基于科學探究體驗 發展學生核心素養
——以初中物理“浮力”為例

梁 建 葉志兵 張 杰 朱翠芹

基于科學探究體驗 發展學生核心素養
——以初中物理“浮力”為例

梁 建1葉志兵2張 杰1朱翠芹1

（1．江蘇省宿遷市沭陽縣沭陽如東實驗學校，江蘇沐陽 223600；2．江蘇宿遷市沭陽縣教育局，江蘇沭陽 223600）

核心素養的提出拉開了我國基礎教育改革的新一輪大潮，改革的重任落在一線教師的肩上．教師只有深挖教材內容，創設有利于培養核心素養的科學探究問題，才能有效的落實國家提出的核心素養發展要求．文章以初中物理《浮力》為例，詳細介紹了如何利用科學探究體驗，發展學生的物理核心素養．

科學探究；核心素養；終身學習

教育部在2014年3月30日印發了《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，第一次明確提出了“核心素養”的概念，明確指出各級各類學校要將核心素養的發展落實到各學科的教育教學中．［1］在2016年6月3日，世界教育創新峰會（WISE）與北京師范大學中國教育創新研究院聯合對外發布了《面向未來：21世紀核心素養教育的全球經驗》研究報告，該報告總結的核心素養主要有七大方面：溝通與合作、創造性與問題解決、信息素養、自我認識與自我調控、批判性思維、學會學習與終身學習以及公民責任與社會參與．［2］

在物理教學中，核心素養又是如何定位的呢？如何發展學生的核心素養呢？筆者認為中學物理學科核心素養是在三維目標的基礎上提出的，是對三維目標要求的“升級”，指向教育的終極目的．中學物理學科核心素養主要體現在以下幾個方面，物理基本概念，問題解決能力，邏輯思維，知識結構，科學研究方法、科學創新、信息素養、數學工具．物理學科要落實核心素養的培養，科學探究是必不可少的重要組成部分，是發展學生物理核心素養的有效途徑．本文將以蘇科版初中物理“浮力”為例，闡述如何利用科學探究發展學生的物理核心素養．

1 體驗浮力，自主建構核心概念

浮力作為初中物理的核心概念，絕大多數版本的教材是采用了圖片引入，如輪船漂浮在水面、人漂浮在死海等．由于每個學生的生活經歷不同，學生對浮力的理解是不完整的，缺少對浮力的感受，將簡單的圖片引入改為實驗探究，能讓學生體驗到浮力，自主建構浮力的概念．

圖1

師：請同學們將實驗桌上的易拉罐緩慢壓人水中，然后告訴老師，你有什么發現？（學生將易拉罐緩慢壓入水中，互相交流自己的感受）

生：將易拉罐壓入水中，感覺到水對易拉罐有股向上“頂的力”，阻礙易拉罐浸入水中．

教師用手托起黑板擦，演示黑板擦受到向上的托力，引導學生類比思考：易拉罐也受到水施加的向上的托力——浮力．

師：你能舉出生活中存在浮力的事例嗎？

生：躺在浴缸中，身體逐漸下沉，但是感覺到身體好像在變輕，浴缸中的水溢出了．

易拉罐是學生易得到的物品，充分利用廢棄物品開展初中物理實驗教學，能培養學生節儉的品質；成功體驗浮力的喜悅情緒，能有效改變學生對本課的畏難心理狀態．［3］

2 自制浮力方向演示器，提升問題解決能力

通過設計將易拉罐壓入水中感受浮力的教學，使學生知道了浸沒在液體中的物體受到浮力，但是對浮力方向缺乏正確的認識．

教師課前準備好乒乓球、細線、鐵塊、細針、剪掉開口的廢棄礦泉水瓶等器材．

師：力的三要素指的是力的大小、方向和作用點，那么浮力的方向如何呢？哪位學生講下自己的看法．

學生A：斜向上．學生B：豎直向上．

師：浮力的方向究竟是怎樣的呢？請同學們利用桌上的器材，自己設計實驗，探究浮力的方向．（教師巡回指導）

學生自制浮力方向演示器如圖2、3所示．

圖2

圖3

通過將自制的浮力方向演示器適當傾斜，學生能夠直觀的體驗到浮力的方向和乒乓球重力的方向相反，即豎直向上．在自制浮力方向演示器的過程中，小組成員互相幫助，既鍛煉了學生的動手合作能力，又培養了創造性與問題解決的能力．

3 分析浮力產生原因，鍛煉邏輯思維

初中階段的學生仍然停留在“經驗性”思維階段，對于物理現象的本質原因缺乏深入的邏輯思考．教材舍棄了浮力的產生原因，表面看是為了降低學生學習的難度，但是通過對學情的分析不難發現，完全可以利用實驗現象與學生的直覺經驗的沖突，激發學生的內驅力，再引導學生利用前一節學習的液體壓強知識，分析浮力產生的原因．

