2.2 “利用公式分析、推断”，对八年级学生的认知要求偏高

教材在“质量与密度”这一章的最后一节“密度与社会生活”中，采用“想想议议”的形式，通过两个小实验解释“温度能够改变物质的密度”，并得出结论（见表2）且推广至固体、液体[2].

根据布卢姆的教育目标分类学，对“利用公式分析推断”属于认知过程维度中“应用、分析”层次，超出“理解”的认知要求.笔者曾在课上对此问题做过调查，问：橡皮膜为什么会凸起来？答：因为体积变大了.追问：密度如何变化？学生疑惑：不变？引导：试着用我们学过的密度公式来分析.学生一脸迷茫.可见，对八年级学生而言，“利用公式分析推断”的认知要求偏高，且不易想到.

2 “密度”概念教学方式选择的理论分析

物理概念是客观事物的共同属性和本质特征在人脑中的反映，是物理事物的抽象，是观察、实验和思维相结合的产物[3].物理概念的建立需要明确“事物的共同属性和本质特征”，并通过观察、实验和思维相结合，从感性认识上升到理性认识.在建立密度概念的过程中，学生要有“微粒（分子或原子）”和“疏密”的感性认识，从而获得“密度”的感性认识，进而明确“密度”的本质属性，理解概念的内涵和外延.

2.1 利用先拥经验，获得对密度的感性认识

密度是“对特定体积内质量的度量”，即物质单位体积内的质量[4].物质由粒子（分子或原子）组成，则物体的质量就是其所含粒子的总质量，受“粒子数量和其自身质量”影响，又因粒子自身质量很小（不同物质间相差不大），所以物体的质量主要受“粒子数量”影响.牛顿在《自然哲学之数学原理》[5]中也明确定义了物体的静质量，即质量是“物质之量”，并指出“物体的体积越大，所包含的粒子数越多，其质量就越大”，由此可见，物质的质量主要受“組成物质的粒子的数量”影响.而在单位体积内，粒子间距决定粒子的数量，间距大，数量小，间距小，则数量大.因此，物质的密度主要受“粒子间距”影响，即物质的密度反映“粒子间的疏密程度”.

而学生在日常生活经验中已对物体的“疏密程度”具有清晰的认知，很容易理解“疏密程度”这一词汇的涵义，因此，教师在教学中应充分利用学生这一“先拥经验”，使学生在了解“微粒”这一微观概念的基础上，获得对微粒“疏密程度”的感性认识.

2.2 实现“观察、实验与思维”相结合，促进密度概念从感性认识上升到理性认识

概念是思维的一种表现形式，思维加工是概念形成的主要活动，感性认识是思维加工的基础.而思维加工是一个及其复杂的过程，需要学生在观察、实验的过程中感知，获得感性认识，再经探究、实验等手段，实现从感性认识向理性认识的飞跃，此过程中，刺激、引导学生进行有效的思维加工是关键.因此，教师在教学中应当创设适当的问题情景，采用观察、实验、探究等多种手段，多种研究方法相结合，刺激学生的思维，促进密度概念从感性认识上升到理性认识.

3 对课堂教学的实施建议

依据以上测试及分析，本文对此概念教学提出不同的视角——从物质微观结构入手，感知密度;定量研究与定性分析相结合，理解密度.教学思路如图2所示.

3.1 获得感性认识：呈现物质内部微观结构图，帮助学生获得密度的感性认识

呈现放大倍数相同的两种物质（木块和铝块）的内部微粒结构图（可以在教材上呈现，也可以是授课教师在课堂上采用PPT的形式呈现），引导学生观察不同物质的微观结构，并结合日常生活中的“先拥经验”（对“疏密程度”的认识）获得对物质密度的感性认识.用此方式引入“密度的大小”，直观、形象地展示物质的内部微观结构：对于不同的物质，组成该物质内部的微粒间距不同，其实质是密度大小不同.

有了对密度的感性认识，即明白“密度的大小与组成物质粒子间的疏密程度有关”，因此，外界环境条件不变，粒子间的疏密程度则不会改变，密度大小也不改变，从而澄清“密度大小与其自身质量和体积”无关，与“外界环境条件”有关.而什么因素会影响粒子间距？“外界环境条件”具体指什么呢？联系分子热运动相关知识进一步探讨，该问题不难理解，这样从定性的角度解决“影响密度大小的因素”是外界环境条件，而非质量、体积.因此，密度是物质的一种特性，大小与其质量和体积无关.

依据对密度的感性认识可进一步分析：密度小的物质，其粒子间距大，相同体积内粒子数量少，质量就小;反之，质量大.可见：物质质量和体积的大小受其自身密度大小的影响，即体积相同的不同物体，密度小的质量小，密度大的质量大;相同质量的不同物体，密度小的体积大，密度大的体积小.

此环节，学生观察物质的微观结构，结合“先拥经验”，获得密度的感性认识，为获得密度的理性认识奠定基础.其中，明白“密度的内涵指粒子间的疏密程度”是理解密度概念的关键.

