基于學(xué)習(xí)進階理論的“浮力”教學(xué)設(shè)計與分析

［摘 要］“浮力”是初中物理教學(xué)中的難點，將學(xué)習(xí)進階理論運用到“浮力”教學(xué)中，圍繞核心概念和關(guān)鍵能力，幫助學(xué)生構(gòu)建合適的進階路徑，有助于促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］學(xué)習(xí)進階；浮力；初中物理；學(xué)科素養(yǎng)

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0028-03

學(xué)習(xí)進階描述的是在教學(xué)影響下的學(xué)生在某領(lǐng)域認知發(fā)展的藍圖［1］。學(xué)習(xí)進階刻畫的是學(xué)生思維發(fā)展的過程，包括知識內(nèi)容的進階和關(guān)鍵能力的進階。就初中學(xué)生而言，雖然他們在學(xué)習(xí)“浮力”這部分內(nèi)容時已初步具備了物理學(xué)科的思維方法和能力，但總體仍以形象思維為主，需要教師在教學(xué)過程中根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生的實際情況設(shè)計符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的學(xué)習(xí)路徑，以幫助學(xué)生加深理解、發(fā)展思維、提升能力。

一、分析學(xué)情，把握經(jīng)驗起點

（一）經(jīng)驗基礎(chǔ)

與浮力有關(guān)的現(xiàn)象在生活中比較常見，所以學(xué)生對浮力的存在與影響因素有許多生活經(jīng)驗。例如，乒乓球能漂浮在水面，石塊會沉入水底，在水中加鹽能使下沉的雞蛋上浮等。這些生活經(jīng)驗雖會讓學(xué)生對浮力及其影響因素有一個初步的認識，但也讓學(xué)生對浮力有一些錯誤的認知，如重的物體在水中會下沉，輕的物體在水中會上浮，物體浸沒得越深受到的浮力越大等。

（二）知識基礎(chǔ)

學(xué)生已經(jīng)對力的基本概念有比較清晰的認識，已學(xué)過彈力、重力和摩擦力，知道力的三要素，會用彈簧測力計測量力的大小，能對物體進行受力分析，會解決“二力平衡”問題，知道力與運動的關(guān)系，這些都是浮力概念建立的基礎(chǔ)。但隨著學(xué)習(xí)的深入，學(xué)生需要對“非平衡狀態(tài)的物體”和“受到多個力的物體”進行受力分析，因此對學(xué)生的思維能力和綜合運用能力提出了更高的要求。

二、研究教材，規(guī)劃進階路徑

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對浮力內(nèi)容的要求是：通過實驗，認識浮力；探究并了解浮力大小與哪些因素有關(guān)；知道阿基米德原理，能運用物體的浮沉條件說明生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象。蘇科版物理八年級下冊教材安排了與“浮力”相關(guān)的兩節(jié)內(nèi)容，分別是“浮力”（第十章第四節(jié)）和“物體的浮與沉”（第十章第五節(jié)）。雖然只有兩節(jié)內(nèi)容，但是教師在進行教學(xué)設(shè)計時還是應(yīng)該依據(jù)“單元教學(xué)”設(shè)計理念，優(yōu)化學(xué)生物理核心素養(yǎng)養(yǎng)成的思維構(gòu)建路徑，促進學(xué)生達成知識結(jié)構(gòu)化、素養(yǎng)內(nèi)稟化、能力外顯化的目的［2］。

基于學(xué)習(xí)進階理論的教學(xué)設(shè)計有兩大核心要素：進階內(nèi)容和進階層級。教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生已有經(jīng)驗，明確進階起點，再根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)后的預(yù)期表現(xiàn)和獲得的關(guān)鍵能力確立進階終點。學(xué)生在進階過程中容易產(chǎn)生一些錯誤思維，需要教師設(shè)計出合理的學(xué)習(xí)路徑，幫助學(xué)生搭建“思維臺階”突破迷思，真正實現(xiàn)思維進階［3］?！案×Α眱?nèi)容新授課的進階過程見表1，一般需要2～3個學(xué)時。

