設(shè)計(jì)生活化實(shí)驗(yàn)　轉(zhuǎn)變浮力前概念*

薛　儉

(江蘇省太倉市陸渡中學(xué)，江蘇　太倉　215412)

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃專項(xiàng)課題《基于生活的問題導(dǎo)學(xué)策略在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究》(批準(zhǔn)號：E-c/2013/031)和“江蘇省太倉市吳志明正高級教師工作室”的研究成果之一.

設(shè)計(jì)生活化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變浮力前概念*

薛儉

(江蘇省太倉市陸渡中學(xué)，江蘇太倉215412)

*本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃專項(xiàng)課題《基于生活的問題導(dǎo)學(xué)策略在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用研究》(批準(zhǔn)號：E-c/2013/031)和“江蘇省太倉市吳志明正高級教師工作室”的研究成果之一.

摘要：錯(cuò)誤的前概念是影響學(xué)生學(xué)習(xí)新知識、建立新概念的重要障礙之一,本文以初中物理學(xué)習(xí)中學(xué)生存在的“浮力”錯(cuò)誤前概念為例，提出轉(zhuǎn)變前概念的教學(xué)策略：設(shè)計(jì)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，重建浮力概念；設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)確定浮力方向；探究實(shí)驗(yàn)，測量浮力大小；設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，探尋浮沉條件.

關(guān)鍵詞：生活化實(shí)驗(yàn)；浮力；前概念；概念轉(zhuǎn)變

1問題的提出

事實(shí)表明，學(xué)生總是帶著先前的觀念即前概念進(jìn)入物理學(xué)習(xí)，這種前概念對于物理學(xué)習(xí)，有的起促進(jìn)作用，也有的起阻礙作用.在浮力教學(xué)開始前，筆者設(shè)計(jì)了調(diào)查表對235位初二學(xué)生進(jìn)行了問卷調(diào)查，統(tǒng)計(jì)顯示：約63%的學(xué)生認(rèn)為，輕的物體上浮，重的物體沉底；約45%的學(xué)生認(rèn)為，體積越大的物體受到的浮力越大；約88%的學(xué)生認(rèn)為浮力是向上的，也可以斜著向上；約66%認(rèn)為鹽水是使雞蛋漂浮的原因；約78%的學(xué)生認(rèn)為熱氣球是因?yàn)闊釟庥猩ΑC上所述，發(fā)現(xiàn)除了少部分學(xué)生具備較準(zhǔn)確的前概念，大部分學(xué)生的錯(cuò)誤的前概念將會阻礙新知識的學(xué)習(xí).

2概念轉(zhuǎn)變的策略探討

究其原因，筆者認(rèn)為是由于學(xué)生缺乏對生活現(xiàn)象的仔細(xì)觀察和分析，如果教師利用生活素材，精心設(shè)計(jì)一些簡單易懂、生活化的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)操作，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，經(jīng)歷探究過程，讓再現(xiàn)的現(xiàn)象激發(fā)他們思維，與頭腦中前概念發(fā)生認(rèn)知沖突，產(chǎn)生思維矛盾，教師再順勢引導(dǎo)，幫助他們轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤前概念，進(jìn)而構(gòu)建正確的概念.

2.1設(shè)計(jì)體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，重建浮力概念

在學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)中，前概念的存在與發(fā)展已經(jīng)有了相當(dāng)長的時(shí)間，這種自發(fā)形成的認(rèn)知系統(tǒng)中,不少并非是正確的概念.比如，學(xué)生在日常生活中經(jīng)常看到鐵塊沉于水中而木塊漂于水面的現(xiàn)象，于是頭腦中就形成了鐵塊不受到水的浮力，而木塊受到水的浮力的前概念，這種錯(cuò)誤的前概念，給物理教學(xué)帶來一定阻礙作用.如何突破？筆者設(shè)計(jì)了學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，每組桌上體積從大到小依次放置石塊、木塊、鐵塊，現(xiàn)將石塊和木塊同時(shí)浸入水中，問放手后他們會怎樣？他們操作后發(fā)現(xiàn)：體積大的石塊沉底，而木塊上浮.持有“體積大浮力大、體積小浮力小”前概念的學(xué)生就難以解釋了……再將體積小的木塊和更小的鐵塊同時(shí)浸沒水中，放手后發(fā)現(xiàn)鐵塊下沉，木塊上浮，學(xué)生解釋是因?yàn)槟緣K受到浮力而鐵塊沒有，暴露其錯(cuò)誤前概念；接著，老師請學(xué)生將鐵塊掛在彈簧測力計(jì)測出重力大小，然后緩緩浸入水中，觀察到彈簧測力計(jì)示數(shù)變小了，表明鐵塊受到了一個(gè)向上的托力(如圖1、圖2).由此引發(fā)了學(xué)生思維沖突，老師再順勢啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生建立正確的浮力概念.

