基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的物理教學(xué)

朱雨紅

摘要：從操作層面來(lái)看，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的物理教學(xué)，首先需要掌握進(jìn)階起點(diǎn)，包括學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、已掌握的知識(shí)及知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維特點(diǎn)，然后根據(jù)事實(shí)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合五個(gè)階段分解學(xué)習(xí)歷程，最后設(shè)立本次學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)，即教學(xué)目標(biāo)。以“浮力”概念教學(xué)為例，說(shuō)明具體的教學(xué)分析和教學(xué)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階 初中物理 浮力

美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)指出，學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)和探索某一主題時(shí)，所遵循的連貫的、逐漸深入的思維路徑的描述。我國(guó)學(xué)者王較過(guò)、趙萍萍認(rèn)為，在時(shí)間維度上，學(xué)習(xí)進(jìn)階一般需要學(xué)生經(jīng)歷一段成長(zhǎng)歷程;在內(nèi)容維度上，進(jìn)階的內(nèi)容是學(xué)生的思維建構(gòu)。還有研究指出，概念學(xué)習(xí)進(jìn)階通常分為經(jīng)驗(yàn)（事實(shí)）、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合五個(gè)階段。

筆者以為，基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的物理教學(xué)，首先需要掌握進(jìn)階起點(diǎn)，包括學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)、已掌握的知識(shí)及知識(shí)結(jié)構(gòu)和思維特點(diǎn)，然后根據(jù)事實(shí)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合五個(gè)階段分解學(xué)習(xí)歷程，最后設(shè)立本次學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)，即教學(xué)目標(biāo)。本文以蘇教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)“浮力”為例，闡述具體的教學(xué)分析和教學(xué)過(guò)程。

一、教學(xué)分析

（一）進(jìn)階起點(diǎn)：學(xué)習(xí)“浮力”前的學(xué)情

1.學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)：氫氣球在空中能騰空而起;密度小于水的物體能浮在水面上，密度大于水的物體將會(huì)沉在水底;從水中提物體時(shí)用的力比在岸上提同一個(gè)物體用的力小;等等。

2.學(xué)生已掌握的知識(shí)及知識(shí)結(jié)構(gòu)：會(huì)對(duì)物體進(jìn)行簡(jiǎn)單的受力分析，知道力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，理解物體所受重力大小和方向，掌握物體的質(zhì)量大小與物質(zhì)的密度和體積的關(guān)系等。

3.學(xué)生的思維特點(diǎn)：初中學(xué)生經(jīng)過(guò)將近一年的物理學(xué)習(xí)，已經(jīng)能從生活現(xiàn)象向物理規(guī)律過(guò)渡，具備一定的分析、推理、歸納和應(yīng)用的能力。

（二）進(jìn)階歷程：“浮力”教學(xué)流程分解

由起點(diǎn)向終點(diǎn)進(jìn)階的過(guò)程會(huì)經(jīng)歷事實(shí)、映射、關(guān)聯(lián)、系統(tǒng)、整合五個(gè)階段。這五個(gè)階段彼此之間緊密聯(lián)系，每一階段為下一階段的“前概念”，又為上一階段的“最近發(fā)展區(qū)”。圖1為“浮力”概念的學(xué)習(xí)進(jìn)階歷程。

（1）從事實(shí)到映射：對(duì)浸在水中或空氣中的物體進(jìn)行受力分析，認(rèn)識(shí)浮力。

（2）從映射到關(guān)聯(lián)：用實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生定性探究浮力的影響因素，發(fā)現(xiàn)浮力大小與液體的密度、排開(kāi)液體的體積有關(guān)。

（3）從關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)：通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)，定量探究浮力大小。

（4）從系統(tǒng)到整合：應(yīng)用浮力解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題。

（三）進(jìn)階終點(diǎn)：“浮力”教學(xué)目標(biāo)

為了給以后的教學(xué)提供類(lèi)似的經(jīng)驗(yàn)，須對(duì)學(xué)習(xí)進(jìn)階過(guò)程的每一步（階段）做出準(zhǔn)確的總結(jié)，修補(bǔ)各階段之間的斷層，形成體系化的教學(xué)。利用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論指導(dǎo)“浮力”概念的建構(gòu)，學(xué)生應(yīng)把握由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由感性到理性、由淺顯到深?yuàn)W的學(xué)習(xí)進(jìn)階思路，并能在解決生產(chǎn)、生活實(shí)際問(wèn)題中嘗試應(yīng)用這種方法，提高分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

二、教學(xué)過(guò)程

（一）從事實(shí)到映射：認(rèn)識(shí)浮力

學(xué)生學(xué)習(xí)浮力之前，已經(jīng)能夠分析物體的受力情況。本階段，主要通過(guò)事實(shí)呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生分析并感受浮力。

