基于科學(xué)思維培養(yǎng)的中考試題教學(xué)策略

陳智泉

當(dāng)前的物理習(xí)題講評課中，普遍存在學(xué)生刷題、教師刷解，講解大量習(xí)題，追求數(shù)量而非質(zhì)量的現(xiàn)象，究其原因，是師生寄望于大量訓(xùn)練而在短時間內(nèi)提高學(xué)生分?jǐn)?shù)的心態(tài)導(dǎo)致的。這種方式不利于學(xué)生在課堂上的學(xué)習(xí)積極性和思維參與度，效率十分低下。而基于科學(xué)思維的習(xí)題教學(xué)主要依據(jù)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證與質(zhì)疑創(chuàng)新四個環(huán)節(jié)開展活動，對一類題目從深度和廣度兩個方面挖掘，在課堂上進行細致講評和交流互動。在建構(gòu)知識的同時，促進學(xué)生思維能力的提升，發(fā)展物理核心素養(yǎng)，從根本上提高解題能力。

在“中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”框架下，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將物理學(xué)科核心素養(yǎng)凝練為物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。其中，科學(xué)思維從物理學(xué)的角度概括了人們認(rèn)識世界的過程，把觀察到的物理現(xiàn)象、物理事實在大腦形成清晰的物理圖象，經(jīng)去粗取精，把感性認(rèn)識上升為理性認(rèn)識?？茖W(xué)思維包括了模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四點要素，對應(yīng)的評價方式屬于“布盧姆教育目標(biāo)分類學(xué)”中的高階水平。

試題評價機制是現(xiàn)階段最重要的評價方式，初中學(xué)業(yè)水平考試（簡稱“中考”）是評價初中學(xué)生是否達到初中學(xué)業(yè)水平的考試，是高中錄取新生的重要依據(jù)。近年來，廣東省的中考物理試題側(cè)重考查學(xué)生的分析、推理、論證能力，其實質(zhì)就是考查學(xué)生的科學(xué)思維素養(yǎng)。通過中考試題的教學(xué)，可以促進學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展，形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)。教師在進行中考試題教學(xué)時，須以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維為中心，引導(dǎo)學(xué)生積極思考、碰撞思維、交流討論，營造深度學(xué)習(xí)的思維性課堂。本文以2021年廣東省初中學(xué)業(yè)水平考試物理卷第7題為例，探究基于科學(xué)思維培養(yǎng)的中考試題教學(xué)策略。

真題：（2021 廣東）7.小明看到清淤作業(yè)人員正在將水塘底部的淤泥搬運到船上。他想：水面高度會變化嗎？于是進行了探究：首先，將石塊a和不吸水的木塊b置于裝有水的燒杯中，如圖1所示;然后，將石塊a從水中拿出并輕輕放在木塊b上，它們處于漂浮狀態(tài)，則水面高度將（）

一、深入情境，模型建構(gòu)

本題的情境是生活中常見的情境，也是學(xué)生平時熟悉多見的實驗情境，但如果憑經(jīng)驗和感覺去解題，就會容易出錯。因為在水面高度變化前后，a物體所受的浮力發(fā)生了變化，但這種變化是比較隱蔽的，對初中學(xué)生來說，難以捕捉到這一點，需要引導(dǎo)他們深入情境，抓住情境中的物理本質(zhì)，建構(gòu)穩(wěn)定的物理模型——“浮力液面升降模型”。

浮力液面升降模型：

在某種液體中有兩個物體a、b，其中b物體始終漂浮在液面。a物體原來沉在液體底部，此時液面距底部為h1。將a物體從液體中取出并放在b物體上，a、b均處于漂浮狀態(tài)，此時液面距底部h2。分析h1和h2的大小關(guān)系，判斷液面的變化情況。

若h2>h1，則液面上升;

若h2=h1，則液面不變;

若h2

二、定性分析，科學(xué)推理

建構(gòu)“浮力液面升降模型”后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進行定性分析，幫助學(xué)生形成一條穩(wěn)定的分析推理路徑。本模型的物理本質(zhì)是b物體狀態(tài)不變，由于a物體位置變化導(dǎo)致其所受浮力發(fā)生變化，根據(jù)“阿基米德原理”和“物體浮沉條件”得出排開液體的體積發(fā)生變化，從而引起液面升降。這個模型的分析過程比較復(fù)雜，涉及到的推理步驟較多，且初中學(xué)生的思維還處于從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)變的過程，邏輯推理能力比較薄弱，學(xué)生腦海中無法呈現(xiàn)動態(tài)的物理情境，甚至不知道從哪個步驟開始分析推理。教師可將分析此情境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分解為幾個問題來引導(dǎo)學(xué)生進行科學(xué)推理。

問題1：將a物體從液體中取出并放在b物體上，b物體的狀態(tài)發(fā)生什么變化？

由題目描述可知，b物體始終處于漂浮狀態(tài)，由“浮沉條件”可知，其所受浮力始終等于重力。

問題2：位置變化前后，a物體的狀態(tài)發(fā)生什么變化？

由題目描述可知，a物體原來是沉在液體底部，取出并放在b物體上，與b物體一起漂浮在液面上。即a物體的狀態(tài)由沉底→漂浮。

問題3：位置變化前后，a物體所受的浮力發(fā)生什么變化？

由題目描述可知，a物體原來是沉底狀態(tài)，由“浮沉條件”可知，其所受浮力小于重力;放在b物體上之后，a物體處于漂浮狀態(tài)，則浮力等于重力;因為a物體的重力不變，說明其所受的浮力變大。

