學(xué)科實踐:讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)著長大
——以蘇科版“液體壓強(qiáng)”教學(xué)為例

張步青 張世成 王紅芳

(1. 丹陽市第三中學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212300; 2. 梁溪區(qū)教師發(fā)展中心,江蘇 無錫 214000; 3. 丹陽市云陽學(xué)校,江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

學(xué)科實踐是指具有學(xué)科特色的典型實踐,即學(xué)科專業(yè)共同體懷著共同的愿景與價值觀,運用該學(xué)科的概念、思想與工具,整合心理過程與操控技能,解決真實情境中的問題的一套典型做法.[1]初中物理學(xué)科實踐就是運用初中物理學(xué)科特有的方式學(xué)習(xí),讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)著長大的過程.下面結(jié)合蘇科版“液體壓強(qiáng)”教學(xué)談?wù)勎覀兊膶嵺`.

1 親身體驗,發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的主題

學(xué)生對液體壓強(qiáng)沒有經(jīng)驗,常規(guī)的課堂教學(xué)、教師演示、學(xué)生觀察體驗不深刻.所以筆者設(shè)計了3個分組實驗讓學(xué)生親身體驗.

實驗1水對杯底有壓強(qiáng).如圖1所示,每組學(xué)生向玻璃管內(nèi)加水,觀察玻璃管底部橡皮膜的形狀有什么變化?體驗到水對杯底產(chǎn)生了壓強(qiáng),使橡皮膜發(fā)生了形變.

圖1 水對杯底的壓強(qiáng)

實驗2水對容器側(cè)壁有壓強(qiáng).如圖2所示,每組學(xué)生提起其中裝著水的保鮮袋,學(xué)生用手指頂一下保鮮袋.手指會有什么感覺?體驗到水頂著手指.教師再解開綁繩,因為水具有流動性,我們看到水向四周散開,因此對側(cè)壁產(chǎn)生壓強(qiáng).水具有重力和流動性,水不僅能對容器底產(chǎn)生壓強(qiáng),也能對容器側(cè)壁產(chǎn)生壓強(qiáng).

圖2 水對容器側(cè)壁的壓強(qiáng)

實驗3液體內(nèi)部有壓強(qiáng).如圖3所示,我們?yōu)槊拷M準(zhǔn)備了一個高約半米的大圓筒,讓每組的學(xué)生將塑料袋套在手上,把手緩緩浸入大容器的水中,并將手向各個方向輕輕轉(zhuǎn)動.手有什么感覺?學(xué)生會發(fā)現(xiàn)手被塑料袋貼緊,深度越深,壓強(qiáng)越大,指尖感覺到的壓強(qiáng)與手臂的感覺明顯不同.改變方向時,感受到水的各個方向都對塑料袋擠壓,這個感覺很明顯.經(jīng)過實驗,學(xué)生可以清楚地明白,液體內(nèi)部有壓強(qiáng).

圖3 液體內(nèi)部的壓強(qiáng)

學(xué)生很自然發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的主題:液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)?

2 思維沖突,發(fā)現(xiàn)教學(xué)的起點

假如讓我把全部教育心理學(xué)僅僅歸結(jié)為一條原理的話,那么,我將一言以蔽之:影響學(xué)習(xí)的唯一重要因素就是學(xué)習(xí)者已經(jīng)知道了什么.要探明這一點,并據(jù)此進(jìn)行教學(xué).——奧蘇貝爾.為發(fā)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的起點在哪里,在教學(xué)的開始,筆者設(shè)計一個前側(cè),桌面上放甲、乙兩個燒杯,甲燒杯比乙燒杯粗一點,將水倒入燒杯內(nèi),水的深度是一樣,如圖4所示.水對甲、乙容器底部的壓強(qiáng)到底哪個大呢?理由是什么?

圖4 探究壓強(qiáng)大小實驗

一個班有50名學(xué)生選擇情況如表1所示.

表1 50名學(xué)生選擇情況

從前測中可知:學(xué)生對“水對容器底部的壓強(qiáng)”都局限在用p=F/S進(jìn)行判定,選擇甲容器的學(xué)生沒有考慮S的影響、選擇乙容器的學(xué)生沒有考慮F的影響,選擇一樣和都有可能的學(xué)生考慮了F、S影響,但判定卻不一致,學(xué)生無法用已學(xué)習(xí)知識解決現(xiàn)在的問題,所以就有了學(xué)習(xí)的必要性.

此時教師給大家介紹一種測定液體內(nèi)部壓強(qiáng)大小的儀器:如圖5所示,U形液體壓強(qiáng)計,它主要由包了橡皮膜的金屬盒、橡皮管、旋鈕和U形管組成,用手輕壓橡皮膜,可觀察U形管兩端液面出現(xiàn)高度差;增大手的壓力,觀察到U形管兩端液面出現(xiàn)高度差變大;將金屬盒放入水中,觀察到U形管兩端液面出現(xiàn)高度差,說明液體內(nèi)部存在壓強(qiáng),U形管兩端液面高度差的大小反映液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小,這是一種“轉(zhuǎn)換法”;[2]金屬盒可以通過旋轉(zhuǎn)改變朝向,也可以改變在液體中的深度.課堂上讓學(xué)生練習(xí)使用U形壓強(qiáng)計,并比較水對粗筒、細(xì)筒底部的壓強(qiáng),發(fā)現(xiàn)兩者相等.此處的設(shè)計可謂是“一石二鳥”,既學(xué)會了壓強(qiáng)計的使用為后面的探究做好準(zhǔn)備,又得到了水的深度一樣,水對粗筒容器底部、細(xì)筒容器底部的壓強(qiáng)相等,進(jìn)一步分析即水對容器底部的壓強(qiáng)與液體的重力無關(guān)的結(jié)論實驗.通過前測找到學(xué)生的學(xué)習(xí)起點,引導(dǎo)學(xué)生走向?qū)W習(xí)目標(biāo),達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo),促進(jìn)素養(yǎng)的發(fā)展,達(dá)成育人目的.

圖5 U形液體壓強(qiáng)計

3 進(jìn)階探究,發(fā)現(xiàn)思維的深刻

我們的學(xué)科愿景:以物理知識為載體來滲透物理學(xué)科思想,實施科學(xué)探究,讓學(xué)生在學(xué)科素養(yǎng)表現(xiàn)中培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng).“液體的壓強(qiáng)”是蘇科版《物理》8年級下冊的內(nèi)容,此部分內(nèi)容比較抽象難懂.課標(biāo)對“液體壓強(qiáng)”的教學(xué)要求是“通過實驗,探究并了解液體壓強(qiáng)與哪些因素有關(guān)”.我們分析課標(biāo)的要求:重在讓學(xué)生充分經(jīng)歷探究過程,將思考的方法和過程展示出來.科學(xué)探究有提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計方案、收集證據(jù)、評價交流這些步驟,內(nèi)容較多,如何處理呢?近幾年,筆者一直在致力于“有空間感”的課堂探索,首先就要立足于“有限”,課堂上,我們學(xué)的東西必須是有限的,如果學(xué)習(xí)的東西太多就會把課堂空間塞滿,學(xué)生的思維會被縛住.只有有限的課堂,才能給學(xué)生的發(fā)展帶來無限的可能性![3]

我們要用“針尖的力量”,促進(jìn)思維的深刻性,而不是平均用力,學(xué)生會的不講,講了學(xué)生也不懂的也要少講,課堂主要是根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平,在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生能夠領(lǐng)悟和提升的那些內(nèi)容.我們重點選擇控制變量法的進(jìn)階使用重點突破.

教師演示用儀器:底部有橡皮膜的玻璃管、裝滿水的薄塑料袋、U形管壓強(qiáng)計、水、鹽水、盛水的大圓筒.學(xué)生用儀器:U形管壓強(qiáng)計、刻度尺、燒杯、水、鹽水、一個塑料袋、一段橡膠軟管、一個小漏斗、細(xì)棉線、1.5 m左右的細(xì)竹竿.

3.1 應(yīng)用控制變量法,進(jìn)行實驗探究

學(xué)生分組分別探究液體壓強(qiáng)與方向的關(guān)系、與深度的關(guān)系、與密度的關(guān)系.學(xué)生分組活動前教師利用問題鏈引導(dǎo)學(xué)生思考.實驗中應(yīng)該控制什么因素?如何改變其變量?如何比較液體內(nèi)部壓強(qiáng)的大小?實驗中觀察到什么現(xiàn)象?獲得什么結(jié)論?學(xué)生小組討論,教師巡視,為偏離航向的小組指導(dǎo)調(diào)整.[4]得出了:同一深度處液體向各個方向的壓強(qiáng)相等;同種液體內(nèi)部的壓強(qiáng)隨液體深度的增加而增大;同一深度處,液體的密度越大,液體的壓強(qiáng)越大.

3個探究實驗重在規(guī)范使用控制變量法,這是第一層次.

3.2 尋找實驗錯誤,理解控制變量法

在學(xué)生經(jīng)歷探究的過程中,去收集學(xué)生出現(xiàn)的問題,我們要通過評價促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí).例如有的組出現(xiàn)如圖6所示的情況.學(xué)生認(rèn)為該實驗可以得出:同一深度,液體的密度越大,液體的壓強(qiáng)越大.讓學(xué)生解釋時,發(fā)現(xiàn)學(xué)生將杯底到U形管壓強(qiáng)計的距離認(rèn)為是液體的深度,在評價中要讓學(xué)生認(rèn)識控制變量法的變量選擇必須準(zhǔn)確.這樣的測量是屬于科學(xué)方法應(yīng)用不到位,所以得到的結(jié)論是不可靠的.甄別并自覺使用控制變量法進(jìn)行探究,這是第二層次.

