基于問題解決的初中物理深度學習的思考與實踐——以“物質的密度”為例

顧 健 陸建隆

(1. 西安交通大學蘇州附屬初級中學,江蘇 蘇州 215021; 2. 南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210097)

所謂深度學習,是指在教師引領下,學生圍繞著具有挑戰性的學習主題,全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程.深度學習具有3個基本特征:注重批判性思維的運用;強調知識的遷移應用;面向問題解決．因此問題解決是深度學習的一個重要落腳點．

本文基于問題解決的視角,以蘇科版8年級物理“物質的密度”為例,參考教材內容的編排,探討初中物理深度學習的教學實施,提升學生的物理學科核心素養．

根據問題解決的一般過程,立足物理課程標準與教材,結合深度學習的特征,整合信息技術融入物理教學,精心編排“物質的密度”的教學設計,培養學生的科學思維能力．義務教育物理課程標準中對密度內容的要求是“通過實驗,理解密度．會測量固體和液體的密度．解釋生活中一些與密度有關的生活現象”．本節內容主要完成通過實驗幫助學生建構密度的概念,并能解釋生活中一些現象．筆者以4次辨別區分物質的問題情境貫穿課堂,基于學生已有經驗辨別區分銅塊和木塊,暴露學生的錯誤生活經驗,啟動課堂教學;再次計算密度值辨別銅塊,形成鑒別物質的一種常規方法,初步認識密度概念;第三次通過區分多個物體的組成成分,培養學生的發散性思維,強化科學方法的應用,反思密度概念的建構過程;最后結合圖像及密度值判斷未知物體的物質種類,辨證看待利用密度辨別物質種類的方法,充分認識密度的本質特征．

1 引入問題情境,啟動學生深度學習

創設學生熟悉的生活情境,聯系實際,提升問題解決能力．社會和全球化的情境,引導學生發現社會的變革與進步,拓寬學生的視野．教材中設計“區分表面被涂成相同顏色的鐵塊和塑料塊”的情境,貼近生活實際,引起學生情感上的共鳴．通過教材的“二次開發”,搭建支架式的情境,剖析學生已有的密度的錯誤前概念．

圖1 等體積的小木塊和小銅塊

情境1:體積相等的小木塊和小銅塊各1個,請學生加以區分;情境2:體積相等的包裹的1號小木塊和2號小銅塊(如圖1),請學生再次區分;情境3:請一名學生戴上眼罩,兩手各托一托盤,分別放入一體積很大的木塊(如圖2)和剛才的小銅塊(木塊質量遠大于鐵塊),讓該學生區分．

圖2 大木塊

情境1中學生通過木塊和銅塊的顏色不同的物理屬性來辨別,從表層區分不同的物質．情境2中的物體的顏色未知,學生根據物體的質量的大小來判斷銅塊和木塊,顯化學生已有的錯誤前概念,忽視物體的體積的因素,僅憑物體的質量來區分．進而創設情境3,直觀的游戲情境引導學生體會錯誤前概念引起的巨大反差,由于木塊的質量很大學生單手難以托起,深刻體會到“質量大的是銅塊,質量小的是木塊”是錯誤的,區分物質時既要看物體的質量,也要看體積．

2 分析問題表征,設計問題解決方案

教材中設計“探究質量與體積的關系”,尋找物體的質量與體積之間的關系．針對教材文本的理解,筆者認為研究主題分為探究同種物質的不同物體的質量與體積的關系或者探究不同物質的不同物體的質量與體積的關系．根據控制變量法的內涵,實驗過程中改變物體體積不同,測量物體的質量,尋找兩者存在的關系,從而研究對象應選擇同種物質構成的不同物體．筆者提供體積不等的長方體鐵、鋁、木各3個,不選擇液體是因為學生尚未學習使用量筒測量液體的體積,容易造成額外的學習負擔,組織學生進行小組合作實驗．

