基于物理核心素養(yǎng)的阿基米德原理深度備課

顏國(guó)英 張皓晶 鄭原琛 李寶金 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

教育部《關(guān)于全面深化課程改革,落實(shí)立德樹(shù)人的根本任務(wù)的意見(jiàn)》中提出了核心素養(yǎng)的概念,落實(shí)到物理教學(xué)中就是要培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì).物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)維度.因此,怎樣形成和發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),是當(dāng)下物理教學(xué)亟待研究破解的重要課題.[1]

阿基米德原理是“浮力”一章的重要內(nèi)容,是學(xué)生學(xué)習(xí)浮力知識(shí)之后的應(yīng)用升華,也是學(xué)習(xí)物體沉浮條件的基礎(chǔ)和前提.教師在備課過(guò)程中,應(yīng)對(duì)排開(kāi)液體概念、浮力測(cè)量和探究浮力大小與排開(kāi)液體所受的重力的關(guān)系這3部分有深入的理解,以此在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生.

學(xué)生對(duì)物理概念的建立一般會(huì)經(jīng)歷情景引入概念、深入探究、解釋明晰、多維拓展、嵌入課堂的評(píng)價(jià)這5個(gè)階段[2].本文以阿基米德原理的教學(xué)為例,具體闡述基于物理核心素養(yǎng)的4個(gè)方面如何設(shè)計(jì)出具體教學(xué)方案.而教學(xué)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是要明確教學(xué)目標(biāo),阿基米德原理的教學(xué)從核心素養(yǎng)的4個(gè)方面制定如表1所示具體教學(xué)目標(biāo).

表1 以物理核心素養(yǎng)的4個(gè)方面制定的阿基米德原理的具體教學(xué)目標(biāo)

續(xù)表

1 物理觀(guān)念——“排開(kāi)液體”的概念

人教版教材講述阿基米德要測(cè)量國(guó)王王冠是否是純金制成,最后通過(guò)洗澡時(shí)得到測(cè)量王冠體積的啟示,得出物體浸在液體中的體積,就是物體排開(kāi)液體的體積.進(jìn)而得出結(jié)論:物體排開(kāi)液體的體積越大,液體的密度越大,它所受的浮力就越大，教材在此基礎(chǔ)上提出將易拉罐壓入水中進(jìn)行體驗(yàn).

制作易拉罐杠桿教具,澄清物理概念.哈伯德教學(xué)法提出,學(xué)生學(xué)習(xí)的主要障礙是缺少實(shí)物、坡度過(guò)陡和詞語(yǔ)誤解.因此,要幫助學(xué)生更好地理解物理概念,就要提供教具實(shí)物,設(shè)計(jì)適當(dāng)教學(xué)的坡度,發(fā)現(xiàn)學(xué)生易于誤解的概念并及時(shí)澄清.

教材中易拉罐實(shí)驗(yàn)僅僅體現(xiàn)了浸在液體中的物體,會(huì)隨著浸在液體中體積的改變,排開(kāi)液體的體積也會(huì)改變.充分挖掘易拉罐實(shí)驗(yàn)背后的育人價(jià)值,有利于澄清物理概念,突破教學(xué)難點(diǎn).查閱物理史實(shí)發(fā)現(xiàn),阿基米德在物理學(xué)方面的貢獻(xiàn)主要有兩項(xiàng),一是浮力問(wèn)題,二是杠桿問(wèn)題.因此,引入杠桿改進(jìn)易拉罐實(shí)驗(yàn),既能貫穿阿基米德的趣味故事,還能體驗(yàn)浮力與排開(kāi)液體的關(guān)系,創(chuàng)設(shè)定性演示阿基米德原理的情景,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

所需器材:杠桿、鐵架臺(tái)支架、未開(kāi)封的易拉罐、配重盒各一個(gè),空塑料瓶3個(gè),繩子、大吸管、膠槍等若干,電鉆一把，如圖1所示.

制作方法:

(1) 將用繩子一端穿過(guò)杠桿的重心系緊,繩子另一端系在鐵架臺(tái)上,使杠桿水平懸掛;

(2) 2個(gè)空塑料瓶割取下半部分,一個(gè)備用,一個(gè)在開(kāi)口處鉆4個(gè)孔,用繩子固定后系在杠桿一端,同時(shí)易拉罐用繩子系在該塑料瓶下方;

(3) 杠桿另一端掛上配重盒,放入重物使杠桿水平懸掛后密封好;

(4) 制作溢水杯:空塑料瓶割去瓶口,在瓶身距開(kāi)口約2cm處鉆孔,用膠槍將大吸管水平密封固定在孔上.

圖1 自制易拉罐杠桿教具所需器材

實(shí)驗(yàn)操作:演示實(shí)驗(yàn)前,溢水杯盛滿(mǎn)水,備用空塑料瓶放在溢水口處,杠桿保持水平;實(shí)驗(yàn)時(shí),先把易拉罐一端輕放入溢水杯中,此時(shí)有少部分水溢出,杠桿傾斜,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示.用手壓杠桿把易拉罐一端按入水中,在手感受到浮力的同時(shí),會(huì)看到排開(kāi)的水溢到空塑料杯中;放手后易拉罐一端漂浮在水面上,杠桿傾斜.

