基于科學(xué)探究體驗(yàn) 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)
——以初中物理“浮力”為例

梁 建 葉志兵 張 杰 朱翠芹

基于科學(xué)探究體驗(yàn) 發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)
——以初中物理“浮力”為例

梁 建1葉志兵2張 杰1朱翠芹1

（1．江蘇省宿遷市沭陽(yáng)縣沭陽(yáng)如東實(shí)驗(yàn)學(xué)校，江蘇沐陽(yáng) 223600；2．江蘇宿遷市沭陽(yáng)縣教育局，江蘇沭陽(yáng) 223600）

核心素養(yǎng)的提出拉開(kāi)了我國(guó)基礎(chǔ)教育改革的新一輪大潮，改革的重任落在一線教師的肩上．教師只有深挖教材內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)有利于培養(yǎng)核心素養(yǎng)的科學(xué)探究問(wèn)題，才能有效的落實(shí)國(guó)家提出的核心素養(yǎng)發(fā)展要求．文章以初中物理《浮力》為例，詳細(xì)介紹了如何利用科學(xué)探究體驗(yàn)，發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

科學(xué)探究；核心素養(yǎng)；終身學(xué)習(xí)

教育部在2014年3月30日印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見(jiàn)》，第一次明確提出了“核心素養(yǎng)”的概念，明確指出各級(jí)各類學(xué)校要將核心素養(yǎng)的發(fā)展落實(shí)到各學(xué)科的教育教學(xué)中．［1］在2016年6月3日，世界教育創(chuàng)新峰會(huì)（WISE）與北京師范大學(xué)中國(guó)教育創(chuàng)新研究院聯(lián)合對(duì)外發(fā)布了《面向未來(lái)：21世紀(jì)核心素養(yǎng)教育的全球經(jīng)驗(yàn)》研究報(bào)告，該報(bào)告總結(jié)的核心素養(yǎng)主要有七大方面：溝通與合作、創(chuàng)造性與問(wèn)題解決、信息素養(yǎng)、自我認(rèn)識(shí)與自我調(diào)控、批判性思維、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)以及公民責(zé)任與社會(huì)參與．［2］

在物理教學(xué)中，核心素養(yǎng)又是如何定位的呢？如何發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)呢？筆者認(rèn)為中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)是在三維目標(biāo)的基礎(chǔ)上提出的，是對(duì)三維目標(biāo)要求的“升級(jí)”，指向教育的終極目的．中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，物理基本概念，問(wèn)題解決能力，邏輯思維，知識(shí)結(jié)構(gòu)，科學(xué)研究方法、科學(xué)創(chuàng)新、信息素養(yǎng)、數(shù)學(xué)工具．物理學(xué)科要落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，科學(xué)探究是必不可少的重要組成部分，是發(fā)展學(xué)生物理核心素養(yǎng)的有效途徑．本文將以蘇科版初中物理“浮力”為例，闡述如何利用科學(xué)探究發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)．

1 體驗(yàn)浮力，自主建構(gòu)核心概念

浮力作為初中物理的核心概念，絕大多數(shù)版本的教材是采用了圖片引入，如輪船漂浮在水面、人漂浮在死海等．由于每個(gè)學(xué)生的生活經(jīng)歷不同，學(xué)生對(duì)浮力的理解是不完整的，缺少對(duì)浮力的感受，將簡(jiǎn)單的圖片引入改為實(shí)驗(yàn)探究，能讓學(xué)生體驗(yàn)到浮力，自主建構(gòu)浮力的概念．

圖1

師：請(qǐng)同學(xué)們將實(shí)驗(yàn)桌上的易拉罐緩慢壓人水中，然后告訴老師，你有什么發(fā)現(xiàn)？（學(xué)生將易拉罐緩慢壓入水中，互相交流自己的感受）