結(jié)合生活事實(shí)舉例：以能騰空而起的氫氣球?yàn)槔瑲錃馇蚰茯v空而起，說(shuō)明氫氣球除受到豎直向下的重力外，還受到空氣對(duì)它向上托的力，即浮力;以漂浮在海面上的艦艇為例，艦艇靜止在海面上，說(shuō)明艦艇受到的浮力和重力相互平衡，而艦艇受到的重力方向是豎直向下的，那么海水對(duì)艦艇的浮力方向就應(yīng)該豎直向上。

再通過(guò)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到下沉的物體也受到豎直向上的浮力的作用，且浮力大小可以利用彈簧測(cè)力計(jì)來(lái)測(cè)量：如圖2所示，將懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下的金屬塊放入水中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)會(huì)變小。這一現(xiàn)象說(shuō)明：下沉的物體受到浮力，且通過(guò)分析可知，物體所受浮力的大小等于兩次彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)之差。

（二）從映射到關(guān)聯(lián)：探究浮力的影響因素

在上一階段認(rèn)識(shí)浮力之后，學(xué)生了解到不同的物體受到的浮力大小不同，自然生成對(duì)浮力影響因素的猜想。

引導(dǎo)學(xué)生觀察一些生活現(xiàn)象，如：人能自然浮在死海海面上，而不能自然浮在河水水面上;從井中提物體時(shí)，物體露出水面的部分越多，提的力越大;等等。學(xué)生可以猜想出浮力大小可能與液體的密度和排開(kāi)液體的體積有關(guān)，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)完成探究。設(shè)計(jì)的3個(gè)探究實(shí)驗(yàn)如下：

探究實(shí)驗(yàn)1（如圖3所示）：將圓柱狀物體逐漸浸入水中，直到浸沒(méi)，觀察到彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)逐漸減小，說(shuō)明浮力逐漸增大;而當(dāng)物體逐漸浸入水中時(shí)，排開(kāi)液體體積是逐漸增大的。

分析該現(xiàn)象得到相應(yīng)的結(jié)論：物體所受的浮力大小與排開(kāi)液體的體積有關(guān)。

探究實(shí)驗(yàn)2：在探究實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，改變圓柱狀物體浸沒(méi)在水中的深度，觀察到彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)不變，說(shuō)明物體所受的浮力大小不變。

進(jìn)一步分析得出：浸沒(méi)在液體中的物體所受的浮力大小與浸沒(méi)的深度無(wú)關(guān)。

探究實(shí)驗(yàn)3（如圖4所示）：將圓柱狀物體分別浸沒(méi)在水和濃鹽水中，比較兩個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，發(fā)現(xiàn)浸沒(méi)在濃鹽水中的彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)小于浸沒(méi)在水中的彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，說(shuō)明物體浸沒(méi)在濃鹽水中所受的浮力比浸沒(méi)在水中所受的浮力大。

進(jìn)一步分析說(shuō)明：浸在液體中的物體所受的浮力大小與液體的密度有關(guān)。

由這3個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生定性探究出影響浮力大小的因素并得出相應(yīng)的結(jié)論：液體密度相同時(shí)，排開(kāi)液體體積越大，物體所受的浮力越大;排開(kāi)液體體積相同時(shí)，液體的密度越大，物體所受的浮力越大。

（三）從關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)：定量探究浮力大小

1.定量測(cè)出物體所受浮力的大小。

下沉的物體所受的浮力可以用F浮=G-F測(cè)出，但此公式并不能看出浮力大小與液體密度以及排開(kāi)液體體積的關(guān)系;且上浮和漂浮的物體不能用這種方法測(cè)量，存在局限。

根據(jù)質(zhì)量與密度、體積的關(guān)系，可知液體的密度和排開(kāi)液體體積的乘積等于排開(kāi)液體的質(zhì)量，而排開(kāi)液體的質(zhì)量與重力加速度g的乘積等于排開(kāi)液體所受的重力。由實(shí)驗(yàn)可知，浮力大小與液體的密度和排開(kāi)液體的體積有關(guān)。那么浮力大小與排開(kāi)液體的重力大小是否有關(guān)？它們的關(guān)系應(yīng)該是什么？為此，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)出浮力大小與排開(kāi)液體的重力大小，并加以比較。設(shè)計(jì)的探究實(shí)驗(yàn)如下：

探究實(shí)驗(yàn)4（如圖5所示）：（1）用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出空小桶的重力G桶;（2）用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出物體所受的重力G;（3）將物體浸沒(méi)在水中，待水停止溢出后，讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)F;（4）測(cè)出接水后小桶和排開(kāi)水的總重力G總;（5）分別計(jì)算出物體所受的浮力F浮=G-F和排開(kāi)的水的重力G排=G總-G桶。

