基于學(xué)生生活經(jīng)驗 創(chuàng)設(shè)物理實驗情境
——以“物體的浮與沉”教學(xué)為例

薛丹青

(南京師范大學(xué)附屬實驗學(xué)校，江蘇 南京 210046)

在物理教學(xué)中，創(chuàng)設(shè)真實的物理情境，是落實學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的重要載體。學(xué)生物理觀念的形成，需要以真實的情境為依托，通過解決基于真實情境的問題，提高學(xué)生的自信心和求知欲，同時培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。筆者以“物體的浮與沉”為例，基于學(xué)生的生活體驗提出問題，聚焦學(xué)生的錯誤認(rèn)知；再創(chuàng)設(shè)真實的實驗情境，激發(fā)學(xué)生的探究欲望；最后通過科普教育，在知識應(yīng)用中實現(xiàn)學(xué)科育人功能。

1 基于生活經(jīng)驗，聚焦錯誤認(rèn)知

學(xué)生對于“物體的浮與沉”，有很多的生活體驗，運用生活經(jīng)驗，可以簡單地判斷物體的沉浮，這些判斷的依據(jù)主要是：“輕的物體上浮，重的物體下沉”。

教師先用生活事例拉近學(xué)生與物理之間的距離：人們觀察到木頭和樹葉可以漂浮在水面上，萌發(fā)了造船的靈感；人向后劃水，水就會推船前進(jìn)，于是把砍下來的樹干的一面削平、挖空、烤干，造成了獨木舟，此后相繼出現(xiàn)了木筏、木板船等交通工具。

隨后提出問題：木頭和塑料可漂浮在水面上的，用他們來造船很容易理解。但是，鐵和玻璃會沉入水中，如何用它們造船呢？

將橡皮泥直接投入水中，它會沉底，引導(dǎo)學(xué)生通過觀察并思考：如何用橡皮泥來模擬造船？

問題1：把橡皮泥捏成船的形狀的過程中，哪個物理量發(fā)生了變化？哪個物理量沒有變化？

問題2：將橡皮泥捏成船形，所受重力沒有改變，但是所受浮力卻改變了，那影響浮力大小的因素是什么呢？

問題3：把你造好的“船”放在清水和濃鹽水中，它所受重力改變了嗎？你有什么發(fā)現(xiàn)？影響浮力大小的因素還有什么呢？

基于生活經(jīng)驗創(chuàng)設(shè)問題情境，再用橡皮泥模擬造“船”，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突：對于同一塊橡皮泥，通過改變其形狀就可以改變沉浮狀態(tài)，這與“輕的物體上浮，重的物體下沉”的認(rèn)知相矛盾。在實驗過程中，通過教師提問、相互交流、共同總結(jié)等環(huán)節(jié)，學(xué)生初步領(lǐng)會物理知識的本質(zhì)，得出結(jié)論：(1) 改變物體所受浮力的大小可以改變物體的浮與沉；(2) 改變物體浸入液體的體積或者液體的密度可以改變物體所受的浮力。

2 創(chuàng)設(shè)真實情境，激發(fā)探究興趣

同樣以橡皮泥“船”為例，用演示實驗創(chuàng)設(shè)真實的情景，引導(dǎo)學(xué)生深入探究。

問題1：在測試橡皮泥“船”承重的過程中，哪個物理量發(fā)生了變化？

問題2：倘若測試用的“船”沉底了，如何打撈沉船呢？有哪些方法？

圖1為教師演示的一個簡單的打撈沉船的模擬實驗，把玻璃瓶放在水中，將水吸入小瓶，小瓶下沉，當(dāng)把小瓶綁在小船上，再通過針筒將空氣緩緩壓入玻璃瓶中，船會隨著玻璃瓶一起上浮。

小結(jié)：改變物體所受的重力也可以改變物體的浮與沉。當(dāng)G>F浮時，物體下沉；當(dāng)G

圖1

圖2

教師引導(dǎo)學(xué)生按照打撈沉船的思路，自制一個潛水艇。學(xué)生利用手中器材，分組制作一個可以實現(xiàn)自由上浮和下沉的潛水艇(圖2)。

問題3：同學(xué)們利用潛水艇模型使?jié)撍г谒袘腋〉膶嶒炇欠褡龀晒α?？為什么?/p>

以潛水艇為研究對象，分析潛水艇的受力情況。向潛水艇模型中充水，G增大，F(xiàn)浮G，實現(xiàn)上浮。要使?jié)撍Ｐ蛻腋≡谒?，需要潛水艇模型所受重力和浮力大小相等?/p>

