數(shù)字化賦能探究實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的實(shí)踐探索
——以“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為例

劉展鷗

(上海市民辦新復(fù)興初級(jí)中學(xué),上海 200081)

1 方案辨析

初中必做實(shí)驗(yàn)之一“探究浮力大小與哪些因素有關(guān)”,在課標(biāo)示例中僅要求“用水、鹽水、金屬塊、彈簧測(cè)力計(jì)等,探究金屬塊所受浮力與哪些因素有關(guān)”,[1]但實(shí)驗(yàn)結(jié)論“浮力大小F浮與浸入液體體積V浸和液體密度ρ液有關(guān)”與阿基米德原理尚有差距.若直接給出阿基米德原理,則與課標(biāo)倡導(dǎo)的“基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”[1]的要求相悖.為此文獻(xiàn)[2]也希望實(shí)驗(yàn)可以拓展為探究F浮是否與V浸成正比及F浮是否與ρ液成正比,并給出了活動(dòng)建議.

現(xiàn)行諸多初中教材也均對(duì)此作出優(yōu)化設(shè)計(jì),以人教版為例,就在第10章中設(shè)置了兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn),如圖1和圖2所示.[3]

圖1 實(shí)驗(yàn)1:探究浮力大小與哪些因素有關(guān)

圖2 實(shí)驗(yàn)2:探究浮力大小跟排開(kāi)液體所受重力的關(guān)系

對(duì)于教材方案,大量文獻(xiàn)基于認(rèn)知理論做了研究.例如文獻(xiàn)[4]認(rèn)為實(shí)驗(yàn)原理不夠顯性,且不能動(dòng)態(tài)地展示出F浮與G排的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)增加了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷.文獻(xiàn)[5]認(rèn)為探究的各階段學(xué)生被“強(qiáng)勢(shì)引導(dǎo)”,且實(shí)驗(yàn)線索太多,應(yīng)為學(xué)生搭建認(rèn)知的“腳手架”.

諸多文獻(xiàn)基于問(wèn)題改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)方案,大致可分為三類(lèi).第一類(lèi)是文獻(xiàn)[6][7]的方案:通過(guò)改造測(cè)力計(jì)的刻度板,學(xué)生可在測(cè)力計(jì)上直接讀出F浮和G排,如圖3所示.第二類(lèi)是文獻(xiàn)[4][8]的方案:回避測(cè)量F浮和G排,如圖4和圖5所示.第三類(lèi)是文獻(xiàn)[1][2][9]的方案:學(xué)生可通過(guò)改變浸入液體的小球個(gè)數(shù)或調(diào)節(jié)量筒下方的小型升降臺(tái)精確控制V浸,如圖6所示.

圖3 改造彈簧測(cè)力計(jì)

圖4 直接測(cè)m砝碼和m排

圖5 杠桿恢復(fù)平衡證明F浮=G排

圖6 精確控制V浸

上述方案有著共同的目標(biāo):減少測(cè)量次數(shù),整合實(shí)驗(yàn)步驟,降低認(rèn)知負(fù)荷;精確控制V浸,支撐探究活動(dòng).能否利用力傳感器可以清零及數(shù)字化平臺(tái)擅長(zhǎng)記錄和分析數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)達(dá)成這一目標(biāo)呢?對(duì)此文獻(xiàn)[10]～[12]均做了積極的嘗試,但方案普遍存在傳感器連線復(fù)雜和懸掛裝置不穩(wěn)定的缺點(diǎn),且均為教師引導(dǎo),未有學(xué)生自主探究的數(shù)字化活動(dòng)方案.“學(xué)習(xí)活動(dòng)方式越復(fù)雜,所引起的外在認(rèn)知負(fù)荷越大,學(xué)習(xí)的效率越低.”[4]若呈現(xiàn)在學(xué)生面前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材連線過(guò)于復(fù)雜,則他們的注意力資源會(huì)被無(wú)謂地消耗.若學(xué)生面對(duì)的軟件界面不甚友好,則他們需要對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行額外的認(rèn)知加工,難以“使學(xué)習(xí)者的認(rèn)知資源用于直接從事更高級(jí)的認(rèn)知加工”.[4]

