旨向初中學(xué)生核心素養(yǎng)的“浮力”教學(xué)

謝昱圣

摘 要：伴隨著“學(xué)生核心素養(yǎng)”的提出，面向科學(xué)教學(xué)的“科學(xué)核心素養(yǎng)”得以關(guān)注與踐行。論文立足于浙江省綜合科學(xué)教學(xué)實(shí)踐，以初中科學(xué)核心概念“浮力”為例，提出旨在促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的科學(xué)教學(xué)應(yīng)該關(guān)注學(xué)生原有認(rèn)知，開展科學(xué)觀念顯性教學(xué)；以概念圖教學(xué)，凸顯科學(xué)思維；利用科學(xué)史與科學(xué)探究，促進(jìn)學(xué)生對(duì)科學(xué)是什么的認(rèn)識(shí)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)觀念；科學(xué)思維；科學(xué)態(tài)度與責(zé)任；科學(xué)史與科學(xué)探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）11-0012-4

2016年9月，我國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布。學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的總體框架以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與三個(gè)方面[1]。針對(duì)具體的學(xué)科教學(xué)，提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”，如物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。物理核心素養(yǎng)的提出對(duì)物理教學(xué)提出了新的要求，需要對(duì)教學(xué)進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，關(guān)注學(xué)生的差異，緊扣科學(xué)本質(zhì)，為學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)教學(xué)。由于“浮力”是物理核心概念，也是學(xué)生常出現(xiàn)前概念與難以轉(zhuǎn)化理解的內(nèi)容，因而在此以“浮力”教學(xué)為例，分別從科學(xué)觀念、科學(xué)思維與科學(xué)是什么的認(rèn)知等方面闡述，旨向初中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1 關(guān)注原有認(rèn)知，開展科學(xué)觀念顯性教學(xué)

科學(xué)觀念包括物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、能量觀、相互作用觀等要素，科學(xué)觀念的凸顯需要立足于學(xué)生原有認(rèn)知基礎(chǔ)上的科學(xué)概念學(xué)習(xí)，明確學(xué)生學(xué)習(xí)的起始分析能力和已經(jīng)形成的背景知識(shí)與原有認(rèn)知，在前概念的轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行科學(xué)觀念的顯性教學(xué)。如“浮力”是初中的核心概念，初中學(xué)生往往在生活體驗(yàn)與小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)后容易產(chǎn)生前概念，即浮在液面的物體受到的浮力大，沉入液體中的物體受到的浮力小，往往還理不清楚浮力與物體密度、液體密度、液面深度、物體體積等物理量的關(guān)系?；诟×Ξa(chǎn)生的原因“流體對(duì)物體向上的壓力與向下的壓力形成的壓力差”，“浮力”概念教學(xué)中蘊(yùn)含著“運(yùn)動(dòng)觀”（可以從物塊在液體中受到的浮力與物塊重力的關(guān)系來判斷物體的沉浮情況——懸浮、漂浮、上浮還是下沉等）。

依據(jù)概念學(xué)習(xí)的理論，“浮力”的教學(xué)是一個(gè)新、舊觀念沖突的過程，即引發(fā)學(xué)生認(rèn)知發(fā)生沖突的過程。依據(jù)Posner等人提出的概念轉(zhuǎn)變條件[2]，即對(duì)現(xiàn)有概念的不滿、新概念的可理解性、新概念的合理性與新概念的有效性，科學(xué)教學(xué)中需要在關(guān)注學(xué)生原有認(rèn)知的同時(shí)，利用情境體驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)引發(fā)學(xué)生對(duì)現(xiàn)有概念的不滿與新概念的學(xué)習(xí)。如設(shè)計(jì)“活動(dòng)與體驗(yàn)1”：把一個(gè)雞蛋置于水中，觀察雞蛋的浮沉情況。在水中加食鹽并攪拌，直到不能繼續(xù)溶解為止（加足夠的食鹽后靜置一夜或加熱待冷卻），再觀察雞蛋的浮沉情況。由此引發(fā)學(xué)生思考“沉入水中的物體受到浮力嗎？”“加食鹽過程中會(huì)出現(xiàn)哪些沉浮現(xiàn)象？”“水中雞蛋受到的浮力與鹽水中的雞蛋受到的浮力大小一樣嗎？”等問題。引發(fā)學(xué)生認(rèn)識(shí)到原先認(rèn)知中“雞蛋在水中是沉的就不受浮力，在鹽水中雞蛋是浮的才受到浮力”的不足（這認(rèn)知無法解釋雞蛋上浮的整個(gè)過程），讓他們?cè)凇半u蛋浮起來了”這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中思考為什么雞蛋會(huì)呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即理解“下沉、懸浮、上浮、漂浮及其原因”。結(jié)合學(xué)生實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、觀察，引導(dǎo)學(xué)生繪制雞蛋不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的受力情況（如圖1）并理解受力情況。