圖6 液體密度與壓強(qiáng)的關(guān)系

3.3 隨心所欲,不逾矩運用控制變量法

我們回到前測“水對甲、乙容器底部的壓強(qiáng)到底哪個大呢?”的實驗.剛才我們是用高的粗筒和細(xì)筒進(jìn)行的探究,現(xiàn)在我們改用桌上的粗細(xì)燒杯做一做,將粗細(xì)燒杯中倒入相等深度的紅色水.如圖7所示,其中一組學(xué)生把包了橡皮膜的金屬盒放到了粗的燒杯底部,讀了左右液面差,兩邊相差16格;然后再把它放到細(xì)的燒杯底部,讀了左右液面差,兩邊相差18格;兩次橡皮膜的金屬盒深度一樣,液體密度一樣,按理說得到的結(jié)論應(yīng)當(dāng)一樣,可是為什么最后得到的高度差不一樣?是不是偶然?結(jié)果發(fā)現(xiàn)全班各個小組都有這樣的情況.這是對控制變量的更高層級的一個使用,為何會出現(xiàn)如此情況?學(xué)生們經(jīng)過認(rèn)真的反思討論以后發(fā)現(xiàn),因為把包了橡皮膜的金屬盒放進(jìn)去以后,粗的燒杯里的液面上升的幅度小,細(xì)的燒杯里的液面上升的幅度大!學(xué)生豁然開朗.為何用大圓筒進(jìn)行實驗時,沒有這樣的現(xiàn)象,師生分析由于大圓筒中水多,包了橡皮膜的金屬盒放入水中水面的變化很小,可以忽略.

圖7 粗細(xì)燒杯測壓強(qiáng)

此處的控制變量法的使用展示了物理學(xué)科的靈魂,學(xué)生達(dá)到隨心所欲,不逾矩的自覺,這是第三層次.在3次使用控制變量法進(jìn)行探究中,規(guī)范使用控制變量法,這是第一層次;甄別并自覺使用控制變量法,這是第二層次;隨心所欲,不逾矩地自覺使用控制變量法,這是第三層次.

我們通過建設(shè)“有空間感”的課堂,用“針尖的力量”,促進(jìn)學(xué)生的思維走向深刻.在3次使用控制變量法中滲透了物理思想進(jìn)階,探究了液體壓強(qiáng)與方向的關(guān)系、與深度的關(guān)系、與密度的關(guān)系,實際上探究式學(xué)習(xí)方式本身也是學(xué)生重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容.

4 應(yīng)用創(chuàng)新,發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的價值

人是一顆蘆葦,因為思考才顯得高貴——帕斯卡爾.我們學(xué)習(xí)的目的不只是質(zhì)疑,更是為了創(chuàng)新,為解決探頭放入液體中液面上升對實驗的影響,我們要對實驗進(jìn)行改進(jìn),于是教師就提出:用如圖8裝置,如何操作來探究液體壓強(qiáng)與液體的重力關(guān)系?

圖8 改進(jìn)后裝置

4.1 裝置優(yōu)化改進(jìn)方法

學(xué)生分組討論,找出裝置改進(jìn)方法首先是隔板不要放在中間,要偏到一邊;其次要在兩邊加相同的液體到左右液面相平.這樣可以控制液體的深度一樣,兩邊的液體的重力不同.然后我們觀察橡皮膜,發(fā)現(xiàn)橡皮膜相平,說明橡皮膜左右兩邊的液體壓強(qiáng)相等,我們知道同種液體內(nèi)部,同一深度各個方向壓強(qiáng)相等,與橡皮膜同一深度的液體平面,受到向下的壓強(qiáng)都相等,由此判定:液體內(nèi)部的壓強(qiáng)與液體的重力無關(guān)!讓學(xué)生在不斷改進(jìn)優(yōu)化實驗的過程中,可以對“液體的重力越大,產(chǎn)生的壓強(qiáng)越大”錯誤前概念進(jìn)行轉(zhuǎn)變;可以深度考查學(xué)生應(yīng)用控制變量法的能力;可以考查學(xué)生對液體內(nèi)部壓強(qiáng)與方向的關(guān)系、與深度的關(guān)系的使用;可以考查學(xué)生將液體的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為橡皮膜的形變,將同一深度側(cè)面的壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為水平面的壓強(qiáng)等兩次靈活使用轉(zhuǎn)化法.讓學(xué)生領(lǐng)會了物理學(xué)科的靈魂,讓學(xué)生有證據(jù)地思考,有條理地思考,有深度地思考.