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了充分發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì),使之能有效服務(wù)于課堂教學(xué),應(yīng)盡量降低數(shù)字化器材的學(xué)習(xí)成本.因此本方案的傳感器應(yīng)具有數(shù)顯模塊,學(xué)生可實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)變化(如圖7).傳感器數(shù)據(jù)應(yīng)無(wú)線傳輸至學(xué)生端和教師端(如圖8),省去復(fù)雜的連線,快速地分享數(shù)據(jù),可以“實(shí)現(xiàn)一對(duì)多,多對(duì)多的課堂互動(dòng),讓更多的學(xué)生思維活動(dòng)可視化,被分享,被關(guān)注”.[13]

圖7 學(xué)生端通過(guò)掃碼與傳感器建立連接

圖8 學(xué)生記錄數(shù)據(jù)同步顯示在教師端

在數(shù)字化配套設(shè)施改進(jìn)的支撐下,循著眾多文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)方案思路,筆者進(jìn)行了實(shí)踐研究.在猜想階段,部分學(xué)生會(huì)猜想F浮可能與“物體面積”“物體形狀”“物體長(zhǎng)度”等有關(guān),對(duì)于這類(lèi)猜想可以改變橡皮泥制成物體的形狀,先后浸沒(méi)在液體中,發(fā)現(xiàn)F浮不變,即可排除F浮與這些因素的關(guān)系.更多的學(xué)生基于情境與體驗(yàn)會(huì)猜想F浮可能與V浸、V排或G排有關(guān),或基于前概念猜想F浮可能與深度h、液體密度ρ液有關(guān).

對(duì)于深度h,筆者贊同文獻(xiàn)[14]的觀點(diǎn):“我們可以很容易通過(guò)物體浸沒(méi)后,改變深度,浮力不變的現(xiàn)象得出浮力大小與深度無(wú)關(guān).”完全不必和學(xué)生糾纏“浸沒(méi)前深度”和“浸沒(méi)后深度”.

對(duì)于V浸、V排兩者的辨析,筆者也認(rèn)可文獻(xiàn)[14]的研究成果:就是應(yīng)在學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中具備認(rèn)知同化的條件后再做處理,所以先引導(dǎo)學(xué)生分析V排與G排的關(guān)系,自然地歸并V排和G排兩項(xiàng)猜想.最后綜合文獻(xiàn)[14][15]的研究成果,基于“認(rèn)知發(fā)展的探究模型”,學(xué)生活動(dòng)可分別探究F浮與G排、F浮與V浸、F浮與ρ液的關(guān)系.在器材準(zhǔn)備上只需滿足可直接測(cè)量F浮,精準(zhǔn)改變V浸,精確測(cè)出G排,且液體種類(lèi)可供選擇,即可滿足學(xué)生多元化的探究需求.

2.1 裝置初探

基于上述分析,筆者設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置.如圖9所示,力傳感器下掛圓柱體后清零,直接測(cè)出F浮.如圖10所示,上方力傳感器測(cè)出F浮的同時(shí),下方已清零的電子天平可直接測(cè)出物體排開(kāi)液體的質(zhì)量m排.

圖9 探究F浮與V浸裝置

圖10 探究F浮與G排裝置

然而課堂實(shí)踐暴露了上述裝置的缺點(diǎn):學(xué)生可以通過(guò)調(diào)節(jié)升降支架改變量筒的上下位置,從而改變V浸,但擰動(dòng)螺絲調(diào)節(jié)支架高度時(shí),為避免量筒晃動(dòng),需另一位學(xué)生摁住支架的底部.若改為調(diào)節(jié)懸掛傳感器的十字夾,則操作更為繁復(fù).電子天平可直接測(cè)出m排,但需要學(xué)生計(jì)算得出G排后再與F浮比較,多了一層認(rèn)知加工.

2.2 探究F浮與V浸的關(guān)系

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化操作,需要設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)用的支架.如圖11所示,通過(guò)旋轉(zhuǎn)支架上的旋鈕可以精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)V浸.現(xiàn)在的學(xué)生不愧是數(shù)字化時(shí)代的原住民,實(shí)測(cè)包含實(shí)驗(yàn)器材熟悉過(guò)程,他們測(cè)量4組數(shù)據(jù)僅耗時(shí)4～6 min.如圖12所示,學(xué)生的數(shù)據(jù)可以通過(guò)屏幕實(shí)時(shí)展示,隨著課堂活動(dòng)推進(jìn),學(xué)生利用學(xué)生端平臺(tái)繪制出F浮隨V浸變化的圖像.

圖11 探究F浮與V浸升降支架

圖12 探究F浮與V浸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析過(guò)程

2.3 探究F浮與G排的關(guān)系

如圖13是探究F浮與G排關(guān)系的實(shí)驗(yàn)裝置,其測(cè)量浮力的方法與圖11裝置相同.實(shí)驗(yàn)前加水至溢水杯的溢水口,然后將兩個(gè)力傳感器均清零.物體浸入液體后,物體排開(kāi)液體流入溢水杯下方的燒杯中,下方的力傳感器可直接測(cè)出G排.實(shí)測(cè)學(xué)生完成5組實(shí)驗(yàn)僅耗時(shí)3～4 min,如圖14所示,兩個(gè)傳感器示數(shù)基本相同,可得出F浮=G排的實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

圖13 探究F浮與G排升降支架

圖14 探究F浮與G排的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.4 探究F浮與ρ液的關(guān)系

教師依據(jù)學(xué)生的猜想提供給他們不同種類(lèi)的液體.除了水之外,曾提供過(guò)飽和食鹽水,但實(shí)驗(yàn)尚未開(kāi)始,鹽晶體就開(kāi)始析出,實(shí)驗(yàn)效果并不佳.采用酒精和煤油效果很明顯,但是這些液體都易燃且有氣味,不適合學(xué)生活動(dòng).最終采用了飽和硫酸銅溶液達(dá)成了預(yù)期,如圖15所示.

圖15 采用不同種類(lèi)液體小組的F浮與V排關(guān)系圖像

經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)探究,學(xué)生做好了“認(rèn)知同化”的準(zhǔn)備,最后分析得出V浸=V排.“在定量探究中將V排和G排與F浮先后建立關(guān)聯(lián)后”,[15]路徑直指浮力大小的本質(zhì)探究——“F浮與V排成正比”和“F浮=G排”這兩個(gè)結(jié)論是否存在關(guān)聯(lián)?學(xué)生思考后推導(dǎo)得出F浮=G排=m排g=ρ液V排g,兩個(gè)結(jié)論殊途同歸!本方案在一節(jié)課中充分 “發(fā)揮學(xué)生的積極性和主動(dòng)性,給學(xué)生留出了恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間和空間,讓學(xué)生在不斷探索中發(fā)展核心素養(yǎng)”.[2]

3 策略與反思

3.1 教具設(shè)計(jì)制作策略

自制升降支架為學(xué)生基于可靠證據(jù)得出完整的結(jié)論提供了支撐.為了便于學(xué)生坐姿讀數(shù),支架的高度設(shè)計(jì)為51 cm,為避免晃動(dòng),圓柱體與測(cè)力計(jì)之間不能有懸線,這就要求量筒高度不能超過(guò)15 cm.如此一來(lái)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量范圍超過(guò)25 mL的量筒均不能使用.而5 mL與10 mL的量筒口徑僅有1.2～1.5 cm,導(dǎo)致圓柱體必須做得細(xì)長(zhǎng),上下調(diào)節(jié)范圍變小.最后才找到一款口徑4 cm、高10 cm的塑料量筒,并依據(jù)量筒口徑制作了圓柱體.

如圖16所示,傳感器下掛圓柱體后總質(zhì)量120 g左右,加裝數(shù)顯模塊后,左右長(zhǎng)足有30.3 cm,為避免支架傾倒,下方有機(jī)玻璃底座設(shè)計(jì)為長(zhǎng)24 cm、寬13 cm.

圖16 實(shí)驗(yàn)支架設(shè)計(jì)

關(guān)于教具制作,文獻(xiàn)[16]提出利用生活中諸如棉繩、塑料碗等低成本物品作為原材料.但是成品缺乏工業(yè)級(jí)的可靠性,僅可用于教師演示,不太適合批量的學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng).

文獻(xiàn)[17]采用現(xiàn)代加工技術(shù)提升了自制教具水平,但是需要教師具有初步的設(shè)計(jì)繪圖能力,也需要3D打印、激光切割等設(shè)備.