生：將易拉罐壓入水中，感覺(jué)到水對(duì)易拉罐有股向上“頂?shù)牧Α?，阻礙易拉罐浸入水中．

教師用手托起黑板擦，演示黑板擦受到向上的托力，引導(dǎo)學(xué)生類比思考：易拉罐也受到水施加的向上的托力——浮力．

師：你能舉出生活中存在浮力的事例嗎？

生：躺在浴缸中，身體逐漸下沉，但是感覺(jué)到身體好像在變輕，浴缸中的水溢出了．

易拉罐是學(xué)生易得到的物品，充分利用廢棄物品開(kāi)展初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能培養(yǎng)學(xué)生節(jié)儉的品質(zhì)；成功體驗(yàn)浮力的喜悅情緒，能有效改變學(xué)生對(duì)本課的畏難心理狀態(tài)．［3］

2 自制浮力方向演示器，提升問(wèn)題解決能力

通過(guò)設(shè)計(jì)將易拉罐壓入水中感受浮力的教學(xué)，使學(xué)生知道了浸沒(méi)在液體中的物體受到浮力，但是對(duì)浮力方向缺乏正確的認(rèn)識(shí)．

教師課前準(zhǔn)備好乒乓球、細(xì)線、鐵塊、細(xì)針、剪掉開(kāi)口的廢棄礦泉水瓶等器材．

師：力的三要素指的是力的大小、方向和作用點(diǎn)，那么浮力的方向如何呢？哪位學(xué)生講下自己的看法．

學(xué)生A：斜向上．學(xué)生B：豎直向上．

師：浮力的方向究竟是怎樣的呢？請(qǐng)同學(xué)們利用桌上的器材，自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究浮力的方向．（教師巡回指導(dǎo)）

學(xué)生自制浮力方向演示器如圖2、3所示．

圖2

圖3

通過(guò)將自制的浮力方向演示器適當(dāng)傾斜，學(xué)生能夠直觀的體驗(yàn)到浮力的方向和乒乓球重力的方向相反，即豎直向上．在自制浮力方向演示器的過(guò)程中，小組成員互相幫助，既鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手合作能力，又培養(yǎng)了創(chuàng)造性與問(wèn)題解決的能力．

3 分析浮力產(chǎn)生原因，鍛煉邏輯思維

初中階段的學(xué)生仍然停留在“經(jīng)驗(yàn)性”思維階段，對(duì)于物理現(xiàn)象的本質(zhì)原因缺乏深入的邏輯思考．教材舍棄了浮力的產(chǎn)生原因，表面看是為了降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，但是通過(guò)對(duì)學(xué)情的分析不難發(fā)現(xiàn)，完全可以利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與學(xué)生的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)的沖突，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，再引導(dǎo)學(xué)生利用前一節(jié)學(xué)習(xí)的液體壓強(qiáng)知識(shí)，分析浮力產(chǎn)生的原因．

師：如果老師向裝有乒乓球的去底飲料瓶倒水，乒乓球能浮起來(lái)嗎？

生：能，乒乓球收到水的浮力．

師：請(qǐng)同學(xué)們利用桌上的器材，檢驗(yàn)自己的猜想．

學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)如圖4．

師：乒乓球?yàn)槭裁礇](méi)有浮起來(lái)？

圖4

圖5

生：受到水對(duì)它的向下的壓強(qiáng)．

師：請(qǐng)同組的另外一個(gè)學(xué)生將瓶蓋擰緊，

你又看到了什么現(xiàn)象？怎么解釋呢？

學(xué)生C：乒乓球浮起來(lái)了．（如圖5）

學(xué)生D：乒乓球上下兩個(gè)表面在水中的深度不同，存在壓強(qiáng)差，于是在乒乓球上下兩個(gè)表面產(chǎn)生了壓力差．

師：浮力的本質(zhì)是什么呢？

生：液體對(duì)物體上下兩個(gè)表面的壓力差．

教師在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的基礎(chǔ)情況，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)浮力產(chǎn)生原因作適當(dāng)?shù)姆治鲎寣W(xué)生不僅“知其然”，還要“知其所以然”．利用實(shí)驗(yàn)探究，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突，突破浮力計(jì)算的第一種方法——“壓力差法”．