這一過程不僅可以引導(dǎo)學(xué)生理解浮力產(chǎn)生的原因，以及讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到浮力與重力大小的關(guān)系，還可以判斷物體在液體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也可以進(jìn)一步讓學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)液體密度與物體密度的關(guān)系來判斷物體在液體中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而且，實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)與理性分析過程中可以顯性地開展“運(yùn)動(dòng)觀”的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生了解運(yùn)動(dòng)是物質(zhì)的根本屬性，靜止是運(yùn)動(dòng)的特殊狀態(tài)，是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)在一定條件下、一定范圍內(nèi)處于暫時(shí)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；絕對(duì)運(yùn)動(dòng)與相對(duì)靜止的辯證統(tǒng)一等。為了拓展深化學(xué)生對(duì)“浮力”概念的理解與應(yīng)用（密度計(jì)、輪船、潛水艇等）、“運(yùn)動(dòng)觀”的理性認(rèn)識(shí)，可以進(jìn)一步以乒乓球在底面開口的礦泉水瓶中的實(shí)驗(yàn)來深化理解（如圖2）。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

2 以概念圖教學(xué)，凸顯科學(xué)思維

從現(xiàn)行理科課程標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)旨向來看，學(xué)科核心素養(yǎng)成為理科教學(xué)所共同關(guān)注的。不管是物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”[3]還是化學(xué)核心素養(yǎng)中的“論證推理與模型認(rèn)知”[4]、生物核心素養(yǎng)中的“理性思維”[5]等的內(nèi)涵，都突顯了對(duì)科學(xué)思維的關(guān)注與強(qiáng)調(diào)，特別提出生物核心素養(yǎng)包括生命觀念、理性思維、科學(xué)探究與社會(huì)責(zé)任；物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，成為學(xué)生終身發(fā)展與社會(huì)需要的必備品格與關(guān)鍵能力?？茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[6]，科學(xué)思維的培養(yǎng)隱含于中學(xué)物理教學(xué)中，表現(xiàn)為學(xué)生論證思維與批判性思維的提升，主要表現(xiàn)在：學(xué)生能正確運(yùn)用科學(xué)思維方式，進(jìn)行定量與定性的科學(xué)推理；使用科學(xué)證據(jù)的意識(shí)與評(píng)估科學(xué)證據(jù)的能力，運(yùn)用證據(jù)對(duì)研究問題進(jìn)行描述、解釋與預(yù)測(cè)，要求學(xué)生通過物理教學(xué)過程，形成批判性思維的意識(shí)，能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑、從不同角度思考問題、解決問題。國(guó)際學(xué)生評(píng)價(jià)項(xiàng)目PISA提出科學(xué)素養(yǎng)包括“學(xué)生必須能辨別個(gè)人意見并能在基于證據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出主張，能夠應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)知識(shí)，做出具有證據(jù)的結(jié)論并向他人溝通與解釋”[7]。

《浮力》這章節(jié)要求學(xué)生了解浮力是怎樣產(chǎn)生的，會(huì)判斷浮力的方向，能計(jì)算不同沉浮情況下的浮力大小及浮力在社會(huì)生活中的不同應(yīng)用。如何構(gòu)建這些概念與知識(shí)點(diǎn)間的聯(lián)系，且如何在浮力的教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生不同維度科學(xué)思維的提升，是需要提供學(xué)生體驗(yàn)、構(gòu)建的情境?；诟拍顖D有助于學(xué)生將新學(xué)習(xí)的信息和已有的概念聯(lián)系起來，在深刻理解的基礎(chǔ)上尋找關(guān)鍵詞，將新信息有機(jī)整合到原有知識(shí)框架中。一方面通過概念圖的繪制，學(xué)生將書本中原本瑣碎、復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)高度概括化、系統(tǒng)化，另一方面通過不同學(xué)生所繪制的概念圖的交流與論證，體驗(yàn)科學(xué)思維的深刻性和批判性。如圖3（a）、圖3（b）為不同學(xué)生基于浮力產(chǎn)生原因、浮力大小測(cè)量、沉浮條件及其應(yīng)用等學(xué)習(xí)繪制的概念圖：endprint

概念圖能使構(gòu)建環(huán)節(jié)的思維過程具體、可視地呈現(xiàn)出來，通過生生之間、師生之間的交互，便于學(xué)生剖析自己的思維過程與他人之間的差異。如概念圖3（a）將浮力的大小、方向、沉浮條件與應(yīng)用作為一級(jí)概念，其中浮力的大小包括浮力的測(cè)量與浮力的計(jì)算，物體的沉浮條件涉及上?。℅F）、懸浮與漂浮（G=F）三種情況；圖3（b）將浮力的大小、方向、科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)、物體的浮沉條件作為一級(jí)概念，浮力的大小關(guān)注測(cè)量方法與影響因素，將上浮四種情況與受力分析及浮力的應(yīng)用作為物體浮沉條件的二級(jí)概念。兩個(gè)概念圖的繪制有共通之處，也呈現(xiàn)了不同，尤其表現(xiàn)在物體的沉浮條件與浮力大小，學(xué)生針對(duì)物體沉浮條件為什么可以只通過浮力與重力的關(guān)系來判斷，為什么將重力與浮力的關(guān)系、物體密度與液體（氣體）密度的關(guān)系一起作為物體沉浮判斷的論證，提出概念圖劃分的方法與依據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生重視證據(jù)的解釋、評(píng)價(jià)。在論證、評(píng)價(jià)交流中反復(fù)驗(yàn)證或解釋自己對(duì)科學(xué)概念及其關(guān)系的理解，運(yùn)用證據(jù)支持或反駁他人觀點(diǎn)等，有助于促進(jìn)批判性思維的發(fā)展，也利于學(xué)生對(duì)概念和規(guī)律的深層理解與學(xué)習(xí)。

