人教版“物體的浮沉條件及應(yīng)用”進(jìn)階教學(xué)中科學(xué)思維的培養(yǎng)

李才義

威寧彝族回族苗族自治縣麻乍第二中學(xué) （貴州省畢節(jié)市 553105）

1 引言

在現(xiàn)實(shí)生活中，初中生相較于高中階段的學(xué)生，科學(xué)思維能力比較薄弱，因此在物理學(xué)習(xí)過(guò)程中，面對(duì)清晰直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，要轉(zhuǎn)而過(guò)渡到抽象的思維理論分析，具有一定的難度。因此，在初中物理的教學(xué)過(guò)程中，教師注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維以幫助其進(jìn)行深度的學(xué)習(xí)，促進(jìn)全面發(fā)展至關(guān)重要。本文從人教版初中物理“物體的浮沉條件及應(yīng)用”入手，分析教學(xué)實(shí)踐，探討教學(xué)過(guò)程中如何培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

2 初步判斷分析，關(guān)聯(lián)“物體浮沉變化”與“力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系”

在教學(xué)時(shí)，若教師給學(xué)生展示“物體浮沉變化”現(xiàn)象時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在觀察過(guò)程中很難將該現(xiàn)象與以前學(xué)習(xí)過(guò)的“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”、“二力平衡條件”等物理規(guī)律聯(lián)系起來(lái)。這時(shí)，教師應(yīng)從學(xué)生的日常生活體驗(yàn)著手，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過(guò)的相關(guān)知識(shí)來(lái)分析物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)的狀態(tài)變化，進(jìn)而分析判斷物體在水中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這使學(xué)生有了一個(gè)從感知到判斷，再到分析的正向遷移思維過(guò)程，在構(gòu)建“物體浮沉與變化”與“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”的邏輯聯(lián)系的過(guò)程中，使受力分析的思維方式得到鞏固。

比如教師首先可以運(yùn)用下面的圖片想學(xué)生提問(wèn)：

提問(wèn)1：如圖1，該靜止在水平桌面上的物體將如何運(yùn)動(dòng)？

圖1

提問(wèn)2：物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的原因是什么？

接著教師可以為學(xué)生演示以下現(xiàn)象：1.氣球在空氣中上??；2.雞蛋在水中下沉；3.乒乓球在水中上浮。然后向?qū)W生提問(wèn)：

提問(wèn)3：以上物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況是怎樣的，請(qǐng)分析并畫出受力示意圖。

提問(wèn)4：根據(jù)力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，分析判斷F浮與G物之間的大小關(guān)系。

提問(wèn)5：說(shuō)說(shuō)物體都有哪幾種浮沉狀態(tài)？其中平衡狀態(tài)有哪些？非平衡狀態(tài)有哪些？

提問(wèn)6：分析“物體浮沉變化”與“力和運(yùn)動(dòng)關(guān)系”之間的邏輯關(guān)系是怎樣的？

從這個(gè)教學(xué)過(guò)程來(lái)看，教師在教學(xué)中從學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)的概念入手來(lái)導(dǎo)入新課，通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境讓學(xué)生從從熟悉的舊知識(shí)過(guò)渡到新知識(shí)，并設(shè)計(jì)層層問(wèn)題一步步引導(dǎo)學(xué)生從物理的表象中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的實(shí)質(zhì)，思維有了層層遞進(jìn)，從現(xiàn)象中抽象、概括出關(guān)于上浮、漂浮、平衡狀態(tài)、非平衡狀態(tài)、下沉、沉底等概念的實(shí)質(zhì)，從而反映出物理運(yùn)動(dòng)中浮沉狀態(tài)的本質(zhì)，如圖2所示：

圖2

3 模型的構(gòu)建，通過(guò)力的示意圖概括、抽象出物體的浮沉條件

模型是對(duì)真實(shí)事物的表征，作為科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要元素，是科技人員不斷進(jìn)行創(chuàng)造和探索的基礎(chǔ)。物理建模過(guò)程是充分運(yùn)用物理語(yǔ)言和研究方法，通過(guò)對(duì)物理問(wèn)題進(jìn)行抽象、假設(shè)、推理來(lái)刻畫物理量之間的關(guān)系，形成物理模型[1]。構(gòu)建模型是學(xué)習(xí)物理過(guò)程中所必須具備的一個(gè)環(huán)節(jié)，教師在教學(xué)中要讓學(xué)生明白這一點(diǎn)，同時(shí)還要引導(dǎo)學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)器材，親自動(dòng)手，經(jīng)歷建模的過(guò)程，增加學(xué)生的體驗(yàn)感。在學(xué)習(xí)“物體的浮沉條件及應(yīng)用”時(shí)，物體的浮沉狀態(tài)就是一種物理模型。上一輪教學(xué)環(huán)節(jié)中，學(xué)生經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)已經(jīng)對(duì)物體的浮沉狀態(tài)的知識(shí)有了直接性的體驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，了解到了物體所受重力和浮力的大小關(guān)聯(lián)著物體浮沉狀態(tài)，物體浮沉狀態(tài)的變化，其本質(zhì)就是在于物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因。教師在引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建模型時(shí)，可先讓學(xué)生充分發(fā)揮科學(xué)的洞察力和想象力，自主分析該浮沉裝置，通過(guò)初步判斷，抽象出液體、容器、浮沉物的模型，接著幫助學(xué)生去分析浮沉的物體在浮沉狀態(tài)中的受力情況并畫出受力示意圖，這樣就把復(fù)雜的物體或經(jīng)歷現(xiàn)象完整地簡(jiǎn)化了，在其中抽象出了這一物體或現(xiàn)象中最主要的元素，一個(gè)正確簡(jiǎn)單的物理模型就被構(gòu)建出來(lái)了。比如以下通過(guò)以下教學(xué)片段引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建出物體浮沉條件的物理模型：