3.2 学生在问题情境中作定性分析（探究“物体质量和体积的大小”与“物质的密度”的关系），进一步理解密度的概念

在科学课堂上，学生总是答错“棉花与铁哪个重”的问题，仔细分析其原因，在学生的直觉中，根据先拥经验，已经有“物体的‘轻‘重与物质的某种特性有关”的意识，但疑惑于内在实质.笔者曾在“密度”课前做过测试，问：1千克棉花和1千克铁哪个重？部分学生毫不犹豫地回答：当然是铁重.追问：怎么理解？回答：铁的密度大（通过预习，知道了密度）.追问：你的意思是“因为铁的密度比棉花的密度大，所以铁的质量大”喽？回答：是的.可见，学生认为“物体的质量大”是因为该物质的密度大，可以看出他们已有“物体质量的大小与其密度有关”的意识，但没有统一的比较标准（控制变量）.

教师在教学中，需要将问题放入真实情景中.利用上述呈现粒子内部结构的两种物质，提出问题：体积相同时（体积相同的木块和铝块），谁的质量大？该问题强调两种物质的密度已知且不变，“体积相同”统一了比较标准.学生经过猜想、探究实验（如图3所示），得出结论：相同体积的不同物体，粒子间距大的物体质量小，粒子间距小的物体质量大.

进一步提问：若使二者质量一样大，需要怎样操作？该问题同样强调两种物质的密度已知且不变，探究与操作也很简单，只需一架天平，左盘放一个铝块（密度大约2.7g/cm3），右盘中放入合适数量的木块，使天平平衡，大约五个木块（密度大约0.54g/cm3）与一个铝块质量相同（如图4所示），可以直观地发现：相同质量的不同物质，粒子间距大的体积大，粒子间距小的体积小.

以上两个问题及实验，都强调两种物质的密度已知且不变，而质量和体积会因密度的不同而变化，即：体积相同时，物质密度大的质量大;质量相同时，物质密度大的体积小;而对于同种物质，质量增加，是因为体积增大，而非密度变化（同种物质，质量随体积的变化而变化，体积随质量的变化而变化）.同时，也走出上述问题中“‘物体的质量大一定是因为该物质的密度大”的误区，进而排除“轻”“重”问题对学生的困扰.

3.3 学生通过定量研究（探究物质的质量与体积的关系），实现从感性认识上升到理性认识，形成密度的概念

概念是对感性材料抽象概括的结果，是理性认识的开始.学生要形成概念，就要从对密度的感性认识上升到理性认识.在上述对密度的定性研究中，学生已有“同种物质的密度是定值，不同物质的密度不同”的感性认识，现需采用定量研究将其验证，笔者用铝块和木块按教材的安排实施探究实验，用“量”的研究验证“质”的分析，进一步理解密度.除此之外还需引导学生特别关注：同种物质，当质量增大时，体积随之增大;当体积增大时，质量也随之增大，而质量与体积的比值（密度）始终不变.即“同种物质，质量变化是因为体积的变化，体积变化是因为质量的变化，而密度始终不变”，强调密度的大小与其质量和体积无关.同时采用比值定义法总结出密度的定义及表达式.

4 对教材修订的建议

在不影响教材整体结构的基础上，结合密度概念的教学建议，笔者对教材修订提出两点具体的建议.

4.1 “质量”概念之后添加“物质构成”的相关内容

在以上教学方式选择中，要使学生获得对密度的感性认识，需先了解微观粒子的相关知识（如：物质的组成、内部结构等），因此，“物质的构成”应在“质量”一节中简单介绍，可作为“小资料”内容.即人教版义务教育教科书（2012年版）物理九年级中的第一章第一节的第一部分“物质的构成”的第一段，可作为“小资料”内容，安排在“质量”一节中“质量”概念之后，可以使学生在学习密度之前明白“物質的组成”，为获得密度的感性认识奠定基础，同时也对质量的概念形成了更深的认识.

4.2 “密度与社会生活”安排在“测量物质的密度”之前，“密度”之后

学生在密度概念的学习之后，紧接着学习密度的简单应用（“密度与社会生活”），趁热打铁，有利于对密度概念更深的理解.学生在了解“物质的微观结构”之后，可以从微观的角度解释实验现象，更好地解释“密度与社会生活”中的演示实验，理解“温度改变物质的密度”这一性质的实质.因此，“密度与社会生活”的内容应安排在“测量物质的密度”之前，“密度”之后，即：“质量与密度”这一章的第4节与第3节调换位置.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]闫金铎，郭玉英.中学物理教学概论（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2009.

[3]吴华芳.以“物质的密度”教学为例谈物理概念的教学策略[J].中学物理教学参考，2018，47（23）：21-22.

[4]赵亚萍，赵玉萍，邢红军.论密度概念引入方式的科学性——与“基于学习心理学视角分析‘密度教学的引入方式”一文商榷[J].中学物理教学参考，2020，49（25）：55-57.

[5]刘紫微，魏舜芷，陈刚.基于学习心理学视角分析“密度”教学的引入方式[J].中学物理教学参考，2019，48（21）：34-36.