三、設(shè)計活動，指向素養(yǎng)發(fā)展

（一）創(chuàng)設(shè)恰當(dāng)情境，喚醒已有經(jīng)驗

［教學(xué)片段1］

教師將一個密度略大于水的土豆放入水中后，土豆沉入水底。

師：有什么辦法讓沉在水底的土豆浮起來？

生：往水里加鹽。

師：（往水中加鹽并攪拌）土豆果然浮起來了，你們知道土豆為什么會浮起來嗎？

生：因為受到浮力的作用。

師：浸在液體中的物體受到液體對它向上托的力，這個力叫浮力，那浸在氣體中的物體是否也受到浮力的作用呢？

生：應(yīng)該也受到，我們小時候買的氫氣球（實際充的是氦氣），如果沒抓牢會往天上飄。

師：浸在液體或氣體中的物體都會受到向上的浮力作用，那這個力的方向是豎直向上還是斜向上？有辦法驗證你們的想法嗎？

生：土豆漂浮在水面保持靜止，此時浮力與重力是一對平衡力，因為重力的方向是豎直向下的，所以浮力的方向應(yīng)該是豎直向上。

……

評析：小學(xué)科學(xué)課關(guān)于浮力的知識，雖然可以讓學(xué)生想到“往水里加鹽，使土豆上浮”的辦法，但學(xué)生對浮力的方向并不十分明確。教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運用“二力平衡”知識來判斷漂浮物體所受浮力的方向，實現(xiàn)知識的遷移和運用。此外，教師還可以提醒學(xué)生回憶“判斷重力方向”的方法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出如圖1所示的實驗。雖然“浮力概念的建立”和“浮力方向的判斷”不是本節(jié)課的重點，但在條件允許的情況下，適當(dāng)?shù)貙⒔虒W(xué)過程“復(fù)雜化”一些，有助于加深學(xué)生對概念的理解，也有助于發(fā)展學(xué)生的多元化思維。

（二）科學(xué)推理，建構(gòu)物理模型

［教學(xué)片段2］

教師將漂浮在鹽水中的土豆拿出，再次放入清水中。

師：在液體中上浮的物體受到浮力的作用，那下沉的物體是否也受到浮力的作用？

生：可能也受到浮力的作用，我和某同學(xué)一起去游泳，在水中感覺人變輕了。

師：這位同學(xué)說 “物體浸入水中會變輕”，你能設(shè)計實驗來驗證嗎？

生：用彈簧測力計測出物體的重力，再將其浸入水中，觀察彈簧測力計的示數(shù)是否發(fā)生改變。

師：注意，選取的研究對象應(yīng)該是放在水中會下沉的物體。

……

評析：這部分教學(xué)及其主要目的，一是讓學(xué)生明確下沉的物體也受到浮力的作用，二是讓學(xué)生掌握“稱重法”測浮力?！胺Q重法”的本質(zhì)是“同一直線上的三力平衡”的受力分析模型。在學(xué)生看到“將物體浸入水中，彈簧測力計的示數(shù)變小”后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生對該物體進行受力分析并思考，此時物體受到的拉力小于重力，但物體處于平衡狀態(tài)，依據(jù)“平衡力”的知識分析可知，該物體必然還受到一個向上的力，這個力就是浮力，大小等于重力與拉力之差，以此讓學(xué)生在觀察、分析、推理的過程中發(fā)展模型建構(gòu)和推理論證的能力。

（三）科學(xué)方法，關(guān)注思想內(nèi)核

探究影響浮力大小的因素是浮力教學(xué)的難點，而控制變量法的思想內(nèi)核是教學(xué)的重點。對于控制變量法，三個問題非常重要：如何測量因變量？怎樣改變自變量？如何控制變量？在教學(xué)實踐中筆者發(fā)現(xiàn)：受“影響液體壓強因素”實驗的影響，總會有學(xué)生提出“浸入液體的深度越深，物體所受浮力越大”的猜想。針對這種猜想，一般的處理方式是：在物體完全浸沒后，增加物體浸沒的深度（不碰底），彈簧測力計的示數(shù)不變，從而證明浮力與物體浸沒的深度無關(guān)。但由此也讓學(xué)生產(chǎn)生了一個新的疑惑：未完全浸沒時，物體受到的浮力大小與深度有關(guān)嗎？針對這個疑惑，教師可以設(shè)計如下進階問題串：如何測量物體受到的浮力？需要保持哪些量不變？在物體不完全浸沒的情況下，怎樣保證物體排開液體的體積相同但浸入液體的深度不同？通過討論，最終可以設(shè)計出如下實驗（如圖2）：先將一塊長方形的鋁塊豎著懸掛，一半浸入水中；再將其橫著懸掛，一半浸入水中（保證排開水的體積不變）；最后測得鋁塊兩次受到的浮力大小，并進行比較，從而證明“當(dāng)物體未完全浸沒時，物體受到的浮力也與物體浸入液體的深度無關(guān)”。探究教學(xué)不能只關(guān)注最終結(jié)論的獲得，還應(yīng)重視設(shè)計實驗方案的過程，這個過程中科學(xué)方法的思想內(nèi)核是關(guān)鍵，它決定了學(xué)生對科學(xué)方法的理解和遷移。

（四）多措并舉，鼓勵創(chuàng)新

［教學(xué)片段3］

師：根據(jù)剛才的活動，我們知道了“浸在液體中的物體受到的浮力大小與液體的密度和物體排開液體的體積有關(guān)”，能否將這兩個因素合并，提出新的猜想？

生：根據(jù)公式“[m=ρV] ”，物體受到的浮力大小可能與排開液體的質(zhì)量有關(guān)。

師：浮力是一種力，能和質(zhì)量相等嗎？

生：可以測量物體排開液體的質(zhì)量后計算出這部分液體的重力，或者直接測量物體排開液體的重力，再與物體受到的浮力進行比較。

師：你們能想到哪些辦法測量物體排開液體的質(zhì)量或重力？

……

評析：考慮學(xué)生能力及課堂容量，蘇科版教材的編寫者在編排內(nèi)容時直接呈現(xiàn)阿基米德原理的內(nèi)容及公式，并在本章結(jié)束后的“反思與評價”中安排了一個驗證性實驗。實際教學(xué)中，教師不妨在課堂上多花一點時間，讓學(xué)生設(shè)計實驗并通過實驗得出阿基米德原理。這樣不僅可以加深學(xué)生對原理的理解，還有助于發(fā)展學(xué)生的推理能力和創(chuàng)新精神。