圖2 易拉罐杠桿放入溢水杯中的狀態(tài)

實(shí)驗(yàn)作用:一是可以觀(guān)察到物體浸在液體中,會(huì)“排開(kāi)液體”,若盛水塑料杯與易拉罐體積形狀相同,還可以直接觀(guān)察到物體浸在液體中的體積等于排開(kāi)液體的體積;二是體驗(yàn)到物體排開(kāi)液體的體積越大,它受到的浮力就越大;三是可以提問(wèn)學(xué)生,如何利用現(xiàn)有器材使杠桿恢復(fù)平衡?激發(fā)學(xué)生思考、探究熱情.

2 科學(xué)探究——探究浮力大小與排開(kāi)液體所受重力的關(guān)系

2.1 如何處理學(xué)生提出的各種猜想

學(xué)生提出猜想環(huán)節(jié),教師應(yīng)要求學(xué)生說(shuō)出每一個(gè)猜想的依據(jù),這樣有利于鍛煉學(xué)生的邏輯思維.通過(guò)前面的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)知道了浮力大小和排開(kāi)液體的體積以及液體的密度有關(guān),引導(dǎo)學(xué)生思考這兩個(gè)物理量之間的關(guān)系,得出浮力大小可能與排開(kāi)液體的質(zhì)量有關(guān),而浮力與質(zhì)量是兩個(gè)不同的物理量,要比較大小還需要進(jìn)一步推理:物體重力與物體的質(zhì)量成正比.

因此得出最后猜想:浮力大小可能與排開(kāi)液體所受的重力有關(guān).

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教材給出了兩次稱(chēng)重法測(cè)量浮力大小,涉及的器材比較簡(jiǎn)單,主要包括彈簧測(cè)力計(jì)、重物、溢水杯和盛水小桶.測(cè)量步驟包括四步:測(cè)量物體的重力;記錄物體浸在水中時(shí)彈簧的讀數(shù),并收集溢出的水;測(cè)小桶和水的總重;測(cè)量小桶的重力.仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),要得出最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)論,至少還需要3步:計(jì)算物體的浮力;計(jì)算溢出水的重力;比較物體的浮力與排出液體所受重力的關(guān)系.整個(gè)探究過(guò)程超出了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷.[4]

有關(guān)研究表面,我國(guó)中學(xué)生的物理認(rèn)知水平還處在具體運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段,學(xué)生的思維水平是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于教材要求的.因此需要重新設(shè)計(jì)阿基米德原理的探究實(shí)驗(yàn)減輕學(xué)生認(rèn)知負(fù)荷.

實(shí)驗(yàn)器材:正方形塑料盒、彈簧測(cè)力計(jì)、鐵架臺(tái)各兩個(gè),溢水杯、黑板各一個(gè)，細(xì)繩.

制作方法:

(1) 用亞克力板制成長(zhǎng)和寬分別是14cm,高30cm的溢水杯,在溢水杯距離開(kāi)口2cm處設(shè)置溢水口,距底部4.5cm和邊緣3.5cm處相對(duì)的兩個(gè)面打兩個(gè)孔,用于固定直徑是6cm的定滑輪;

(2) 兩個(gè)鐵架臺(tái)如圖3所示固定好,兩個(gè)支架上固定兩個(gè)鐵棒,用于懸掛彈簧測(cè)力計(jì);

(3) 待測(cè)量重物用正方形塑料盒A替代,繩子一端系好塑料盒,一端跨過(guò)定滑輪系在彈簧測(cè)力計(jì)上,當(dāng)塑料盒漂浮在水面上時(shí)重力可忽略不計(jì);

(4) 另一塑料盒B,掛在溢水口處的彈簧測(cè)力計(jì)上,實(shí)驗(yàn)前測(cè)力計(jì)調(diào)零,可忽略塑料盒的重力;

(5) 黑板做背景方便讀數(shù)和記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

圖3 自制浮力探究教具所需器材

實(shí)驗(yàn)操作:實(shí)驗(yàn)前溢水杯盛滿(mǎn)水,如圖4所示連接好各實(shí)驗(yàn)器材.向上移動(dòng)支架上的鐵夾,由于定滑輪的作用,塑料盒A被向下拉,以此改變浸在液體中的體積,此時(shí),彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)等于塑料盒A所受浮力大小;同時(shí),溢水口處有水溢出流到塑料盒B中,彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)等于排開(kāi)液體所受的重力,移動(dòng)支架上的鐵夾可以改變塑料盒B的高度以便收集液體和防止過(guò)重碰到桌面.

