凸顯思維過程 培養思維能力
——“浮力”創新實驗串聯課堂結構案例剖析

魯佩用 史獻計

(1. 南京育英第二外國語學校，江蘇 南京 210044; 2. 南京江北新區教育發展中心,江蘇 南京 210044)

教學實踐經驗表明,“浮力”教學重點與難點主要表現在:浮力方向、物體浸沒液體前浮力與深度關系、浮力與物體排開液體的體積有關等幾個知識的建立與形成過程．針對學生學習特點與認知需要,我們通過創新實驗來凸顯浮力學習的思維過程,從而幫助學生順利突破學習困難，收到了良好的教學效果．

1 思維啟動:設計沖突情景認識浮力,了解浮力方向

圖1

設計:圖1所示,用熱熔膠在乒乓球的底部固定一個環形強磁鐵并放置在透明盛液筒底部,在透明盛液筒外側底部用一同樣的環形強磁鐵吸住乒乓球,手掌托住透明盛液筒底部．

問題:如果向筒內倒水會有什么現象?

學生表現:(異口同聲地)乒乓球浮上來．

操作:向筒內緩慢地倒入水．

現象:乒乓球并沒有浮上來，學生驚訝之時．

操作:隱蔽而迅速移走筒下強磁鐵．

現象:乒乓球在水中上浮到水面．

剖析:學生的生活經驗是乒乓球在水中會上浮．課堂教學伊始設計一個與學生生活經驗不吻合的現象,引起學生思維沖突,讓學生自然形成“為什么”的疑問,從而通過視覺感知啟動其學習思維．同時,也激發了學生的好奇心．

設計:細線的一端用熱熔膠固定在乒乓球外側,另一端用熱熔膠固定在透明水槽底部,將整個裝置放在水平放置的兩個等高的升降臺上．

操作:如圖2所所示,向水槽中持續倒水時,讓學生觀察實驗現象．

問題:同學們觀察到什么現象,這個現象說明了什么?

回答:乒乓球向上運動,說明浮力方向向上．

問題:靜止在水中的乒乓球受到的浮力方向是豎直向上的嗎?

分析思考:(學生)觀察到乒乓球靜止時細線處于拉直狀態,并與水面垂直(如圖2),說明浮力的方向豎直向上．

設計:提供細線和金屬小錐體做成的重錘線,設計問題“能否利用重錘線來判斷浮力的方向”.

分析:(學生思考并分析)將重錘線用金屬絲掛在水槽正前方的外側(金屬小錐體不與水槽接觸),如圖3,從水槽正前方看,發現重錘線與水中棉線重合,說明浮力的方向豎直向上．再將右側的一個升降臺調高,讓水槽傾斜,如圖4,發現重錘線與水中棉線仍然重合,說明靜止在水槽中乒乓球受到的浮力方向是豎直向上的．

圖3

圖4

剖析:通過物體的運動狀態較容易判斷出浮力的方向向上;在靜止的液體中物體所受浮力是豎直向上的,學生可以根據現象作出猜想,但由于學生缺乏體驗,不容易通過實驗來證明．教學中通過創新實驗,不僅增加了可視性、操作方便,而且能夠結合具體的現象和分析,引導學生的思維向著嚴謹性方向發展,同時對學生的創新能力與創新意識也是一種訓練．

2 思維過程:過程體驗,突破難點,探究浮力影響因素

學情:學生認為浸沒前,物體所受到的浮力與深度有關,浸沒后與深度無關(有些教師也有此類認識)．

事實上,物體所受浮力大小與所排開的液體(或氣體)體積有關,與浸入的深度無關．如何突破這一難點呢?

設計與操作:如圖5和6,先用熱熔膠將兩節干電池固定在一起,再在一端固定一個掛鉤,彈簧測力計拉著干電池并慢慢浸入水中．發現彈簧測力計的示數先變小后不變．(這正是學生得出“浸沒前,物體所受到的浮力與深度有關,浸沒后與深度無關”的實驗基礎.)

設計與分析:如圖7,將下面1節干電池浸沒水中,記下此時彈簧測力計的示數F1;如圖8,用熱熔膠將掛鉤固定在與圖7相同的2節干電池正中間,彈簧測力計拉著干電池浸入水中,保持與圖7浸入水中體積相同,深度不同,再次記下此時彈簧測力計的示數為F2,發現兩次彈簧測力計的示數F1=F2.這說明浸沒前,物體所受到的浮力也與深度無關．

圖5

圖6

圖7

圖8

圖9

設計與思考:教師再通過圖9手壓礦泉水瓶實驗,幫助學生分析,浸沒前浮力變大的原因是物體浸在液體中的體積發生了改變,即物體排開液體的體積發生了改變．圖7和圖8實驗中浮力不變的原因是控制了兩次電池排開水的體積相同,說明浮力與物體排開液體的體積有關．

剖析:圖5～圖9的設計過程,通過展現實驗過程,先通過圖5和圖6的體驗活動引出學生頭腦中的錯誤前概念,然后巧妙地用2節干電池進行探究,不僅解決了物體排開液體體積太小,導致浮力測量不準確的問題,同時方便控制物體排開液體體積相同,再結合圖9的體驗活動,師生共同分析,不僅順利突破浮力與物體排開液體體積有關這一教學難點,而且順利解決了物體浸沒前浮力與深度是否有關這一疑惑．

3 思維拓展:注重知識拓展應用,實現學生能力提升

教學中,通過師生共同探究得出浮力與液體的密度和物體排開液體體積有關的定性關系后,出示圖10所示的工藝品,并介紹該裝置:密封容器中注入某種液體,液體中放入多個玻璃球,球內注入種類和顏色都不同的液體,球的下方金屬片上標注各種數值．

實驗:如圖11和12,將該裝置放入冰水混合物中,發現所有的玻璃球都漂浮在液面,然后將該裝置放入溫水中,慢慢發現標有“18”“20”“22”的玻璃球依次下沉,直到所有的玻璃球都沉入底部．

交流與討論: (1) 該裝置實質是一個溫度計; (2) 原理是當該裝置由冰水混合物移入溫水中后,密封容器中液體受熱膨脹,液體密度減小,小球所受浮力變小,當浮力小于重力時,小球下沉．如圖12,當標有28 ℃的玻璃球漂浮在液面,標有26 ℃的球懸浮在液體中,并處于穩定狀態,則液體的溫度以及外界溫度在這兩者之間．

圖10

圖11

圖12

剖析:教學中不僅要引起思維發生、還要維持思維發展,也需要促進思維向深度提升．學生學習物理知識的目的是要解決實際問題,教學中通過該實驗,學生不僅了解該工藝品的實質和原理,更重要的是引導學生學會應用所學知識解決實際問題的能力．