教材給出的實驗方案如圖3所示。但實際上，學(xué)生往往還會提出一些其他的設(shè)計方案，如“先用量筒測出物體的體積，再測出等體積水的重力，最后與物體完全浸沒在水中時受到的浮力進行比較”“在燒杯中放入適量的水并用筆標(biāo)記出此時水面的位置，把物體浸沒在水中，先測出物體此時受到的浮力，再用注射器吸出燒杯中的一部分水直至液面再次回到標(biāo)記處，測出被吸出水的重力，并與物體受到的浮力進行比較”……教師應(yīng)鼓勵學(xué)生大膽地說出自己的想法，并讓學(xué)生從可行性的角度對這些方案進行評價，如果確定幾種方案都可行，可以在條件允許的情況下讓學(xué)生自行選擇方案進行實驗，實驗結(jié)束后再一起交流結(jié)論、驗證猜想。思維的培養(yǎng)需要一個長期的過程，課堂教學(xué)中，多留出一點時間，讓學(xué)生進行交流、思考和嘗試，有利于學(xué)生在這個過程中發(fā)展科學(xué)思維、培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

（五）知識整合，追求真正理解

［教學(xué)片段4］

情境1：將一個較小的土豆放入水中后，土豆下沉。

師：能否利用所學(xué)知識解釋“土豆在清水中下沉、在鹽水中上浮”的原因。

生：鹽水的密度比清水的大，土豆在清水中受到的浮力小，在鹽水中受到的浮力大。

情境2：將一個較大的土豆將放入水中，土豆仍然沉入水底。

師：是否如同學(xué)所言“受到的浮力小，所以物體下沉；受到的浮力大，所以物體上浮”？浸沒在水中的大土豆受到的浮力比小土豆大，但為什么大土豆還是沉入水底了呢？

生：因為大土豆的重力更大一些。

師：那能否說“重力大的物體放入液體中就會下沉，重力小的物體就會上浮”？

生：這種說法不對，物體的浮沉情況與物體受到的重力和浮力都有關(guān)系。

師：具體是什么關(guān)系？

生：重力小于浮力時會上浮。

師：能設(shè)計個方案用實驗驗證一下嗎？上浮的物體好像沒辦法用“稱重法”測浮力呀！

生：（思考后）先測出土豆的重力，再測出土豆的體積和鹽水的密度，用阿基米德原理計算出土豆受到的浮力，再與土豆的重力進行比較。

……

評析：“物體的浮沉條件”這節(jié)內(nèi)容整合了“密度”“阿基米德原理”“力與運動”等相關(guān)知識，對學(xué)生的思維能力和綜合運用能力要求比較高。教師可以展現(xiàn)如圖4所示的思維導(dǎo)圖，幫助學(xué)生厘清概念邏輯、構(gòu)建相關(guān)知識脈絡(luò)，并讓學(xué)生運用所學(xué)知識解釋生產(chǎn)和生活中的一些現(xiàn)象，從而真正達到整合知識內(nèi)容、提升學(xué)生素養(yǎng)的目的。

四、結(jié)語

教學(xué)實踐表明，學(xué)生的思維發(fā)展不是一個自發(fā)的過程，需要教師幫助學(xué)生搭建必要的進階平臺、設(shè)計恰當(dāng)?shù)倪M階路徑，引導(dǎo)學(xué)生在促進發(fā)展的有意義的物理學(xué)習(xí)過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，不斷發(fā)展高階思維，從而促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)［4］。課堂的腳步無須太快，這樣教師才能“聽到”學(xué)生思維“拔節(jié)”的聲音。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 姚建欣，何春生.基于學(xué)習(xí)進階的中學(xué)物理教學(xué)改進研究：機械運動與力［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2020.

［2］? 忻賢灝，鄧志文.基于學(xué)習(xí)進階理論的物理教學(xué)單元設(shè)計實踐探索：從課時設(shè)計走向單元設(shè)計［J］.中學(xué)物理，2023（11）：10-15.

［3］? 黃冠.基于學(xué)習(xí)進階的初、高中物理銜接教學(xué)策略［J］.中學(xué)物理，2022（16）：14-17.

［4］? 李昕.基于深度學(xué)習(xí)的初中物理教學(xué)策略：以初中“浮力”教學(xué)為例［J］.中學(xué)教學(xué)參考，2021（14）：46-47，60.

（責(zé)任編輯 易志毅）