4 “拉力差法”測(cè)浮力，避免知識(shí)負(fù)遷移

教材中將浮力測(cè)量的方法稱之為稱重法，筆者認(rèn)為容易讓學(xué)生產(chǎn)生誤解，部分學(xué)生會(huì)產(chǎn)生這樣的認(rèn)識(shí)：物體在氣體和液體中各有一個(gè)重力．所以在課堂教學(xué)中，筆者將“稱重法”更名為“拉力差法”．［4］

師：將石塊投入水中，石塊下沉，石塊受到水的浮力嗎？

生：石塊上下兩個(gè)表面有壓力差，所以受到水的浮力．

師：同學(xué)們有什么樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能證明水中的石塊也受到水對(duì)它的浮力呢？

學(xué)生設(shè)計(jì)完成實(shí)驗(yàn)．在空氣中將小石塊懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)為F1，測(cè)出小石塊的重力G，F(xiàn)1＝G．接下來(lái)將小石塊浸沒(méi)在水中（小桶中裝滿水，如圖6、圖7），彈簧測(cè)力計(jì)也有個(gè)示數(shù)F2，浮力大小F?。紽1－F2．

圖6

圖7

“拉力差法”強(qiáng)調(diào)彈簧測(cè)力計(jì)前后兩次的拉力不同，“拉力差”即浮力的大小，學(xué)生容易理解記憶，能有效避免學(xué)生對(duì)浮力測(cè)量的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)．

5 規(guī)范影響浮力大小因素的猜想，滲透科學(xué)研究方法

在學(xué)習(xí)浮力之前，學(xué)生基于生活經(jīng)驗(yàn)的“前概念”很多．教師如果對(duì)浮力大小因素的猜想不作引導(dǎo)，學(xué)生就會(huì)胡猜亂想，看似發(fā)散了學(xué)生思維，實(shí)則給學(xué)生留下了諸多疑惑，面對(duì)教師的結(jié)論，學(xué)生“口服心不服”．所以在設(shè)計(jì)猜想的過(guò)程中，要注意滲透科學(xué)研究方法．

師：大家看到雞蛋沉在燒杯底部，如果老師往水中加濃鹽水，會(huì)有什么現(xiàn)象發(fā)生呢？

教師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生仔細(xì)觀察．

生：雞蛋浮起來(lái)了．

師：雞蛋受到的浮力與什么因素有關(guān)呢？

生：浮力大小與液體的密度有關(guān)．

師：在用“拉力差法”測(cè)浮力的過(guò)程中，大家有沒(méi)有注意到小燒杯中的部分水溢出到了大燒杯中．將小石塊浸沒(méi)在水中的體積越多，小燒杯溢出的水也越多．

學(xué)生E：浮力與石塊浸沒(méi)在水下的體積有關(guān)．

學(xué)生F：石塊浸在水中的深度越深，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)就越小，浮力越大，所以說(shuō)浮力與石塊在水中的深度有關(guān)．

針對(duì)學(xué)生提出的浮力大小和深度有關(guān)的猜想，采用如圖8、9的實(shí)驗(yàn)操作．

圖8

圖9

師：同學(xué)們的猜想是浮力的大小與液體密度、浸在水中的體積、深度有關(guān)．那么在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中應(yīng)采用什么樣的研究方法呢？

控制變量思想作為初中學(xué)生接觸到的第一個(gè)科學(xué)思想方法，只要教師稍加點(diǎn)撥，學(xué)生便可想到，實(shí)驗(yàn)探究中需要控制液體密度和石塊浸在水中的體積相同，只改變石塊浸在水中的深度．學(xué)生將石塊浸入水中，使燒杯中的水面前后兩次均達(dá)到相同的刻度A點(diǎn)，控制石塊浸在水中的體積相同，深度不同，觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)相同．（如圖8、9）

師：兩次實(shí)驗(yàn)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)相同，說(shuō)明了什么？

生：浮力大小與物體浸在液體中深度無(wú)關(guān)．

師：浮力與石塊浸在液體中的體積關(guān)系，又該怎么探究呢？

學(xué)生設(shè)計(jì)圖10、11的實(shí)驗(yàn)方案．將石塊浸入水中相同深度，兩石塊排開(kāi)水的體積不同，記錄彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，利用“拉力差法”測(cè)出兩次浮力大小．