發(fā)現(xiàn)：F浮=G排。再利用其他物體多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：浮力與排開(kāi)液體的重力大小總是相等的。

2.了解阿基米德原理。

阿基米德原理是“浮力”相關(guān)知識(shí)的重要內(nèi)容。這一環(huán)節(jié)，應(yīng)讓學(xué)生知道物理學(xué)不僅含有物理知識(shí)，而且還含有科學(xué)研究的過(guò)程與方法、科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神，因而，補(bǔ)充介紹如下相關(guān)的物理學(xué)史：

傳說(shuō)，古希臘學(xué)者阿基米德洗澡時(shí)受水從澡盆中溢出現(xiàn)象的啟發(fā)，解決了鑒定純金王冠真?zhèn)蔚碾y題。這實(shí)際上是運(yùn)用了密度的知識(shí)，將質(zhì)量相等的王冠和純金分別放在盛滿(mǎn)水的容器中，由于王冠摻入銀后密度減小而（相等質(zhì)量）體積增大，所以溢出的水就多一些。阿基米德還展開(kāi)了深入研究，測(cè)試各種形狀和質(zhì)量不同的固體排開(kāi)的液體體積，從而得到了著名的阿基米德原理：浸在液體中的物體所受的浮力大小等于被物體排開(kāi)液體所受的重力，即F浮=G排。

3.推理論證浮力公式的定量關(guān)系。

引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷對(duì)浮力公式的推理論證過(guò)程，加深對(duì)浮力與排開(kāi)液體的體積以及液體密度關(guān)系的理解。

由G排=m排g=ρ液V排g，得F浮=ρ液V排g。公式表明，物體所受的浮力大小與物體排開(kāi)液體的體積和液體的密度成正比關(guān)系，物體排開(kāi)液體的體積越大，液體的密度越大，物體所受的浮力越大。由此，也進(jìn)一步證明了影響浮力大小的因素是排開(kāi)液體的體積和液體的密度。

（四）從系統(tǒng)到整合：不同情境下浮力的計(jì)算

浮力大小計(jì)算一直是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。本課整合階段，設(shè)置相關(guān)練習(xí)，列舉在不同的物理情境下如何根據(jù)已知條件選擇合適的浮力計(jì)算公式，來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

問(wèn)題1一同學(xué)在岸上最多能搬起質(zhì)量為30 kg的石塊。若石塊的密度是2.5×103 kg/m3，則該同學(xué)在水中最多能搬起質(zhì)量為_(kāi)____________kg的石塊（石塊不露出水面），這時(shí)石塊受到的浮力是____________N（ρ水=1.0×103 kg/m3，g取10 N/kg）。

讓學(xué)生從實(shí)際問(wèn)題中找出與物理知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的信息，并能用浮力知識(shí)予以解決。

問(wèn)題2將一個(gè)密度為0.9×103 kg/m3的實(shí)心小球，先后浸沒(méi)在水和酒精中，小球靜止時(shí)排開(kāi)水和酒精的體積分別為V1和V2。小球在水和酒精中所受的浮力分別為F1和F2，以下判斷正確的是（）。（ρ酒精=0.8×103 kg/m3）

A. V1∶V2=1∶1，F(xiàn)1∶F2=5∶4

B. V1∶V2=4∶5，F(xiàn)1∶F2=1∶1

C. V1∶V2=9∶10，F(xiàn)1∶F2=9∶8

D. V1∶V2=8∶9，F(xiàn)1∶F2=10∶9

物體在液體中的狀態(tài)不同，求解浮力大小的思考角度也就不同。當(dāng)物體在液體中浮沉狀態(tài)不明時(shí)，需要先判斷物體的浮沉狀態(tài)，再求浮力。

問(wèn)題3農(nóng)民需要密度為1.15×103 kg/m3的鹽水選種。小華制作了一個(gè)簡(jiǎn)易密度計(jì)：用一根長(zhǎng)16 cm的飲料吸管，將一些鐵絲從下端塞入并用石蠟封口，使吸管在液體中漂浮時(shí)能保持在____________方向。把簡(jiǎn)易密度計(jì)放入水中，露出水面的長(zhǎng)度為9.7 cm;再將其放入所配的鹽水中，露出鹽水的長(zhǎng)度為10 cm。根據(jù)算出的結(jié)果，小華應(yīng)向鹽水中加適當(dāng)?shù)腳___________（選填“鹽”或“水”），才能配置出符合要求的鹽水。

讓學(xué)生在建立浮力概念、認(rèn)識(shí)阿基米德原理及物體的浮沉條件后，用掌握的浮力知識(shí)來(lái)分析解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，如鹽水選種、打撈沉船、測(cè)定人體血液的密度等。

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