師：如果老師向裝有乒乓球的去底飲料瓶倒水，乒乓球能浮起來嗎？

生：能，乒乓球收到水的浮力．

師：請同學們利用桌上的器材，檢驗自己的猜想．

學生完成實驗如圖4．

師：乒乓球為什么沒有浮起來？

圖4

圖5

生：受到水對它的向下的壓強．

師：請同組的另外一個學生將瓶蓋擰緊，

你又看到了什么現象？怎么解釋呢？

學生C：乒乓球浮起來了．（如圖5）

學生D：乒乓球上下兩個表面在水中的深度不同，存在壓強差，于是在乒乓球上下兩個表面產生了壓力差．

師：浮力的本質是什么呢？

生：液體對物體上下兩個表面的壓力差．

教師在教學過程中，應該根據學生的基礎情況，引導學生對浮力產生原因作適當的分析讓學生不僅“知其然”，還要“知其所以然”．利用實驗探究，引發學生認知沖突，突破浮力計算的第一種方法——“壓力差法”．

4 “拉力差法”測浮力，避免知識負遷移

教材中將浮力測量的方法稱之為稱重法，筆者認為容易讓學生產生誤解，部分學生會產生這樣的認識：物體在氣體和液體中各有一個重力．所以在課堂教學中，筆者將“稱重法”更名為“拉力差法”．［4］

師：將石塊投入水中，石塊下沉，石塊受到水的浮力嗎？

生：石塊上下兩個表面有壓力差，所以受到水的浮力．

師：同學們有什么樣的實驗設計能證明水中的石塊也受到水對它的浮力呢？

學生設計完成實驗．在空氣中將小石塊懸掛在彈簧測力計下，彈簧測力計示數為F1，測出小石塊的重力G，F1＝G．接下來將小石塊浸沒在水中（小桶中裝滿水，如圖6、圖7），彈簧測力計也有個示數F2，浮力大小F?。紽1－F2．

圖6

圖7

“拉力差法”強調彈簧測力計前后兩次的拉力不同，“拉力差”即浮力的大小，學生容易理解記憶，能有效避免學生對浮力測量的錯誤認識．

5 規范影響浮力大小因素的猜想，滲透科學研究方法

在學習浮力之前，學生基于生活經驗的“前概念”很多．教師如果對浮力大小因素的猜想不作引導，學生就會胡猜亂想，看似發散了學生思維，實則給學生留下了諸多疑惑，面對教師的結論，學生“口服心不服”．所以在設計猜想的過程中，要注意滲透科學研究方法．

師：大家看到雞蛋沉在燒杯底部，如果老師往水中加濃鹽水，會有什么現象發生呢？

教師演示實驗，學生仔細觀察．

生：雞蛋浮起來了．

師：雞蛋受到的浮力與什么因素有關呢？

生：浮力大小與液體的密度有關．

師：在用“拉力差法”測浮力的過程中，大家有沒有注意到小燒杯中的部分水溢出到了大燒杯中．將小石塊浸沒在水中的體積越多，小燒杯溢出的水也越多．

學生E：浮力與石塊浸沒在水下的體積有關．

學生F：石塊浸在水中的深度越深，彈簧測力計的示數就越小，浮力越大，所以說浮力與石塊在水中的深度有關．

針對學生提出的浮力大小和深度有關的猜想，采用如圖8、9的實驗操作．

圖8

圖9

師：同學們的猜想是浮力的大小與液體密度、浸在水中的體積、深度有關．那么在實驗探究過程中應采用什么樣的研究方法呢？

控制變量思想作為初中學生接觸到的第一個科學思想方法，只要教師稍加點撥，學生便可想到，實驗探究中需要控制液體密度和石塊浸在水中的體積相同，只改變石塊浸在水中的深度．學生將石塊浸入水中，使燒杯中的水面前后兩次均達到相同的刻度A點，控制石塊浸在水中的體積相同，深度不同，觀察彈簧測力計示數相同．（如圖8、9）

師：兩次實驗彈簧測力計示數相同，說明了什么？

生：浮力大小與物體浸在液體中深度無關．

師：浮力與石塊浸在液體中的體積關系，又該怎么探究呢？

學生設計圖10、11的實驗方案．將石塊浸入水中相同深度，兩石塊排開水的體積不同，記錄彈簧測力計示數，利用“拉力差法”測出兩次浮力大?。?/p>

深度的教學是本課的一個難點，很多教師覺得實驗不好處理，于是就出現了“講實驗”代替“做實驗”，這樣學生并沒有領悟到浮力和物體浸在液體中的深度、體積的關系，即使到了初三復習階段，還會有學生存在認為浮力和深度部分相關的錯誤認識．在整個猜想環節，滲透科學研究方法，通過教師有引導的猜想，學生的積極科學探究，就會自我生成浮力和深度無關，與浸在液體中的體積有關的結論．

圖10

圖11

6 自制排水法測浮力，培養科學創新能力

由于本課的教學思維跨度大，學生很難想到浮力大小與排開液體的重力有關，教師對于本環節的教學處理，就要多聯系“拉力差法”測浮力．在“拉力差法”測浮力探究活動中，學生會觀察到在將小石塊放入裝滿水的小燒杯后，溢出了部分水到大燒杯中，而且小石塊浸在水中的體積越大，溢出的水也越多，激發學生將浮力和石塊排開的水聯系起來，并作出合理的猜想假設．