此實(shí)驗(yàn)方案一步到位,可以同時(shí)讀出浮力大小和排開(kāi)液體所受重力的大小,省去了復(fù)雜的測(cè)量和運(yùn)算;同時(shí),“去掉”了待測(cè)物重力的影響,本質(zhì)地體現(xiàn)了浮力測(cè)量的原則;兩個(gè)塑料盒大小形狀相同,再一次觀(guān)察到物體浸在液體中的體積與排開(kāi)液體體積的關(guān)系.本次探究實(shí)驗(yàn)定量演示了阿基米德原理.

圖4 自制的浮力探究教具

3 科學(xué)思維——思考傾斜杠桿恢復(fù)平衡的原因

學(xué)以致用的基礎(chǔ)是,學(xué)生理解物理現(xiàn)象背后的科學(xué)思維,并能融會(huì)貫通運(yùn)用物理知識(shí).課前的杠桿演示實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生提出了探究要求:如何利用現(xiàn)有的器材使傾斜的杠桿恢復(fù)平衡?杠桿由平衡到不平衡,是因?yàn)樵谝缢惺艿搅烁×ψ饔?根據(jù)前面的探究實(shí)驗(yàn),學(xué)生可以得出阿基米德原理,得知浮力大小等于排開(kāi)液體所受的重力.而要使杠桿再次平衡,只需將排出的液體倒入易拉罐上端的空塑料瓶即可,此時(shí)易拉罐一端受到的浮力與增加在上方的排出液體的重力大小相等,方向相反,如圖5所示,杠桿恢復(fù)平衡.若本次實(shí)驗(yàn)中,必須要用手壓杠桿使懸掛的易拉罐完全浸入水中，充分收集排出的液體.否則，若易拉罐一端只浸沒(méi)一半,排開(kāi)的液體加入到空塑料瓶中,杠桿并不能恢復(fù)平衡，此問(wèn)題可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深入探究.

圖5 易拉罐杠桿在溢水杯中恢復(fù)平衡

4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任——對(duì)阿基米德原理的證明

在《阿基米德全集》的論浮體I部分有9個(gè)命題與浮力相關(guān),其中命題5、6、7證明了阿基米德原理的相關(guān)內(nèi)容.[5]

命題5.如果把比流體輕的任何固體放入流體中,它將剛好沉入到固體重量與它排開(kāi)流體的重量相等這一種狀態(tài).

命題6.如果把一個(gè)比流體輕的固體施力沉入流體中,則固體會(huì)受到一種浮力作用,這種力等于它排開(kāi)流體的重量與它本身重量的差.

命題7.如果把一個(gè)比流體重的固體放入流體中,它將沉至流體底部.若在流體中稱(chēng)固體,其重量等于其真實(shí)重量與排開(kāi)流體重量的差.

這幾個(gè)命題的證明,阿基米德遵循了歐幾里得的幾何證明方法,教學(xué)中可以此拓展性知識(shí)培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求真的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

學(xué)生課后自主探究:自制“國(guó)王”玩偶教具如圖6所示.“國(guó)王”用密度較小防水泡沫材料制成,王冠需固定在密度較大的鐵等物體上并置于“國(guó)王”頭上.假設(shè)戴著王冠的微胖國(guó)王游泳時(shí)漂浮在水面的水位是L1,國(guó)王受到的浮力是F1.突然,王冠掉到水底,此時(shí)水位是L2,國(guó)王受到的浮力是F2,則L2________L1;F2________F1.

圖6 國(guó)王游泳實(shí)驗(yàn)教具

在教學(xué)路徑設(shè)計(jì)中明晰重、難點(diǎn)是突破重、難點(diǎn)的重要前提.在重、難點(diǎn)的突破中,學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)被不斷地向前推進(jìn).在分析初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)教學(xué)要求的基礎(chǔ)上,再根據(jù)學(xué)生認(rèn)知能力、水平現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了如圖7的教學(xué)流程.

圖7 教學(xué)路徑設(shè)計(jì)及重、難點(diǎn)分析

5 小結(jié)

核心素養(yǎng)已成為我國(guó)物理課程教學(xué)改革的頂層設(shè)計(jì)和實(shí)施重點(diǎn).基于物理核心素養(yǎng)的深度備課,可以讓教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)關(guān)鍵詞語(yǔ)易引起誤解的問(wèn)題,有利于幫助學(xué)生澄清物理概念.自制實(shí)驗(yàn)教具,提供給學(xué)生進(jìn)行思考、探究的實(shí)物,有利于學(xué)生在科學(xué)探究過(guò)程提高科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.麥克斯韋曾說(shuō):“這些實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值,往往與儀器的復(fù)雜性成反比,學(xué)生自制的儀器,雖然容易出毛病,但他卻會(huì)比用仔細(xì)調(diào)整好的儀器,學(xué)到更多的知識(shí).仔細(xì)調(diào)整的儀器學(xué)生易于依賴(lài),而不敢拆成零件.”[6]教師的深度備課,要善于挖掘教材背后的育人價(jià)值,同時(shí)要有批判性思維,自制適宜的教學(xué)儀器,結(jié)合物理學(xué)史去理解物理概念和規(guī)律,設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和知識(shí)發(fā)生規(guī)律的教學(xué)過(guò)程,[7]促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng).