基于核心素養(yǎng)下探究性實驗中科學思維的養(yǎng)成*
——以“探究浮力大小跟哪些因素有關”為例

譚詩清 楊偉彬

(廣東實驗中學南海學校 廣東 佛山 528244)

科學思維是物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，學生平時在課堂上更多的是通過公式的推演、文字的描述、教師的講解來促進科學思維的養(yǎng)成，但過一段時間后就遺忘了，很難留下深刻的印象．在探究性實驗中，教師更多的是注重如何讓學生按照科學探究步驟完成實驗并得到有效的結論，但在探究的過程中同時注重對科學思維的養(yǎng)成卻很少．

本文著重闡述在探究性實驗中如何養(yǎng)成科學思維[1]，用實際情境和實驗數據來促進科學思維的養(yǎng)成，這樣更能給學生帶來視覺上的沖擊，使科學思維依托在探究性實驗上生長．

1 假設法在探究實驗中促進科學思維的養(yǎng)成

教學片斷1:浮力的大小與哪些因素有關？

師：請同學們進行合理的猜想，浮力的大小與哪些因素有關？

生:物體的密度、液體的密度、物體的形狀、物體的體積、浸沒的深度、物體浸入液體的體積……

師:既然大家有如此多的猜想，到底哪些因素與浮力有關？下面將對以上猜想進行研究，例如探究浮力的大小是否與物體密度有關，下面將同學們分成“有關組”和“無關組”，假設浮力的大小與物體的密度有關的同學成立“有關組”，假設無關的成立“無關組”，請大家從生活經驗的角度去思考．

有關組：平時生活中看到木頭在水中是漂浮的，但是鐵塊在水中是下沉的，說明物體密度與浮力的大小有關．

無關組：但是船是鐵做的，卻可以在水中漂浮，說明浮力的大小與物體密度無關．

師：通過以上分析可知，只要無關組列舉了一個有效的生活反例，則說明浮力的大小與物體的密度無關，故從生活經驗的角度出發(fā)，無關組獲勝．

師：下面請“有關組”和“無關組”的同學從科學推理的角度去思考．

有關組：假設浮力的大小與物體的密度有關，那么改變物體的密度就會影響浮力的大?。F(xiàn)在將一個干癟的籃球打氣，籃球慢慢從水中浮起來，在打氣過程中物體的平均密度在變小，浮力在變大，故浮力的大小與物體的密度有關．

無關組：假設浮力的大小與物體的密度無關，那么改變物體的密度，則不會影響浮力的大小．下面將3個相同的礦泉水瓶分別裝滿酒精、水、鹽水，并用彈簧測力計稱出在空氣中的重力，然后將其浸沒在在酒精中，并讀出彈簧測力計的示數，利用稱重法算出其浮力，結果發(fā)現(xiàn)浮力的大小相同，故說明浮力的大小與物體的密度無關．

師：以上兩組利用假設法進行科學推理分析，并用實驗驗證，都得出了相關的結論．同學們對此很疑惑，是不是他們的假設都正確呢？下面請同學來分析一下

無關組：有關組在對籃球打氣時，除了改變了籃球的平均密度也改變了籃球的體積，這樣的話是籃球的密度影響了浮力的大小還是籃球的體積影響了浮力的大小呢？這就不得而知了．

師：通過以上推理分析可知，仍然是無關組獲勝．假設法的思維演繹在以上兩組中得到淋漓盡致的發(fā)揮，為同學們的科學思維養(yǎng)成奠定了良好的基礎．

2 在合理試錯中讓控制變量法思維扎根于當下

教學片斷2:探究浮力的大小是否與物體的形狀有關.

實驗器材：薄鐵片，燒杯，水.

實驗步驟：

第一步：將鐵片放入水中，鐵片沉入水底．

第二步：將鐵片彎成“碗狀”放入水中，它漂浮在水面上．

師：通過分析可知，第一次鐵片受的浮力小于第二次鐵片受的浮力．于是得出了物體受到的浮力與其形狀有關．你認為這一結論是否可靠?

生甲：可靠，因為改變物體的形狀就影響了浮力的大小，說明浮力的大小與物體的形狀有關．

生乙：不可靠，因為改變物體形狀的同時，也改變了排開水的體積，故不知道是哪個因素導致浮力大小發(fā)生改變.

師：那如第2位同學所說，真是這樣嗎？請大家設計實驗進行探究.