圖1

圖2

2.2設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)，確定浮力方向

調(diào)查表明，有88%的學(xué)生認(rèn)為浮力方向是向上的，大部分學(xué)生會聯(lián)想到潛水員從水里游向水面的畫面，或者相類似物體從水底上浮的情景，因此，他們認(rèn)為漂浮物體受到的浮力方向是向上的，可能偏左可能偏右，視具體情況而定.考慮到學(xué)生在學(xué)完重力知識后，知道重力的方向是豎直向下的，于是，筆者自制了一個(gè)重垂線；并將細(xì)線拴住小木塊，另一頭綁在鐵塊上，使它浮在水里，請學(xué)生觀察后自主判斷物體的受力方向(如圖3)，學(xué)生無論怎樣傾斜燒杯，小木塊下的細(xì)線始終與鉛垂線平行(如圖4)，通過對比，學(xué)生發(fā)現(xiàn)浮力的方向是豎直向上的.

圖3

圖4

1.3設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，測量浮力大小

圖5

研究浮力大小時(shí)，學(xué)生認(rèn)為大輪船受到的浮力一定大于小輪船受到的浮力.表明其大腦中形成前概念時(shí)，完全是自發(fā)性的，是站在自己的立場上，憑借自己的感性經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行構(gòu)建的.在他們的前概念里面，體積大浮力就大，這是一個(gè)模糊的前概念.為此，教師取兩個(gè)同樣大小的瓶子，一個(gè)裝滿小石塊，一個(gè)空瓶，分別測出在空氣中的物重，然后浸在水中，發(fā)現(xiàn)空瓶所受浮力小，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象再次和學(xué)生的前概念產(chǎn)生了沖突，思維再次發(fā)生了碰撞.這時(shí)教師啟發(fā)學(xué)生思考：浮力大小與哪些因素有關(guān)？選擇實(shí)驗(yàn)器材時(shí)，實(shí)驗(yàn)室溢水杯易碎且數(shù)量上不一定能滿足需要，教材建議將燒杯側(cè)放當(dāng)成溢水杯，又不利于器材穩(wěn)定，操作時(shí)會引起誤碰燒杯使其跌落的危險(xiǎn).筆者在課前發(fā)動學(xué)生，利用一次性紙杯，每組自制一個(gè)，如圖5所示，讓阿基米德實(shí)驗(yàn)成為人人可完成的探究實(shí)驗(yàn).學(xué)生利用自制的實(shí)驗(yàn)器材，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)，測量浮力的大小，進(jìn)而理解了浮力大小只與液體密度和物體排開液體的體積有關(guān)，澄清了一些模糊的前概念.

1.4設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，探尋浮沉條件

學(xué)生在學(xué)習(xí)物理之前已有十多年的生活經(jīng)驗(yàn)，接觸到許多生活現(xiàn)象，由于缺少足夠的觀察與分析能力，對一些比較抽象的物理知識，很少有正確的前概念.如物體的浮與沉，是浮力教學(xué)的難點(diǎn)和重點(diǎn)，涉及到兩個(gè)力的大小比較，之前的學(xué)習(xí)中，沒有研究過二力平衡，學(xué)生沒有二力比較的思想，對抽象的規(guī)律沒有深入思考，大多只是停留在對一些簡單現(xiàn)象的解釋：魚兒上浮是因?yàn)槲肟諝猓强諝鈳铀仙瑹釟馇蛏仙且驗(yàn)闊釟庥猩铀仙?教材沒有設(shè)計(jì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，如果老師只是簡單的講授，往往達(dá)不到良好教學(xué)效果.