深度的教學(xué)是本課的一個(gè)難點(diǎn)，很多教師覺(jué)得實(shí)驗(yàn)不好處理，于是就出現(xiàn)了“講實(shí)驗(yàn)”代替“做實(shí)驗(yàn)”，這樣學(xué)生并沒(méi)有領(lǐng)悟到浮力和物體浸在液體中的深度、體積的關(guān)系，即使到了初三復(fù)習(xí)階段，還會(huì)有學(xué)生存在認(rèn)為浮力和深度部分相關(guān)的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)．在整個(gè)猜想環(huán)節(jié)，滲透科學(xué)研究方法，通過(guò)教師有引導(dǎo)的猜想，學(xué)生的積極科學(xué)探究，就會(huì)自我生成浮力和深度無(wú)關(guān)，與浸在液體中的體積有關(guān)的結(jié)論．

圖10

圖11

6 自制排水法測(cè)浮力，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新能力

由于本課的教學(xué)思維跨度大，學(xué)生很難想到浮力大小與排開(kāi)液體的重力有關(guān)，教師對(duì)于本環(huán)節(jié)的教學(xué)處理，就要多聯(lián)系“拉力差法”測(cè)浮力．在“拉力差法”測(cè)浮力探究活動(dòng)中，學(xué)生會(huì)觀察到在將小石塊放入裝滿水的小燒杯后，溢出了部分水到大燒杯中，而且小石塊浸在水中的體積越大，溢出的水也越多，激發(fā)學(xué)生將浮力和石塊排開(kāi)的水聯(lián)系起來(lái)，并作出合理的猜想假設(shè)．

師：我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了“拉力差法”測(cè)浮力，請(qǐng)同學(xué)們思考：怎樣測(cè)出小石塊排開(kāi)的水的重力呢？請(qǐng)同學(xué)們小組合作利用桌上的實(shí)驗(yàn)器材設(shè)計(jì)并完成實(shí)驗(yàn)探究．

師：哪位學(xué)生愿意到前面來(lái)展示自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程？

學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)裝置（如圖12）．

生：在一去底的飲料瓶?jī)?nèi)插入一根吸管，然后倒入適量水至吸管的上口部．首先測(cè)出飲料瓶底的重力G瓶底，然后將石塊完全浸沒(méi)瓶?jī)?nèi)的水中．采用“拉力差法”測(cè)出石塊受到的浮力F浮，再測(cè)出裝有溢出水的飲料瓶底總重力G總，溢出的水重力G溢水＝G總－G瓶底，通過(guò)全班大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)浮＝G溢水．

通過(guò)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，把教材采用的排水法測(cè)浮力生活化，所用的器材是廢棄的飲料瓶，要求學(xué)生不唯教材，而又參考教材完成實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)．將教材的溢水杯替換成去底的飲料瓶，燒杯替換成飲料瓶的底部，器材組裝時(shí)間大約在5min，但是卻能夠提升學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)后的滿足感，小組合作完成排水法測(cè)浮力，團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)也得到了強(qiáng)化培養(yǎng)．

圖12

7 挖掘隱含條件，培養(yǎng)信息素養(yǎng)

信息素養(yǎng)是核心素養(yǎng)的重要組成部分，除了廣義上理解的利用書籍、網(wǎng)絡(luò)等獲取信息的能力，還包括狹義上理解的利用已知的語(yǔ)言、肢體動(dòng)作等獲得信息的能力．在浮力教學(xué)中教師的語(yǔ)言、肢體動(dòng)作等同樣能夠起到培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)．

師：請(qǐng)同學(xué)們注意老師手里面的鋁球，它的重力27N，現(xiàn)在把它浸沒(méi)水中，松開(kāi)手．請(qǐng)問(wèn)同學(xué)們這個(gè)鋁球受到的浮力是多大呢？

教師并沒(méi)有直接說(shuō)出水的密度以及鋁球浸沒(méi)在水中的體積，增加了問(wèn)題的難度．學(xué)生通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，已經(jīng)建立了計(jì)算浮力大小的模型．教師引導(dǎo)學(xué)生從浮力模型出發(fā)，自主挖掘隱含條件，有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)．