筆者認(rèn)為一線普通教師制作活動(dòng)類(lèi)教具的最佳策略應(yīng)是尋求與專(zhuān)業(yè)人員的合作.例如:支架的尺寸等細(xì)節(jié),如何調(diào)整高度等需求應(yīng)由教師基于活動(dòng)去設(shè)計(jì),而制作加工則由專(zhuān)業(yè)人員完成.

3.2 數(shù)據(jù)偏差應(yīng)對(duì)策略

力傳感器的示數(shù)精確到0.01 N,也精準(zhǔn)地反映出了一些系統(tǒng)誤差.圓柱體最先用尼龍加工而成,其直徑僅比量筒小0.1 cm,且不與水浸潤(rùn).如表1所示,當(dāng)柱體V浸小于10 cm3時(shí),測(cè)得F浮與理論值差異很大.可能是受表面張力影響,也可能是圓柱體和量筒內(nèi)壁發(fā)生了觸碰.最后通過(guò)反復(fù)測(cè)算,筆者采用了直徑為3 cm的圓柱體,綜合考慮了材料成本和防銹兩方面因素,圓柱體采用金屬鋁制成.

表1 V浸較小時(shí)F浮的偏差

在最初的實(shí)踐中,G排總比F浮略小0.02～0.04 N,如表2所示,在排除了其他原因后,筆者最終把問(wèn)題鎖定在圖17所示的溢水杯A上,溢水杯A雖然有一個(gè)直徑1.5 cm的管狀溢水口,但是每次流速會(huì)迅速變慢,然后一部分水殘留在管口呈水滴狀.通過(guò)查閱文獻(xiàn)[18]得知,溢水杯A的溢水口可被定義為“孔口”,而圖18所示的溢水杯B的溢水口被定義為“管嘴”.相同情況下,“管嘴出流大于孔口出流的流量”.[18]且溢水杯B的水流充盈整個(gè)溢水口,受到氣流影響很小,溢口向下傾斜,液體殘留非常少.

表2 G排比F浮略小

圖17 溢水杯A

圖18 溢水杯B

更換為溢水杯B后,情況立刻得到了改善,但它也有缺點(diǎn),就是最后3～4滴排出的液體需經(jīng)2～3 s方能全部滴完,此時(shí)測(cè)出的F浮和G排才恰好相等.如果學(xué)生未等液體全部滴完就記錄數(shù)據(jù),則仍會(huì)出現(xiàn)測(cè)得的G排小于F浮的情況.

對(duì)上述兩種情況,不少教師的應(yīng)對(duì)策略是增大實(shí)驗(yàn)用物體體積,文獻(xiàn)[19]正是基于這一思路,提出了增大物體體積和自制大溢水杯的實(shí)驗(yàn)方案.因?yàn)橥粋€(gè)溢水杯每次殘留的排開(kāi)液體重力ΔG排是基本不變的,增大物體體積可以增大G排,進(jìn)而使相對(duì)誤差ΔG排/G排變小.筆者認(rèn)可文獻(xiàn)[19]的辛勤付出,但若不去掩飾誤差,而是與學(xué)生一起分析誤差的成因則更有利于科學(xué)態(tài)度的養(yǎng)成.例如在課堂實(shí)踐中,教師請(qǐng)學(xué)生回憶實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程,分析誤差成因,同組學(xué)生立刻回憶起數(shù)據(jù)記錄員點(diǎn)擊“記錄”按鈕時(shí),溢水口還有水在滴落.教師也立刻肯定了該小組成員實(shí)事求是的態(tài)度和敢于質(zhì)疑的精神.

而對(duì)于前述表1中存在明顯問(wèn)題的數(shù)據(jù),則可以通過(guò)圖像法分析后予以剔除,這也是學(xué)生習(xí)得數(shù)據(jù)分析與處理方法的良好素材.當(dāng)然這些課堂資源的生成依賴(lài)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)和快速.

數(shù)字化平臺(tái)和器材的改進(jìn)為學(xué)生提供了簡(jiǎn)潔且豐富的探究活動(dòng)空間,為他們預(yù)留了積極思考、充分交流的時(shí)間.但是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)只是“賦能”而非“全能”,一節(jié)好課僅有教學(xué)資源是不夠的,還需要單元視角下的課堂活動(dòng)去推動(dòng),數(shù)字化器材方可真正賦能課堂教學(xué),為教學(xué)減負(fù)增效.[13]因而基于本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)探索則是另外一個(gè)重要的研究課題.