師生共同總結(jié)：物體的上浮或下沉是由所受重力和浮力的大小關(guān)系決定的。若要使物體上浮，方法一是減小物體所受的重力，方法二是增大物體所受的浮力。所采用方法的實質(zhì)是：改變了物體所受的重力或浮力大小。

3 開展科普教育，實現(xiàn)學(xué)科育人

教師介紹潛水艇的相關(guān)知識，在知識應(yīng)用的過程中，從社會責(zé)任和科學(xué)態(tài)度方面影響學(xué)生，使學(xué)生意識到科技的進(jìn)步可以促進(jìn)祖國的發(fā)展與強(qiáng)大，初步樹立為國家富強(qiáng)而奮斗的志向。

隨著科技的進(jìn)步，我國于1955年自行建造了第一艘潛水艇。潛水艇在水中的深度越大，受到的海水壓強(qiáng)越大。一般潛水艇的下潛深度只能達(dá)到300 m～600 m左右，要下潛到幾千米或者萬米的深海中，需要用深潛器來實現(xiàn)，在萬米深海水壓超過110兆帕，約合1千個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，目前我國已經(jīng)實現(xiàn)了萬米的深海探測?！皧^斗者號”是國家“十三五”重點研發(fā)計劃“深海關(guān)鍵技術(shù)與裝備”專項支持的深海重大科技裝備,在“奮斗者號”下潛的過程中其周圍海水的溫度、密度等都會發(fā)生改變，水壓的增大會改變深潛器的體積，吸水材料也會因逐漸吸水而改變自身所受重力，這些變化都需要壓載鐵去平衡。經(jīng)過科學(xué)家的不懈努力，已經(jīng)建立了一套周密的數(shù)學(xué)模型用來計算所需壓載鐵的質(zhì)量。“奮斗者號”展示了時代精神，更充分反映了當(dāng)代奮斗者們勇攀高峰的精神風(fēng)貌，展示了中國載人深潛團(tuán)隊“最美奮斗者”的形象。

據(jù)此引導(dǎo)學(xué)生自主閱讀蘇科版物理教科書“信息庫”中的內(nèi)容：中國的深海載人潛水器。

問題1：“奮斗者號”下潛到最大深度10909 m時所受的海水壓強(qiáng)是多少(海水的密度為1.03×103kg/m3)?

解答：“奮斗者號”所受海水壓強(qiáng)p=ρ液gh=1.03×103kg/m3×10 N/kg×10909 m=1.12×108Pa。

問題2：隨海水深度的增加，海水的密度變大，“奮斗者號”在作業(yè)時，當(dāng)它從完全浸沒到下潛至3 000 m，所受浮力如何變化？

解答：根據(jù)F浮=ρ液gV排，由于“奮斗者號”浸沒在海水中，V排=V物，ρ液變大，所以受到的浮力將會變大。

問題3：為什么“奮斗者號”要用通過拋掉壓載鐵實現(xiàn)上浮，而不是像普通潛水艇那樣用高壓氣體排水實現(xiàn)上??？

解答：海底的壓強(qiáng)太大，利用排水法很難將水排出艙外。

問題4：“奮斗者號”是如何在海水中實現(xiàn)下沉、上浮的？

解答：下沉?xí)r加壓載鐵；上浮時拋掉壓載鐵。

設(shè)計意圖：在物理知識的具體應(yīng)用中，可以對學(xué)生進(jìn)行德育教育。

教師提問：“奮斗者號”創(chuàng)造了目前可作業(yè)型載人深潛器的最大下潛深度，那么大海深處是什么樣的？

學(xué)生觀看視頻：“奮斗者號”載人潛水器。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過視頻介紹，初步了解了黑暗無光、寒冷、沒有氧氣、壓強(qiáng)巨大的深海環(huán)境，科技的進(jìn)步離不開科學(xué)家們的努力拼搏與默默奉獻(xiàn)。2020年11月10日“奮斗者號”載人深潛器，

成功下潛到海下1萬多米的深度，2020年12月17日“嫦娥五號”實現(xiàn)了將月壤帶回地球，實現(xiàn)了“敢上九天攬月，可下五洋捉鱉”的偉大壯舉。

4 結(jié)語

基于學(xué)生的生活經(jīng)驗進(jìn)行物理教學(xué)，可以拉近學(xué)生與物理的距離，重視物理實驗的組織、設(shè)計和實施，讓學(xué)生基于生活經(jīng)驗進(jìn)行實驗探究，激發(fā)認(rèn)知沖突，促進(jìn)學(xué)生深入思考，構(gòu)建知識體系，深化學(xué)生對物理知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力，并在知識應(yīng)用中實現(xiàn)學(xué)科育人，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。