彰顯實驗功能的物理教學設計
——以“物體的浮與沉”為例

孫 娟

(福州時代中學,福建 福州 350007)

培養學生核心素養是當今教育教學改革最重要的任務.實驗素養是物理學科核心素養重要的內容,是學生科學素養的重要組成部分.實驗是物理教學的重要方法與手段,是落實物理課程目標,提高學生科學探究能力的關鍵途徑.筆者以“物體的浮與沉”為例,通過比較、分析、整合4種不同版本(人教版、滬科版、蘇科版、北師大版)教材的課堂實驗設置,實施了彰顯實驗功能的課堂教學.

1 不同版本教材的實驗設置比較

表1 不同版本教材的實驗設置比較

續表

2 不同版本教材中實驗功能的評析

2.1 實驗的感知功能

建構主義理論認為,學生學習新知識時,并不是空著腦袋進入學習,他們會從自己的前概念出發對新知識賦予意義的理解.而錯誤的前概念對學生學習物理產生嚴重的障礙,直接影響了學生對物理概念的正確理解.這就要求教師要準確地把握學生原有的認知結構.

“物體的浮與沉”新課前,學生往往認為重的物體下沉,輕的上浮;浮力大的上浮,小的下沉.為破除這錯誤的前概念,要求感知要引發學生的認知沖突——實驗現象與前概念不相符合.利用實驗揭示認知上的錯誤,激發學生求知的渴望.基于此,探究浮沉條件前,進行如圖1、2的實驗: ① 把重與輕的兩個物體(學生事先并不知道分別是什么物體)浸沒水中,松手,觀察現象,如圖1; ② 把封閉的兩個相同的瓶子(配重不同),浸沒水中,松手,觀察現象,如圖2.學生驚訝地發現,實驗現象與原有的認知相矛盾,沖擊其原有的物理圖式,打破原有圖式平衡,[1]從而引發思維.圖2的瓶子是透明的,學生很容易發現它們重力不同,此設計也為學生的猜想提供暗示,降低了猜想的難度.

圖1 重的上浮 輕的下沉

圖2 沉底的浮力大 漂浮的浮力小

除蘇科版外的其他3種版本的實驗主要利用物體的浮沉條件解決問題.蘇科版的設計充分體現了實驗的感知功能:學生通過操作,觀察提供的物體的浮沉情況,再想辦法改變物體的浮沉.旨在通過體驗、觀察,歸納出浮沉條件及改變浮沉的方法.但提供的物品中,哪些會沉哪些會浮,學生都很熟悉,并不能引發學生的認知沖突,實驗的目的演變為歸納浮沉條件.而學生在沒有任何理論支撐下猜想浮沉條件、操作改變浮沉狀態明顯具有盲目性,體驗變成了按經驗進行,容易強化學生錯誤的前概念.

2.2 實驗的探究功能

建構主義理論認為,學生只有經歷自主建構,才能獲得知識與技能.這個觀點確定了學生的主體地位.實驗探究的過程,學生通過自主觀察、比較、思考、質疑、分析,促使其認知上升到一個新的平衡,實現自主建構.由于課時所限,不可能在每次探究活動中各個要素都面面俱到.一次探究活動可以側重某些探究要素.[2]筆者根據課題特點,突出經歷“設計實驗”與“評估”兩個要素.

2.2.1 設計實驗

無論是演示實驗還是學生實驗,都盡量讓學生明確實驗目的,明確實驗原理.[2]設計方案前,要明確實驗要探究的問題,或要測量的物理量.通過觀察圖1、2的實驗現象引導學生進行理論思維——物體運動狀態改變是由物體的受力情況決定,自然想到要對物體進行受力分析.這給猜想浮沉條件提供了有力的依據.這一過程,把觀察實驗現象與己有的理論知識有機地結合起來分析,從而明確實驗需要測量的是重力和浸沒時的浮力.