針對上述困難，筆者設(shè)計(jì)了系列學(xué)生實(shí)驗(yàn)予以突破，讓學(xué)生進(jìn)行小組合作探究，在小組合作交流中，學(xué)生會用前概念觀點(diǎn)解釋問題，暴露對當(dāng)先現(xiàn)象的理解，教師再從學(xué)生交流中探知學(xué)生的前概念，以此引導(dǎo)學(xué)生思維，幫助學(xué)生豐富原來比較粗淺的前概念.

實(shí)驗(yàn)一：將一個(gè)鐵質(zhì)螺帽球塞入玩具氣球內(nèi)，吹口處用透明膠將飲料吸管和口封住，浸入水中，學(xué)生看到氣球沉入水底，因?yàn)闅馇蚶锩嬗幸粋€(gè)玻璃球，用嘴對氣球，學(xué)生觀察到氣球浮起來了，如圖6-8所示，探究在重力不變時(shí)，物體如何實(shí)現(xiàn)浮沉.

圖6

圖7

圖8

實(shí)驗(yàn)二：將一個(gè)藥瓶去除鋁蓋，瓶口拴細(xì)線，在瓶中裝入適量的水，課前教師反復(fù)調(diào)整裝入水的量，使瓶子懸浮在玻璃瓶里，提出問題：如何使小瓶上浮或下沉？學(xué)生經(jīng)過思考就會回答：加水下沉，倒掉水上浮.如圖9-11所示，探究物體浮力不變是如何實(shí)現(xiàn)浮沉的.

圖9

圖10

圖11

實(shí)驗(yàn)三：雞蛋放入水中

處于下沉狀態(tài)，桌上有一袋食用鹽，問題：如何使雞蛋上浮？學(xué)生將鹽加入水中，不斷攪拌，一會兒雞蛋就會上浮了(如圖12、13).

圖12

圖13

當(dāng)完成實(shí)驗(yàn)后請學(xué)生填寫表格，完成知識歸納.

序號操作方式重力G浮力F狀態(tài)力的大小關(guān)系生活中的應(yīng)用小結(jié)1未吹氣不變不變下沉FG熱氣球3未加水不變不變懸浮F=G4減少水變小不變上浮F>G5增加水變大不變下沉FG當(dāng)FG時(shí)物體下沉

三個(gè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)浮沉的方法分別是：①同種液體中重力不變，通過改變V排來改變浮力大小實(shí)現(xiàn)浮沉變化；②同種液體中浮力不變，改變重力實(shí)現(xiàn)浮沉變化；③物體重力不變，通過改變ρ液來改變浮力實(shí)現(xiàn)浮沉變化.學(xué)生發(fā)現(xiàn)：物體的浮沉不僅僅由浮力決定，也不僅僅由重力決定，而是由浮力和重力共同確定的.在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生逐步糾正錯(cuò)誤前概念，建立科學(xué)知識.可見，設(shè)計(jì)系列實(shí)驗(yàn)，對于再現(xiàn)物理現(xiàn)象、研究物理規(guī)律有著的重要作用，是轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤前概念、構(gòu)建新概念的重要方法.

3結(jié)語

前概念是在現(xiàn)實(shí)生活中認(rèn)識事物的一個(gè)有意義的課程資源.了解學(xué)生頭腦中存在著哪些前概念，就需要找到形成前概念的現(xiàn)象，找到轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤前概念的辦法.首先，需有針對性地設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)象，讓學(xué)生用自己的前概念去對事例或現(xiàn)象進(jìn)行解釋，使他們產(chǎn)生認(rèn)知上的沖突，當(dāng)大腦中的原有概念與面臨的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)生無法調(diào)和的矛盾時(shí)，就會產(chǎn)生改變認(rèn)知結(jié)構(gòu)的需要.然后，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)歸納，使學(xué)生構(gòu)建科學(xué)的物理概念，并把它應(yīng)用到更廣泛的生活中去，培養(yǎng)學(xué)生用新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，解決更多的物理問題.當(dāng)學(xué)生運(yùn)用新知識順利解決多年懸而未決的疑惑時(shí)，就會加深對新知識的理解，提升自身的科學(xué)素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

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唐曉挺.淺層與深層生活物理問題的相互融合.物理之友，2015,31(2)：23-25.

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