問題4：位置變化前后，液體被排開的體積發(fā)生什么變化？

位置變化后，a物體所受浮力變大，根據(jù)“阿基米德原理”可知，a物體排開液體的體積變大;而b物體所受浮力不變，則b物體排開液體的體積不變;即液體被排開的總體積變大。

問題5：位置變化前后，液面高度發(fā)生什么變化？

通過前面從表象到本質(zhì)的分析，學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識到液體被排開的體積變大，根據(jù)幾何常識很自然就推理出液面上升。

分析推理的思路如下：

狀態(tài)改變→浮力變大→排開液體體積變大→液面上升。

三、定量演算，科學(xué)論證

在上述建模、分析、推理過程中，學(xué)生對a物體位置變化前后各物理量的變化過程有了一個定性的認(rèn)識，初步形成了分析推理的思維路徑。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生采用公式推導(dǎo)來進行定量的論證，使上述的分析推理更具有說服力。

如圖4所示，設(shè)液體密度為ρ，容器底面積為S，根據(jù)a物體位置變化前的狀態(tài)可得

對a物體：F浮a=ρg V排a→V排a =

對b物體：F浮b= Gb， 且F浮b= ρg V排b，則V排a = =

則排開液體總體積：V排=V排a+V排b = + =

因而液面上升：h =? =

如圖5所示，根據(jù)a物體位置變化后的狀態(tài)可得

對a和b整體分析：F '浮 = Ga + Gb，且F '浮 = ρg V'排，則V'排=

因而液面上升：h' =? =

如圖6所示，位置變化前，a物體處于沉底狀態(tài)，根據(jù)“浮沉條件”，則有Ga > F浮a

則有： >

所以：h' > h

即位置變化后，液面上升了。

四、積極引導(dǎo)，質(zhì)疑創(chuàng)新

至此，經(jīng)過定性的科學(xué)推理和定量的科學(xué)論證，學(xué)生已經(jīng)從知識和思維兩個維度掌握了“浮力液面升降模型”的解題過程，建立了比較穩(wěn)定的物理模型。但這個模型還不夠全面，應(yīng)繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進一步深入思考和全面考慮，對上述情境進行拓展，培養(yǎng)評價質(zhì)疑意識。

質(zhì)疑1：如圖7所示，如果a物體原來處于懸浮狀態(tài)，則位置變化前后，液面如何變化？

根據(jù)上述的分析推理和論證過程，原來狀態(tài)的a物體處于懸浮狀態(tài)，其所受浮力等于重力;位置變化后處于漂浮狀態(tài)，浮力也等于重力。即位置變化前后，浮力不變→排開液體體積不變→液面不變。

質(zhì)疑2：如圖8所示，如果a物體原來處于漂浮狀態(tài)，則位置變化前后，液面如何變化？

同理可得，位置變化前后，狀態(tài)不變→浮力不變→排開液體體積不變→液面不變。

經(jīng)過上述質(zhì)疑和釋疑，可以在更高層次的認(rèn)識上建立更完整的“浮力液面升降模型”：

① 若變化前后液體中的物體都處于漂浮、懸浮狀態(tài)，而無沉體出現(xiàn)，則液面不變;

② 若液體中的物體，在變化前無沉體，而變化后有沉體出現(xiàn)，則液面下降;

③ 在若液體中的物體，在變化前有沉體，而變化后無沉體出現(xiàn)，則液面升高。

通過引導(dǎo)學(xué)生比較之前學(xué)習(xí)過的知識，對已有結(jié)論提出有依據(jù)的質(zhì)疑，從而完善了“浮力液面升降模型”?？茖W(xué)上很多重大發(fā)明與創(chuàng)新，與其說是疑問的解決者促成的，不如說是疑問的尋求者促成的。教師應(yīng)該在課堂上培養(yǎng)學(xué)生的問題意識，鼓勵學(xué)生提出質(zhì)疑，并在質(zhì)疑的基礎(chǔ)上，提出創(chuàng)新性的問題。

創(chuàng)新：如圖9所示，如果一塊冰塊漂浮在水面上，則當(dāng)冰塊完全熔化后，水面如何變化？

設(shè)冰塊重力為G，水的密度為ρ，則熔化前排開水的體積為V排 =? = ;

熔化后，冰塊變成的水質(zhì)量不變，重力不變，則這部分水的體積為V排 = 。

可知，V排 = V，即冰塊熔化前后，液面不變。

用上述“浮力液面升降模型”驗證：冰塊熔化前后，均無沉體出現(xiàn)，所以液面不變。

通過質(zhì)疑創(chuàng)新，能拓展情境，豐富“浮力液面升降模型”的內(nèi)涵和外延，從而達到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維，落實學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)科育人價值目標(biāo)。

綜上所述，本文通過模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證和質(zhì)疑創(chuàng)新四個環(huán)節(jié)，從定性到定量地分析物體浮沉情境，建構(gòu)了“浮力液面升降模型”，形成了穩(wěn)定的解題思維路徑，并引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，對模型進行更深入、更廣泛地挖掘，從而使學(xué)生的思維不斷深入、不斷碰撞，從感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識，促進了科學(xué)思維的發(fā)展，落實了物理學(xué)科核心素養(yǎng)。上述基于科學(xué)思維培養(yǎng)的教學(xué)策略，不單體現(xiàn)在中考試題教學(xué)中，更應(yīng)體現(xiàn)在新課教學(xué)、實驗探究等課堂中，真正使物理學(xué)科核心素養(yǎng)在日常課堂中落地生根。

*本文系廣東省教育科研“十三五”規(guī)劃 2019年度立項課題“核心素養(yǎng)導(dǎo)向的初中物理課例研究”（編號：2019YQJK332）的研究成果。