師：我們已經學習了“拉力差法”測浮力，請同學們思考：怎樣測出小石塊排開的水的重力呢？請同學們小組合作利用桌上的實驗器材設計并完成實驗探究．

師：哪位學生愿意到前面來展示自己的實驗過程？

學生展示實驗裝置（如圖12）．

生：在一去底的飲料瓶內插入一根吸管，然后倒入適量水至吸管的上口部．首先測出飲料瓶底的重力G瓶底，然后將石塊完全浸沒瓶內的水中．采用“拉力差法”測出石塊受到的浮力F浮，再測出裝有溢出水的飲料瓶底總重力G總，溢出的水重力G溢水＝G總－G瓶底，通過全班大量的實驗數據分析發現，F?。紾溢水．

通過實驗創新，把教材采用的排水法測浮力生活化，所用的器材是廢棄的飲料瓶，要求學生不唯教材，而又參考教材完成實驗創新設計．將教材的溢水杯替換成去底的飲料瓶，燒杯替換成飲料瓶的底部，器材組裝時間大約在5min，但是卻能夠提升學生創新實驗后的滿足感，小組合作完成排水法測浮力，團隊合作意識也得到了強化培養．

圖12

7 挖掘隱含條件，培養信息素養

信息素養是核心素養的重要組成部分，除了廣義上理解的利用書籍、網絡等獲取信息的能力，還包括狹義上理解的利用已知的語言、肢體動作等獲得信息的能力．在浮力教學中教師的語言、肢體動作等同樣能夠起到培養學生的信息素養．

師：請同學們注意老師手里面的鋁球，它的重力27N，現在把它浸沒水中，松開手．請問同學們這個鋁球受到的浮力是多大呢？

教師并沒有直接說出水的密度以及鋁球浸沒在水中的體積，增加了問題的難度．學生通過之前的學習，已經建立了計算浮力大小的模型．教師引導學生從浮力模型出發，自主挖掘隱含條件，有利于培養學生的信息素養．

8 習題教學探究化，強化數學工具運用

習題教學是物理教學必不可少的環節，能夠起到鞏固所學知識的作用．浮力難學難教已成為廣大師生的共識，教師在教學中切不可采取“題海戰術”，而應在題海中選擇可具探究性的習題．通過探究化的習題教學，強化學生對于數學工具的使用．

例題．（2014南通中考改編）如圖13所示，一底部裝有閥門的圓柱形容器放在水平桌面上，一木塊漂浮在水面上，將閥門打開，每秒內流出相等的水量．請畫出浮力F、木塊下底面受到水的壓強p隨時間變化的函數關系圖像．

教師出示實驗模型，打開水龍頭，學生看到水流流出，水位下降，木塊也隨之下降，但是木塊底部距離水面的距離沒變，木塊排開水的體積不變．所以剛開始的一段時間內浮力F＝ρgV排大小不變，木塊下底面受到水的壓強p＝ρgh下底面也不變．隨著水位的不斷下降，當木塊底部接觸容器底部時（如圖14），木塊底部距離水面的距離以及浸在水中的體積都在不斷的減少，所以浮力F、壓強p都是減小的．

圖13

學生畫出函數關系圖像（如圖15）．

圖14

圖15

數形結合既是一種重要的數學思想方法，也是解決物理問題的重要數學工具．物理問題探究化、數學化，能夠幫助學生形成獨特的解決問題的物理思維習慣，即使學生走上社會，從事與物理無關的工作，仍然會潛意識地運用數學工具解決問題．

總之，物理學科的核心素養必須與相應的物理課程聯系起來，在物理課程教學中教師精心設計探究性問題，通過科學探究體驗，學生自我發展物理學科的核心素養，這對學生的終身發展都是有益的．

1 顧明遠．核心素養：課程改革的原動力［J］．人民教育，2015（13）：17－18．

2 印曉明，陳坤．中美高中主流物理教材在“光學”部分內容呈現的差異與啟示——基于培養學生科學領域內“核心素養”的視角［J］．物理教師，2016（2）：74－77．

3 梁建．科學探究中“過程與方法”目標的有效落實 ——以“電路的基本連接方式”為例［J］．中學物理教學參考，2016（4）：10－12．

4 劉健智，張乃霽．“浮力”探究教學的思考及創新［J］．中學物理教學參考，2014（4）：32－34．

5 梁建．引發認知沖突 突破物理教學難點［J］．江蘇教育，2016（4）：66．受表揚、受訓斥、受忽視和受控制4組，一段時間后分別檢測4組學生的學習效果．結果發現，受表揚組的學生成績進步明顯．激勵效應告訴我們，經常給予學生激勵，及時表揚學生中的“閃光點”，是提高學生學習成績的一項好辦法．

2016－06－02）