生乙：可以讓彎成“碗狀”的鐵片浸沒在水中，然后松手，這樣兩塊鐵片排開水的體積相同，若松手后，彎成“碗狀”的鐵片仍能浮起來，則說明浮力的大小與物體的形狀有關；如若不能浮起來，而是像第一塊鐵片一樣沉底了，則說明浮力的大小與物體的形狀無關．實驗證明，浸沒后，彎成“碗狀”的鐵片并沒有浮起來，說明浮力的大小與排開水的體積有關．

LTE-V和DSRC共享頻譜資源的研究……………………………………………………陳沛吉，馬偉，張琳 24-3-54

師：這位同說得很有道理，也很有科學依據，并用實驗證明了自己的想法．在實驗過程中，這位同學只改變了物體的形狀，保證其他的物理量不變，來探究浮力的大小是否與物體的形狀有關.其他同學還有不同看法嗎？

生甲：剛剛的實驗中，并不能說明浮力的大小與物體的形狀無關，雖然彎成“碗狀”的鐵片浸沒后也沉下去了，但并不能說明第二次鐵片受的浮力與第一次鐵片受的浮力相等，只能說明鐵片的重力大于浮力．而且將鐵片彎成“碗狀”放入水中，它漂浮在水面上，有可能是物體的形狀和排開水的體積共同作用的結果．

師：通過剛剛這位同學的分析，除了需要控制一個變量外，還需要實驗數據支撐才更有說服力．下面請同學們進行實驗，并得出實驗數據和實驗結論．

生乙：如圖1所示，實驗數據表明，當其他物理量相同時，只改變排開水的體積，確實得到了浮力的大小與排開水的體積有關的結論．

圖1 探究浮力大小與排開水的體積的關系

生乙：第1步用彈簧測力計稱出鐵片在空氣中的重力；第2步，讀出鐵片浸沒在水中時彈簧測力計的示數，通過稱重法計算出鐵片在水中所受的浮力，發(fā)現(xiàn)兩次鐵片所受的浮力相等．

師：兩位同學都很優(yōu)秀，能在剛剛得出結論不是很可靠的情況下進行合理試錯，進一步改善實驗結論．那么第2位同學還需要注意什么問題？

師：剛剛這位同學對控制變量法的科學思維已經掌握得很到位了，老師也相信大家經過不斷地合理試錯，對實驗進一步改進，從而對控制變量法的科學思維有了深入的理解，以后碰到多變量的探究實驗時，控制變量法的思維一定能靈活應用．

3 科學大膽推理 實驗數據護航 科學思維發(fā)展大勢漸成

教學片段3：浮力公式的推導.

如圖2所示的實驗裝置探究“浮力的大小與物體排開液體體積的關系”，實驗中物體排開液體的體積可由物體上的刻度線來顯示出來，通過實驗得到如表1所示實驗數據．

圖2 探究“浮力大小與排開液體體積的關系”實驗

表1 浮力大小與排開液體體積關系實驗數據

師：同學們，根據以上實驗數據，可以得出怎樣的結論？

生：在同一種液體中，物體排開液體的體積越大，所受的浮力越大．

師：如果想得到更具體的數學關系呢？并用數學公式大致表示一下.

生：在同一種液體中，物體所受浮力的大小與物體排開液體體積成正比，即F浮=KV排.

教師提供了如圖3所示實驗器材來探究浮力的大小與液體密度的關系，用細線拴住金屬塊掛在彈簧測力計下，分別浸沒在液體的同一深度，讀出彈簧測力計的示數，算出金屬塊所受的浮力，得到了如表2所示實驗數據．

圖3 探究浮力大小與排開液體體積關系實驗器材

師：同學們，根據以上實驗數據，可以得出定量結論是什么？并用數學公式大致表示一下.

生：當排開液體體積相同時，物體所受的浮力與液體密度成正比，即F浮=Kρ液.

師：根據以上兩個實驗結論，請大家科學推理一下浮力的公式．

生：F浮=Kρ液V排.

師：那其中的K值為多少呢？

生：根據表1實驗數據，可以算出K值的大小為10，K值和g=10 N/kg一樣，故浮力公式應為F浮=gρ液V排.

師：如表1所示，只是在水中進行了實驗，并用實驗數據驗證了公式，為了更進一步使實驗結論具有推廣性，同學們應該怎么做？

生：應在表2所示實驗中將金屬塊的體積測出來，并用實驗數據驗證．通過表3所示實驗數據，發(fā)現(xiàn)公式F浮=gρ液V排在其他液體中也成立，說明浮力公式為普遍性結論．

表3 探究浮力公式的普遍性

綜上所述，科學推理是科學思維中重要的組成部分，學生通過科學推理得到浮力公式

F浮=gρ液V排

并用實驗數據來驗證實驗結論，能在實驗的基礎上進行推廣，推廣的同時也通過實驗數據來為實驗結論護航．在這一過程中，學生在探究實驗的基礎上養(yǎng)成科學思維[2]，讓實驗成為科學思維發(fā)展的強有力后盾，且學生的科學思維發(fā)展大勢已漸漸形成，前途不可限量．