4.2 自制“帕斯卡裂桶實驗”演示器

下面我們各組利用桌上一個塑料袋、一段橡膠軟管和一個小漏斗、細(xì)棉線、1.5 m左右的細(xì)竹竿,制成了一個只要一杯水就可以讓塑料袋脹裂的壓強(qiáng)演示器.學(xué)生之間相互交流、相互啟發(fā)、動手實驗,多數(shù)小組采用圖9的方法用比較少的水,將小漏斗和橡膠軟管內(nèi)倒?jié)M水,用細(xì)竹竿提高小漏斗和橡膠軟管的高度,讓水的深度提高,產(chǎn)生相當(dāng)大的壓強(qiáng),各小組都能讓塑料袋脹裂,教室內(nèi)的學(xué)生興奮不已.教師再向?qū)W生介紹如圖10所示的帕斯卡裂桶實驗,剛才大家經(jīng)過艱辛的歷程探索得到,影響液體壓強(qiáng)的因素是液體的深度和液體的密度,跟液體的重力無關(guān).多年的教學(xué)經(jīng)驗告訴我們,與其教師把感受、結(jié)論、技能要點告訴學(xué)生,不如設(shè)計項目活動讓學(xué)生自己在體驗中、在探索中、在實踐中獲得.[5]

圖9 自制演示實驗

圖10 帕斯卡裂桶實驗

我們通過真實性項目:改進(jìn)實驗儀器、自制“帕斯卡裂桶實驗”演示器,讓學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的價值.這個真實性是區(qū)別于我們做試卷上題目的解題評價.例如說課本里一個題目,攔河大壩為什么上窄下寬?如果我們僅用這個題目評價學(xué)生學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)的效果,我們認(rèn)為是存在一個不良的導(dǎo)向,因為它沒有指向?qū)W習(xí)的經(jīng)歷,沒有指向?qū)W生的創(chuàng)造.一些教師可能壓縮學(xué)生的探究歷程,讓學(xué)生快速得到結(jié)論,依據(jù)結(jié)論解釋,因為上面的水深度小,壓強(qiáng)小,下面水深度大,壓強(qiáng)大,為了承受這個大的壓強(qiáng),底部要修厚一點.這樣的學(xué)習(xí)方式更偏向記憶,沒有體現(xiàn)出做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué),沒有體現(xiàn)出經(jīng)過探究發(fā)現(xiàn)規(guī)律之后來解決真實問題的價值.項目化評價PK解題評價,從分?jǐn)?shù)比較兩種評價方式,學(xué)生的得分可能差不多,但是從物理學(xué)科本質(zhì)的理解,從學(xué)科育人的角度而言,我們堅決提倡把解題變成做項目.讓學(xué)生始終對物理實驗充滿熱愛,自覺地運用物理規(guī)律來解決生活中真實存在的問題,我們要追求讓學(xué)生永葆好奇心、求知欲和理解力,這是學(xué)科育人的真正價值.

5 結(jié)語

我們理解的初中物理學(xué)科實踐:讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)著長大.親身體驗,發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的主題;思維沖突,發(fā)現(xiàn)教學(xué)的起點;進(jìn)階探究,發(fā)現(xiàn)思維的深刻;應(yīng)用創(chuàng)新,發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的價值.我們的目標(biāo)要通過學(xué)科實踐開展學(xué)科育人.通過前測找到教學(xué)的起點并依此教學(xué),讓學(xué)生學(xué)得進(jìn);同時結(jié)合材料,在教學(xué)中滲透物理學(xué)科的思想和方法,讓他們經(jīng)歷科學(xué)探究,發(fā)揮初中物理學(xué)科的最大育人價值.學(xué)生在物理探究問題過程中實現(xiàn)有證據(jù)地思考,有調(diào)整地思考,有深度地思考,讓學(xué)生想得透;最后我們要評價學(xué)科育人的成效,要讓學(xué)生能解決真實問題,在這個過程中發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng),讓學(xué)生用得出.教學(xué)中學(xué)生的思維經(jīng)歷了從低階走向高階,學(xué)生控制變量法的思想得到了進(jìn)階,轉(zhuǎn)化法的應(yīng)用能力有了提升,批判性思維變深刻、創(chuàng)造性思維變活躍.構(gòu)建了如圖11所示的科學(xué)思維層級關(guān)系圖.物理學(xué)科實踐,我們提倡讓每一個學(xué)生在學(xué)習(xí)中經(jīng)歷物理概念和物理規(guī)律的誕生和使用過程,讓探究與創(chuàng)造成為學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活方式,讓每一個學(xué)生創(chuàng)造著長大,發(fā)現(xiàn)著長大.

圖11