首先教師利用教學(xué)資源將一些物體如雞蛋、塑料瓶、薄金屬片、土豆等浸沒(méi)在水中，松開手之后讓學(xué)生觀察它們的浮沉狀態(tài)的變化過(guò)程，然后進(jìn)行提問(wèn)：

提問(wèn)1：物體浮沉狀態(tài)的變化是怎樣的？請(qǐng)描述出來(lái)，并用力的示意圖描述出各個(gè)物體浮沉狀態(tài)變化過(guò)程中的受力情況，初步構(gòu)建物理模型。

提問(wèn)2：請(qǐng)從力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系的角度出發(fā)，歸納分析出物體的浮沉條件。

提問(wèn)3：請(qǐng)從平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)的角度出發(fā)，歸納分析出物體浮沉狀態(tài)的物理模型之間有什么邏輯關(guān)聯(lián)。

由于八年級(jí)的學(xué)生正處于直覺(jué)形象思維到抽象推理概括的過(guò)渡階段，因此在學(xué)習(xí)過(guò)程中建立模型的能力、勾畫示意圖的能力以及歸納分析物理模型的能力比較欠缺，所以教師在教學(xué)中要有針對(duì)性地啟發(fā)學(xué)生回想與物體浮沉狀態(tài)有關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)鋪墊來(lái)讓學(xué)生更好地建立相關(guān)物理模型。同時(shí)也要引導(dǎo)學(xué)生充分利用科學(xué)的想象力，分析比較，更加有效地建立物理模型。其思維過(guò)程如圖3 所示：

圖3

4 數(shù)理推導(dǎo)，推理分析出浮力與密度之間的物理關(guān)系

在學(xué)生構(gòu)建出物體浮沉條件的物理模型的基礎(chǔ)上，教師可繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度思考，啟發(fā)學(xué)生不斷加深對(duì)知識(shí)的理解和想象，首先引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)觀察物理表象判斷懸浮和漂浮之間的區(qū)別和聯(lián)系；接著讓學(xué)生根據(jù)現(xiàn)有的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出物體浮沉條件中ρ物與ρ液的關(guān)系；最后啟發(fā)學(xué)生的數(shù)理思維，繼續(xù)進(jìn)行公式推導(dǎo)，從剛才的ρ物與ρ液的關(guān)系的角度概括出物體的浮沉條件。比如以下教學(xué)過(guò)程：

教師將一只雞蛋置于鹽水中，逐漸往杯中加入清水，這時(shí)雞蛋由漂浮狀態(tài)逐漸變?yōu)閼腋顟B(tài)。

提問(wèn)1：通過(guò)剛才的觀察，請(qǐng)說(shuō)出漂浮和懸浮之間的區(qū)別和聯(lián)系。

將雞蛋、塑料瓶、薄金屬片、土豆、清水、鹽水等物體的密度表展示出來(lái)。

提問(wèn)2：觀察密度表，結(jié)合已觀察到的浮沉現(xiàn)象，說(shuō)出物體的浮沉條件還與什么因素有關(guān)。

提問(wèn)3：假設(shè)物體均為實(shí)心體，請(qǐng)結(jié)合學(xué)過(guò)的阿基米德原理、力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系原理等有關(guān)知識(shí)論證你的猜想。

往鹽水中加清水后，雞蛋由漂浮變?yōu)閼腋?，引發(fā)學(xué)生猜想物體的浮沉狀態(tài)變化可能與液體的密度有關(guān)；接著在對(duì)物體和液體的密度表以及浮沉現(xiàn)象的比較中，啟發(fā)學(xué)生進(jìn)一步提出質(zhì)疑，并猜想物體的浮沉條件不僅可以從物體和液體的密度角度思考，還可以從G物與F浮之間的大小的角度進(jìn)行思考，使學(xué)生的科學(xué)思維進(jìn)一步過(guò)渡到對(duì)復(fù)雜的事實(shí)數(shù)據(jù)的邏輯推理。這個(gè)過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生充分利用了已有的認(rèn)知，對(duì)漂浮和懸浮這一對(duì)易混淆概念做出了辨析，不僅鞏固了原有知識(shí)，還運(yùn)用了原有知識(shí)去進(jìn)行數(shù)理推導(dǎo)，比較物體在不同浮沉狀態(tài)下該物體和液體之間密度的大小，從而從多個(gè)角度去判斷物體的浮沉條件。其思維過(guò)程如圖4 所示：

