基于深度學習的浮力實驗突破

徐永芝 李傳迎

摘 要：浮力部分難教、難學，基于學生的認知起點，巧妙設計科學探究活動，幫助學生建立已有知識經驗與新知識的內在關聯，完善認知結構，進行遷移運用，促進了學生的深度學習，發展了學生的關鍵能力.

關鍵詞：深度學習;實驗突破;關鍵能力

文章編號：1008-4134（2019）22-0039 中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B

教育領域中的深度學習（Deep Learning）最早是相對于淺層學習 （Surface Learning） 所提出的概念.1976 年，美國學者馬頓（Marton）和薩爾約（Saljo）針對只是孤立記憶和非批判性接收知識的淺層學習，最早提出了“深度學習”的概念，認為深度學習是指在理解的基礎上，學習者能夠批判地學習新思想和事實，并將它們融入原有的認知結構中，能夠在眾多思想間進行聯系，并能夠將已有的知識遷移到新的情境中，做出決策和解決問題的學習[1].我國學者楊清認為課堂深度學習[2]是課堂上學生在教師的引導下，通過對知識的理解與創造，實現認知結構完善、關鍵能力發展和復雜情感體驗的過程.

“浮力”一章，教師難教，學生難學，大家有目共睹. 在浮力實驗教學中，教師通過巧妙設計科學探究活動，激活學生的學習動機和相關知識經驗，幫助學生建立已有知識經驗與新知識的內在關聯，納入自我認知結構，準確提取知識與遷移運用等，促進了學生的深度學習，發展了學生的關鍵能力，下面結合筆者的教學實踐和同仁們交流幾個典型案例.

1 發展觀念，提高批判思維能力

關于青少年浮力觀念發展的調查研究中[3]，認為浮力與深度有關的比例：初中生占19.61%， 高中生占33%，大學生占46.92%，說明在學習過程中該觀念不僅沒有得到轉變，反而得到加強，同時也進一步說明“深度觀念”發展比較困難.這是否和初中教學方式有關呢？

魯科版《物理》八年級下冊第55頁，探究物體所受浮力與哪些因素有關實驗中，實際教學中通常采取兩類實驗引導學生進行猜想，第一類，將裝滿水的桶放在臉盆中，用手把飲料罐按入水中，體會用力大小并觀察現象.第二類，用彈簧測力計提著物體輕輕放入水中，直到浸沒，繼續下降，觀察測力計示數的變化.不管哪種方式，由于深度變化是直觀現象，一部分孩子容易猜想浮力大小與深度有關.胡老師[4]提出，可以通過以下兩條路徑來進行“錯誤思維的校正”：一是運用科學探究思想，理解“浮力與深度無關”;二是通過創新探究方案，證明“浮力與深度無關”——在不完全浸沒時，改變深度時，控制排開體積相同，從而得出“不管是否浸沒，浮力都與深度無關”的結論.

第一條途徑是一線教師采用的最普遍的方式，通過實驗說明浸沒后，排開液體的體積不變，所以浮力與深度無關;浸沒前，隨著物體深度的增加是表面現象，實質是由于V排增大，使浮力增大不是由于深度變化引起的，這種方式在實際教學中效果較差，因為沒有從本質上克服學生錯誤的前概念，將正確的“深度觀念”納入學生的認知結構中，在后續的練習中發現學生對于浮力大小與深度有關的觀念并未得到真正克服.

第二種途徑在很多文獻中，只停留在畫圖上，很少在實踐層面上出現.實驗的難點是不容易尋找適合實驗的長方體.一天在用肥皂洗衣服時，突然想到這不就是要尋找的長方體嗎？馬上找來器材進行實驗，但遇到的問題是，肥皂在水里容易溶解，并且如何才能掛在測力計的掛鉤上呢？最后想到用膠紙把肥皂密封起來，用膠紙做提手.肥皂豎放時，在體積一半處做上標記，再把肥皂側放，在體積一半處再做上標記，用彈簧測力計提著肥皂分別側放和豎放將一半體積浸在水中，控制了V排不變，改變了浸在水中的深度，但測力計拉力示數相同，如圖1所示;肥皂浸沒時，繼續增加深度，測力計示數不發生變化.基于學生的前概念，通過實驗引發認知沖突，并將物體受到浮力與深度無關的觀念納入學生的認知結構之中，領略了控制變量法的魅力，促進了學生的深度學習，提高了批判性思維能力.

2 逆向思維，提高創新能力

魯科版《物理》八年級下冊54頁“乒乓球在水中的3種狀態”是在舊教材的基礎上新添加的一個實驗.實驗如下：將3個乒乓球（第一個裝滿沙，第2個裝適量沙并使其能懸浮在水中，第3個是空心;乒乓球的開口處均用蠟密封）浸沒水中，松手后會出現什么現象？為什么？設計者的設計意圖非常好，通過改變乒乓球的重力直觀演示乒乓球的三種狀態（下沉、懸浮和上浮），從而探究物體浮沉時浮力和重力應滿足的條件.但本實驗的可操作性不強，由于重力的改變不連續，放上一點沙粒就有可能導致乒乓球下沉，取出一點點沙粒，乒乓球又上浮，因此不易調節乒乓球的懸浮狀態.“懸浮”狀態成了學生的認知空白，這種狀態真的存在嗎？

在實際教學中，筆者通常課前布置給學生探究“乒乓球在水中的3種狀態”實驗，通過實驗體驗費時費力且不易成功.課上引導學生分析，既然改變物體的重力不易實現懸浮，何不逆向思維，改變物體的浮力實現懸浮呢？然后學生分組實驗，在先配置的濃鹽水中，把一只雞蛋輕輕地放入其中時處于漂浮狀態，由于液體密度的調節是連續的，稍加清水雞蛋即可懸浮，如圖2所示，生活中的一些水果可以替代雞蛋[5]，例如西紅柿、油桃、荔枝、橘子等，其中小西紅柿體積小，需要配置的鹽水也少，價格還便宜，更適合學生分組實驗.通過逆向思維創新實驗，促進了學生的深度學習，學生不僅真正見證了什么是“懸浮”，填補了認知結構上的空白，而且學生體驗到了成功帶來的喜悅，提高了創新能力.

3 定性到定量，提高理解能力

有些版本教材在論述輪船的原理時，采用了利用“空心”的辦法增大可以利用的浮力，例如魯科版《物理》八年級下冊60頁，具體內容如下：把金屬箔卷成一卷放入水中，它能浮在水面上嗎？再把它做成中空的筒放入水中，它會沉入水底嗎？ 教材的設計意圖很好，想通過實驗直觀地顯示“空心”的辦法可以增大浮力，但是實際教學中學生只看到是“空心”后金屬箔漂浮了，并沒有觀察到排開水的體積變化，從而沒有體驗到浮力變大. 因此教師只能通過定性分析的方式進行分析，卷成一卷的金屬箔下沉，它所受的浮力小于其重力，做成中空的筒漂浮在水面上，所受浮力等于其重力，因為重力不變，所以漂浮時浮力增大了，再從影響浮力大小的因素角度分析，漂浮時浮力增大的原因是排開水的體積變大了.這種教學方式不僅費時費力，而且上完新課后中等生仍然存在認知困難，為什么“空心”的辦法增大了浮力？

為什么教材中金屬箔實驗漂浮和下沉時排開水的體積變化不明顯？從兩個方面考慮：一方面，實驗所用的金屬箔很薄，質量太小，如圖3所示，因此排開水的體積相差較少，以4.45g的銅箔為例，沉底時排開水的體積是0.5cm3， 漂浮時排開水的體積是4.45cm3，兩次體積相差4.4cm3， 若8.9g的銅箔，沉底排開水的體積是1cm3， 漂浮時排開水的體積是8.9cm3，兩次體積相差7.9cm3，可見，金屬箔的質量越大，實驗效果越明顯;另一方面，盛水的燒杯太粗，不容易顯示排開水的體積.實際教學中，在金屬箔質量一定的情況下，用溢水杯替代燒杯，并用帶刻度的小桶收集排開的水，收到了很好的實驗效果，如圖4所示，實驗中用了7 g的銅箔，卷成一卷放入盛滿水的溢水杯時，理論上能溢出0.8cm3的水，由于溢水杯溢出的水存在誤差，實際操作中幾乎沒溢出;做成中空的桶放入水中漂浮時，溢出了大約6cm3.這樣通過定量測量排開水的體積，直觀地證明了銅箔漂浮時比下沉時受到的浮力增大了，學生真正理解了輪船采用“空心”的辦法可以增大浮力，將這種觀念納入自我認知結構，提高了學生的理解能力.

4 課后延伸，提高問題解決能力

魯科版《物理》八年級下冊第61頁，一艘輪船從海里駛入河里，它受到的重力大小，它受到的浮力，它排開水的體積.（填“變大”“變小” 或“不變” ）學生第一次接觸這種實際問題時，將近90%的學生出現錯誤，認為輪船從海里駛入河里，液體的密度變小，根據F浮=ρ液gV排，所以浮力變小，學生忽略了V排的變化.V排 真的沒有變化嗎？

借機給學生布置了一個課后實驗證明V排的變化，給學生提供的器材是各種規格的橡膠塞，然后帶到課堂上來展示，如圖5左所示，有的學生把細圓水瓶去底部三分之二，將橡膠塞塞住瓶口，如果瓶子不能平穩地浮在水中，再把適量細沙裝入水瓶，放入裝有水的杯子中，在瓶子外壁上做出鹽水面的標記，然后把水瓶再放入水中，觀察此時標注線的位置變化，標注線沒入水中，如圖5右所示，本方法的難點是如何做標記，因為用筆不易畫且不容易畫在水瓶上，后來和學生經過反復嘗試先用膠紙把紅細紙條貼在水瓶上，然后向水瓶里慢慢倒入沙子直至鹽水面和紅紙條相平，這種標記方法省時省力.

還有的學生利用帶有刻度的10mL注射器去掉針頭和芯桿，用橡膠塞塞住注射器的一端分別放在鹽水和水中，由于注射器有刻度，非常方便地觀察到V排的變化，不用做標記，更省時省力，如圖6所示.通過課后實驗學生見證了V排的變化，重構了自我認知結構，提高了問題解決能力.

物理是由“物”和 “理”二字組成，“物”是事實證據，“理”是理性思維，即物理是以實驗為基礎，以思維為中心的自然學科.因此，在教學中要充分認識到實驗的特殊作用，充分考慮到學生的已有知識和經驗，準確確定教學起點，通過改進或創新實驗，使學生經歷科學探究過程，建立起新舊知識之間的聯系，不斷完善認知結構，促進遷移運用，從而進行深度學習.

參考文獻：

[1] Marton.F，Saljo，R.On Qualitative Differences in Learning：I -Outcome and Process [J]. British Journal of Educational Psychology，1976，46（2）：115-127.

[2]楊清.課堂深度學習：內涵、過程和策略[J].當代教育科學，2018（9）：66-71.

[3]易其順.關于青少年浮力觀念發展的調查研究 [J].中學物理教學參考，2016，35（19）：43-47.

[4] 胡廣形，徐德友.“浮力與深度無關”的教學探討[J].物理教師，2014（10）：32-33.

[5] 翟晶敏.四種版本物理教材中難點實驗的改進與推廣[J].中學物理，2019，37（06）：14-17.

（收稿日期：2019-07-12）