8 習(xí)題教學(xué)探究化，強(qiáng)化數(shù)學(xué)工具運(yùn)用

習(xí)題教學(xué)是物理教學(xué)必不可少的環(huán)節(jié)，能夠起到鞏固所學(xué)知識(shí)的作用．浮力難學(xué)難教已成為廣大師生的共識(shí)，教師在教學(xué)中切不可采取“題海戰(zhàn)術(shù)”，而應(yīng)在題海中選擇可具探究性的習(xí)題．通過(guò)探究化的習(xí)題教學(xué)，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于數(shù)學(xué)工具的使用．

例題．（2014南通中考改編）如圖13所示，一底部裝有閥門的圓柱形容器放在水平桌面上，一木塊漂浮在水面上，將閥門打開(kāi)，每秒內(nèi)流出相等的水量．請(qǐng)畫出浮力F、木塊下底面受到水的壓強(qiáng)p隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系圖像．

教師出示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，打開(kāi)水龍頭，學(xué)生看到水流流出，水位下降，木塊也隨之下降，但是木塊底部距離水面的距離沒(méi)變，木塊排開(kāi)水的體積不變．所以剛開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)浮力F＝ρgV排大小不變，木塊下底面受到水的壓強(qiáng)p＝ρgh下底面也不變．隨著水位的不斷下降，當(dāng)木塊底部接觸容器底部時(shí)（如圖14），木塊底部距離水面的距離以及浸在水中的體積都在不斷的減少，所以浮力F、壓強(qiáng)p都是減小的．

圖13

學(xué)生畫出函數(shù)關(guān)系圖像（如圖15）．

圖14

圖15

數(shù)形結(jié)合既是一種重要的數(shù)學(xué)思想方法，也是解決物理問(wèn)題的重要數(shù)學(xué)工具．物理問(wèn)題探究化、數(shù)學(xué)化，能夠幫助學(xué)生形成獨(dú)特的解決問(wèn)題的物理思維習(xí)慣，即使學(xué)生走上社會(huì)，從事與物理無(wú)關(guān)的工作，仍然會(huì)潛意識(shí)地運(yùn)用數(shù)學(xué)工具解決問(wèn)題．

總之，物理學(xué)科的核心素養(yǎng)必須與相應(yīng)的物理課程聯(lián)系起來(lái)，在物理課程教學(xué)中教師精心設(shè)計(jì)探究性問(wèn)題，通過(guò)科學(xué)探究體驗(yàn)，學(xué)生自我發(fā)展物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，這對(duì)學(xué)生的終身發(fā)展都是有益的．

1 顧明遠(yuǎn)．核心素養(yǎng)：課程改革的原動(dòng)力［J］．人民教育，2015（13）：17－18．

2 印曉明，陳坤．中美高中主流物理教材在“光學(xué)”部分內(nèi)容呈現(xiàn)的差異與啟示——基于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)“核心素養(yǎng)”的視角［J］．物理教師，2016（2）：74－77．

3 梁建．科學(xué)探究中“過(guò)程與方法”目標(biāo)的有效落實(shí) ——以“電路的基本連接方式”為例［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2016（4）：10－12．

4 劉健智，張乃霽．“浮力”探究教學(xué)的思考及創(chuàng)新［J］．中學(xué)物理教學(xué)參考，2014（4）：32－34．

5 梁建．引發(fā)認(rèn)知沖突 突破物理教學(xué)難點(diǎn)［J］．江蘇教育，2016（4）：66．受表?yè)P(yáng)、受訓(xùn)斥、受忽視和受控制4組，一段時(shí)間后分別檢測(cè)4組學(xué)生的學(xué)習(xí)效果．結(jié)果發(fā)現(xiàn)，受表?yè)P(yáng)組的學(xué)生成績(jī)進(jìn)步明顯．激勵(lì)效應(yīng)告訴我們，經(jīng)常給予學(xué)生激勵(lì)，及時(shí)表?yè)P(yáng)學(xué)生中的“閃光點(diǎn)”，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的一項(xiàng)好辦法．

2016－06－02）