圖4

5 遷移聯(lián)想，構(gòu)筑實(shí)驗(yàn)原理模型與實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)

高階思維的標(biāo)志特征是遷移應(yīng)用，評(píng)價(jià)創(chuàng)造、抽象概括，能對(duì)所探究的問(wèn)題進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)與表達(dá)，選擇合適的器材，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟襟E，逐步運(yùn)用系統(tǒng)思維去認(rèn)識(shí)和解決問(wèn)題[2]。在這一階段，教師可在教學(xué)環(huán)節(jié)中幫助學(xué)生將學(xué)生已有的碎片化的知識(shí)信息加以整理，構(gòu)建完整的知識(shí)體系，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生突破常規(guī)的思維，不斷進(jìn)行聯(lián)想、猜測(cè)、推理，將實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)與STS 實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)一步訓(xùn)練學(xué)生的發(fā)散性思維和科學(xué)思維。

在這一教學(xué)片段中，教師可將外形相同的雞蛋在鹽水中分別保持漂浮、懸浮、沉底狀態(tài)，如圖5 所示：

圖5

提問(wèn)1：請(qǐng)猜想，雞蛋在同樣的液體中，為什么會(huì)呈現(xiàn)出漂浮、懸浮、沉底三種不同的狀態(tài)？

組織學(xué)生自主活動(dòng)：利用不同的物體和器材改變物體的浮沉狀態(tài)。

學(xué)生交流討論：歸納出改變物體浮沉狀態(tài)的方法并進(jìn)行評(píng)價(jià)。

遷移聯(lián)想：找出實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)原理模型。

帶領(lǐng)學(xué)生了解關(guān)于密度計(jì)、輪船、潛水艇是浮力的應(yīng)用。

教師展示：同一個(gè)雞蛋在鹽水中為漂浮狀態(tài)，在清水中為懸浮狀態(tài)；外形相同的三個(gè)雞蛋在同一杯鹽水中分別為漂浮、懸浮、沉底狀態(tài)；將金屬片折成船行后漂浮在水面。

提問(wèn)2：在分析對(duì)比，聯(lián)想遷移之后，說(shuō)出浮力應(yīng)用的實(shí)際例子與實(shí)驗(yàn)原理模型中的哪一個(gè)相對(duì)應(yīng)？

這一環(huán)節(jié)通過(guò)不同的學(xué)生活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生思考影響物體浮沉狀態(tài)的因素是G物與F浮，并且二者的改變可導(dǎo)致物體浮沉狀態(tài)的改變。根據(jù)公式F浮=ρ液gV排，可通過(guò)改變?chǔ)岩汉蚔排兩種途徑來(lái)改變物體的浮力。在帶領(lǐng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)和觀察的時(shí)候，教師要引導(dǎo)學(xué)生突破固有的思維定式，啟發(fā)學(xué)生科學(xué)地運(yùn)用聯(lián)想、猜測(cè)、想象等將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理規(guī)律聯(lián)系起來(lái)，結(jié)合它們之間的本質(zhì)規(guī)律所體現(xiàn)出來(lái)的相關(guān)特性、因果邏輯關(guān)系，構(gòu)筑實(shí)驗(yàn)原理模型與實(shí)際應(yīng)用之間的關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生加深對(duì)抽象規(guī)律、概念的理解，搭建起實(shí)際應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)原理模型的階梯，促進(jìn)思維的創(chuàng)造性、開放性、發(fā)散性發(fā)展。思維過(guò)程如圖6 所示：

圖6

6 結(jié)論

一堂好課不是看教師教得多么精彩，而是看學(xué)生是否以主人的身份全程參與課堂，是否學(xué)得主動(dòng)、快樂(lè)、有效，這些都能從學(xué)課堂各環(huán)節(jié)、各要素、各細(xì)節(jié)的表象中反映出來(lái)[3]。素質(zhì)教育理念提出以來(lái)，要求在課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，具備創(chuàng)新精神和時(shí)代的位置才能適應(yīng)當(dāng)下社會(huì)的發(fā)展需要[4]。在人教版“物體的浮沉條件及應(yīng)用”的教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要注意從科學(xué)思維的角度出發(fā)，不斷引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考、猜測(cè)、質(zhì)疑和創(chuàng)新，在需學(xué)生思維訓(xùn)練當(dāng)中，要善于發(fā)現(xiàn)其中存在的思維障礙并提煉出來(lái)作為教學(xué)素材。同時(shí)教師也可以讓學(xué)生運(yùn)用常規(guī)的思維方法如歸納、抽象、概括、分析、推理、綜合、論證等，將科學(xué)思維貫穿其中，讓學(xué)生在傳統(tǒng)中發(fā)展出科學(xué)思維，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。