(甲)

(乙)

設計實驗時，要明確如何探究提出的問題或測量需要的物理量的方法.設計時，要從學生的認知結構中選取一個合適的生長點,建立新知識新方法與己有認知結構的聯系,把實驗設計的難度置于學生的最近發展區.“物體的浮與沉”是在學習了阿基米德原理,認識了浮力的基礎上,從知識應用的角度進行學習的.基于此學情,筆者給學生提供了儀器,設置半開放情景,“讓學生跳一跳摘到果子吃”.課堂提供的器材有:天平、彈簧測力計、量筒、刻度尺、溢水杯、小桶、燒杯、針筒、細針、布、細線……;提供的研究對象有:石頭、蠟塊、土豆、帶蓋的瓶子.讓學生根據自己的設計,選擇合適的器材,分別測量研究對象上浮、下沉、懸浮時浮力與重力的大小.學生親身經歷各種測量方法,既達到理解、鞏固舊知識的目的,又開拓了思維.

設計測量方案時,采用圖式討論,如圖3甲、乙.對于不同的測量方案,筆者都給學生提供了機會與充分的展示時間.讓學生就自己的探究過程進行展示和評價是探究教學的重要因素.[3]展示交流過程,鍛煉了學生的語言表達能力,也使學生對自己方案的優缺點能夠得到及時的反饋,提高了實驗設計能力.展示交流體現了科學探究中的交流要素,也為評估的實施打好了基礎.

蘇科版的設計很好地體現了學生的主體地位,也能激發學生的探索熱情,但學生的實驗探究畢竟不能等同于科學家的科學探索.實驗探究沒有明確的指向性,缺乏指導,學生容易胡亂探究.人教版通過受力分析,由力與運動的關系,通過理論推導直接得出浮沉條件.這種設計沒有把理論與實驗相結合,學生沒有親身體驗,不能留下深刻的印象.滬科版的探究味道最濃.在“力是改變物體運動狀態原因”的理論指導下,猜想了浮沉條件.探究時,只改變重力,觀察運動情況,并做出受力分析,從而總結歸納出浮沉條件.學生進行探究前,目的性強,方向明確,通過交流與討論,很容易得到結論,且為改變浮沉的實驗做了鋪墊.不足之處在于: ① 實驗設計不夠開放.只改變了重力而沒有改變浮力,不能很好地培養學生的創新能力; ② 沒有定量測量.在學生的能力允許的范疇,要讓學生親身參與測量,得到數據,會比定性實驗更讓學生信服且印象深刻.

2.2.2 評估

學生交流評估反饋的過程,實質是學生對自己的探究行為進行了反思.學生便理解了要從哪些方面、如何修正會做得更好.這有助于培養學生養成良好的科學態度且有效地促進探究能力的發展.本節課學生通過交流評估,從3個方面提出建議.

盡量減小誤差建議: ① 選擇合適的測量工具.如測量蠟塊重力時,由于其重力太小,故要選擇天平間接測量.② 注意測量順序.若先測量浮力,

再測重力,物體會沾上水,使重力偏大,故要先測量重力.③ 注意測量細節.如把石頭浸沒測拉力時,不要把彈簧測力計浸入水中,不然會使浮力增大,也會腐蝕彈簧測力計.

提高可操作性建議: ① 測量蠟塊體積時,量筒中的水在蠟塊浸沒后不超量程情況下,要盡量多裝些,不然用細針夠不著把蠟塊壓下.② 選擇壓力差測浮力只適用于規則物體,建議不用此方法.

圖4 漂浮時浮力與重力相等

意外生成:有學生為驗證漂浮時浮力與重力相等,設計了如圖4實驗:溢水杯裝滿水,天平平衡;往杯里放蠟塊,等排開的水流完以后,天平又恢復平衡.學生們饒有興趣地很快完成了這額外的實驗,并得到了驗證.學生們還一起分析、歸納了本實驗運用了等效的思想及轉換法.全班不約而同地響起掌聲!為意外的精彩!意外的收獲!

2.3 實驗的理解應用功能

把知識應用于生活與生產,體現了“從物理走向社會”的新課程理念.實驗在知識與應用間架起了一座橋梁,起著承上啟下的重要作用.將“浮沉條件”用于實際情境的判斷,就是為學生提供在實際情境中體驗的機會,使之自我理解物理現象以達到知識的內化,[4]同時也為浮沉條件的應用提供了情境基礎.