情境:如圖3所示,已知一枚硬幣的體積為V,質量為m,依次得出2枚、4枚、n枚硬幣的體積和質量．學生感性認識成倍增加的硬幣的質量與體積,進行合理猜想．

圖3 硬幣的質量與體積

實驗時設計系列問題驅動學生完成實驗設計,問題1:需要直接測量哪幾個物理量?問題2:用什么儀器來測量?問題3:測量中需要記錄哪些數據?(表格設計)問題4:回顧提出的猜想:同種物質的質量與體積可能成正比．如何處理實驗數據,尋找物體的質量與體積的關系呢?聯系數學中學生已學的正比例函數,使用比值法處理數據,完善表格設計．應用EXCEL采集學生的實驗數據,求得質量與體積的比值,分析單個表格的數據得到同種物質的質量與體積成正比的結論．引導學生綜合比較鐵、鋁和木的數據表格,得到不同物質的質量與體積一般不同的結論,反映不同物質的物理屬性,建構密度概念,理解其內涵與外延．學生經歷科學探究,閱讀教材自主建構密度的概念,理解密度的定義、公式和單位．筆者測量2號小銅塊的質量和體積編制例題,要求學生計算2號物體的密度為8.9 g/cm3,并查閱課本密度表,確定構成該物體的物質,揭開2號物體的外殼加以驗證．密度表中銅的密度是8.9×103kg/m3,發現單位之間是可以相互轉換的．根據密度表篩選信息,基于數據的解釋,第二次辨別區分物質,培養學生的證據意識,形成鑒別物質種類的方法,強化密度概念的認識．

3 整合學生知識,實現思維深度加工

教材選擇比值法處理數據,沒有選擇圖像法,筆者認為是通過3組質量與體積的數據描點作圖,難以尋找物理量之間的關系．若超過3組物體,需要較長的實驗時間,而本節課的重點是建構密度的概念,使用天平測量物體的質量,在前面內容中已完成教學要求．但是教材的課后習題中要求學生利用圖像法畫出蠟塊和干松木的質量隨體積變化的圖像,分析數據得出結論．

通過對教材的認識,筆者設計利用圖像法拓展學生對密度知識的應用,創設第3次區分物質的情境．選取學生進行實驗的鐵、鋁和木各3個,將其包裹后編號1-9,提問如何區分出該9個物體?學生提出相同體積的物體,比較它們的質量加以區分;還有提出計算9個物體的密度等．由于同種物質的質量與體積的關系已探究得出結論,使用EXCEL對9個物體,以體積為橫坐標、質量為縱坐標,模擬描點作圖,呈現圖像法在物理問題解決過程中的應用,如圖4．融合信息化技術手段,使用取消隱藏的功能,將各個點逐個顯示,動態展示作圖過程．借助圖像,依次呈現4個臺階式問題,滿足不同層次的學生的認知需求．問題1:請將這9個物體進行歸類,并說明分類依據;問題2:請判斷圖像中3種物質的密度大小關系;問題3:查閱密度表,確定物質的種類,引導學生認識密度是物質的一種物理屬性．

圖4 9個物體的質量與體積的關系

學生通過圖像,獲取相關信息,顯示圖5,作出物體X的質量與體積的關系,設計問題4:根據鐵、鋁、木的密度值,請判斷物體X的密度范圍．將隱藏的物體X的質量與體積的數值顯示,判斷結果的正確性,判斷物體X可能是有什么物質組成的,發現既可能是煤油,也可能是酒精．通過問題解決的過程,深度理解密度概念的本質,提升高階思維能力,培養學生科學地解釋數據與證據的能力．

圖5 物體X的質量與體積的關系

4 合理遷移應用,評價深度學習效果

學生在遷移與應用知識的過程中,將所學知識轉化解決問題的綜合實踐能力和創新意識．密度表是反映物質的物理屬性的工具,能夠科學地解釋生活中的一系列現象,同種物質的不同狀態的物體的密度不同,如冰和水,解釋冬天工作人員將水管包裹避免破裂的現象,使得學習活動不是封閉的環節,而是走向生活社會,展現學生的學習成果．

在課后評價學習反饋時,取出班級學生在運動會上取得的“金牌”,要求學生設計實驗方案辨別“金牌”的材質,評估實驗方案的可行性,為后面學習測量固體和液體的密度奠定基礎．“互聯網+”時代的教育時代,為學生的實踐活動帶來了便利,掃一掃二維碼,觀察微視頻“雞尾酒”的調制,出現如圖6的現象,解釋其中的物理原理,嘗試調制簡易的雞尾酒,提升科學地解釋現象的能力．

圖6 雞尾酒