3 以科學(xué)史與科學(xué)探究，促進(jìn)對(duì)科學(xué)是什么的認(rèn)識(shí)

科學(xué)課程是體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的課程，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、科學(xué)探究能力與科學(xué)情感態(tài)度等方面的發(fā)展，有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升?！笆裁词强茖W(xué)”這個(gè)問題的追問一直以來是科學(xué)教育實(shí)踐中努力踐行、試圖回答與解決的問題，也是國(guó)際科學(xué)教育界長(zhǎng)久關(guān)注與研究的方向。伴隨著科學(xué)本質(zhì)理解逐漸成為“表述最普遍的科學(xué)教育目標(biāo)之一”（Kimball， M.E.， 1967—1968）[8]，也因此提出“科學(xué)是什么”的不同內(nèi)涵與理解，突顯了科學(xué)本質(zhì)的核心內(nèi)涵，包括人類對(duì)科學(xué)的認(rèn)識(shí)是一個(gè)發(fā)展的過程，科學(xué)是基于證據(jù)的，科學(xué)是基于社會(huì)文化的，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)的過程中蘊(yùn)含著一定的主觀性，科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程有諸多的科學(xué)方法等。

科學(xué)教學(xué)中如何促進(jìn)學(xué)生對(duì)這些科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的理解，呈現(xiàn)了科學(xué)史哲[9]與科學(xué)探究[10]在教學(xué)中的價(jià)值?！案×Α毕嚓P(guān)的科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的過程也蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)史，尤其凸顯了對(duì)阿基米德科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的歷史的關(guān)注。通過對(duì)科學(xué)史情境的創(chuàng)設(shè)與科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)史過程的關(guān)注，引導(dǎo)學(xué)生思考為什么不是其他的科學(xué)家而是阿基米德發(fā)現(xiàn)了這一科學(xué)定律，阿基米德定律為什么是正確的（證據(jù)有哪些）等，讓學(xué)生在理解概念的基礎(chǔ)上促進(jìn)科學(xué)思維與態(tài)度的發(fā)展，也讓學(xué)生知道：認(rèn)識(shí)科學(xué)是基于證據(jù)的；科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)過程；這個(gè)過程受科學(xué)家思想價(jià)值觀等影響。經(jīng)歷阿基米德定律的發(fā)現(xiàn)史可以讓學(xué)生感知知識(shí)產(chǎn)生的過程，理解知識(shí)產(chǎn)生的特點(diǎn)，理解科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)與社會(huì)需求的關(guān)系。在認(rèn)識(shí)科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)過程后，“浮力”的教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程，通過探究活動(dòng)來理解浮力大小、方向與哪些因素有關(guān)，所設(shè)計(jì)的探究活動(dòng)體現(xiàn)了哪些科學(xué)方法與思想，進(jìn)而思考是否可以利用現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行浮力大小、方向與哪些因素有關(guān)，如浮力與液體的密度、排開液體的體積、物體的重力、物體的體積、物體的形狀、深度等的探究。探究方案的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)的收集與分析，不同探究活動(dòng)過程的交流、論證，結(jié)果的檢驗(yàn)等，有助于學(xué)生區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與證據(jù)的區(qū)別，理解科學(xué)家探究過程中科學(xué)方法的多樣性，科學(xué)是基于證據(jù)的、可驗(yàn)性等。

參考文獻(xiàn)：

[1]林崇德. 21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2016：3.

[2]Posner G.J， Strike， K.A.， Hewson P.W.， Gertzog， W. A.， Accommodation of a Scientific Conception： Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education[J].1982，66：211-227.

[3][6]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）[R]. 2017：3-4.

[4]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）[R]. 2017：3-4.

[5]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會(huì)，普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）[R]. 2017：3-4.

[7]OECD.PISA 2015 Results（Volume1） Excellence and Equity in Education[M].2016.12.

[8]M.E.Kimball.Understanding the Nature of Science： a Comparison of Scientists and Science Teachers. Journal of Research in Science Teaching[J].1967，5（2）：110-120.

[9]M.R.Matthews. Science Teaching： the Contribution of History and Philosophy of Science[M]. Routledge； 2 edition （August 28， 2014）

[10]J.S. Lederman， N，G. Lederman，S.A. Bartos，SL Bartels， A.A. Meyer.Meaningful assessment of learners' understandings about scientific inquiry - The views about scientific inquiry （VASI） questionnaire， Journal of Research in Science Teaching[J].2014， 51（1）：65-83.

（欄目編輯 趙保鋼）