人教版的雞蛋實驗體現了運用浮沉條件解釋現象的功能.滬科版的橡皮泥實驗、北師大版的鞋油袋實驗,不僅體現了知識的情境體驗,更是構建了知識與生活、生產之間的聯系.本著“物盡其用”的原則,在學生探究出浮沉條件后,筆者在原有器材基礎上添加了鹽和鋁箔,以鋁箔、土豆、帶蓋瓶子為研究對象,實施了如圖5的課堂教學.

圖5 浮沉條件的應用

在已知浮沉條件下,通過不同的實驗,學生分析、歸納了改變浮沉的方法,有效地訓練了控制變量這一科學方法,達到通過自我理解物理現象使知識內化的目的.同時把這些現象分別應用于生活與生產,提高了學生應用知識解決問題的能力.再布置相應的課外實驗,加強學生動手操作技能.最后通過列舉我國勞動人民發揮聰明才智在浮沉方面的具體實例,加強對學生進行愛國主義的思想教育.

3 彰顯實驗功能的教學設計

3.1 “物體的浮與沉”教學邏輯

綜上所述,“物體的浮與沉”的教學邏輯如圖6所示.

圖6 “物體的浮與沉”教學設計

3.2 教學過程應注意的問題

3.2.1 充分發揮實驗的功能

實驗能激發學生學習的興趣,能引導學生探究并獲取知識,能有效地突破教學難點,是物理教學重要的組成部分.教師要根據具體的課題,依據教學目標,遵循學生的認知發展規律,有針對性地合理地規劃實驗設計,要富有啟發性、思維性、開放性等,從而有效促進學生核心素養的提高.

3.2.2 關注課堂生成

進行改變浮沉實驗時,有學生發現:土豆剛漂浮后,若繼續往水中加鹽,土豆會不斷上浮(溶液飽和前).抓住這個契機,師生不僅解釋了原因,同時領悟到了密度計測液體密度的原理、輪船從河里開到海里的問題等.正是這意外的生成,提醒筆者臨時調整了土豆實驗的步驟要求,如圖5.又如圖4的實驗也是課堂意外生成的.

實驗教學中,學生的思路特別活躍,課堂最容易“無序”.如圖1、2實驗中,松手后,對于物體下沉過程浮力不變,

學生從浮力的影響因素分析很

圖7 上浮過程浮力變化

容易理解.對于上浮過程浮力大小的變化,當幾乎所有學生都認為應該是如圖7所示時,有一位學生提出了不同的意見.他認為浮力先不變后變小,小于重力,然后又變大,不斷反復變化,最后才與重力相等,靜止漂在水面上.對這突如其來的質疑,全班自發地展開了熱烈的討論:有的建議把上浮過程錄下再放慢回放;有的建議實驗時選的物體最好是比較長的;有的認為可能與彈簧把球彈起運動類似;有的從圖7上浮過程浮力變化械能角度討論……最后大家形成共識,認為圖7的浮力變化圖像是錯誤的,浮力的變化可描述為:物體露出水面前,浮力大小不變;露出水面后,浮力變化;最終浮力與重力大小相等,物體漂浮在水面上.至于露出水面后,浮力如何變化,鑒于學生的認知水平,不做硬性要求.這意外的“無序”,收獲的關鍵不是知識本身,而是給了學生質疑的勇氣,讓學生學會了研究問題的方法,也促進個別有能力的學生后續的研究.

每一位學生都是獨一無二的,對同一問題可能會有不同的解讀,會出乎教師的“預設”,造成課堂的“無序”.關注這種“無序”正體現了以人發展為本的新課程理念,突出學生的主體地位,鼓勵學生個性化思維的發展.這種“無序”讓學生敢于質疑,增強學習能力與創新能力,讓學生對學習充滿信心,讓課堂煥發生命的活力!教師要尊重這種“無序”,重視課堂的生成,不拘泥于教案,不能因為學生擾亂自己的教學思路,為了完成課堂進度對學生的獨到見解視而不見,造成能力培養和個性發展的落空,讓課堂留下尷尬和遺憾.

1 王精國.基于認知發展理論的物理演示實驗教學設計[J].物理教師,2015(10):9-11.

2 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[M].北京:北京師范大學出版社,2011.

3 陰瑞華,朱文軍,秦丹.物理教學設計方法與案例[M].北京:北京師范大學出版社,2016.

4 張月蘭.用實驗干預學生前概念的教學探討[J].物理教師,2014(3):29-30.