基于物理核心素養的課堂實驗教學策略初探

余偉

摘? 要 以初二物理“物體的浮與沉”教學為例，設計課堂實驗，通過巧設情境引新知、定性體驗探新知、定量實驗建新知、模擬結構驗新知、模擬應用融新知五個環節，從知識建構、實驗探究、思維引導等方面進行初步探索，圍繞發展學生的物理學科核心素養，提出課堂實驗教學策略。

關鍵詞 初中物理;核心素養;物體的浮與沉;實驗教學

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）17-0125-03

1 前言

在初中物理教學中，物理實驗在培養學生的思維、探究能力等方面有著不可替代的作用。物理思維、物理概念的建構源于事實經驗，從經驗事實到體驗再認，從定性、定量的探究到規律體系的建立，都離不開物理實驗。在課堂教學中，在哪一環節使用演示或分組實驗？如何設計學生為主體的探究活動？怎樣根據學生的特點和學習的內容設計符合學生認知規律的實驗？這都是值得思考的問題。筆者以初二物理“物體的浮與沉”教學為例，設計實驗教學，將學科核心素養（物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任）融入教學，進行初步探索。

2 巧設情境引新知

學生的生活經驗及所學過的知識都是學習新知識的起點，對后續的學習會產生明顯影響。在教學設計時可以利用學生在這些熟悉的問題上的似是而非之處，出其不意地展開一幅新的畫面，以小而新的演示實驗創設情境，吸引學生的眼球。

教師活動? 教師出示兩個“相同”的乒乓球，浸沒在清水中，猜想它們會上浮還是下沉？判斷的依據是什么？然后松手，發現一個上浮，一個下沉（事先注入鹽水）。順著學生的思路，教師出示一個橘子，削一小片皮，然后一同放入水中，橘子上浮，橘皮下沉。

學生活動? 學生思考后回答：受到浮力，觀察到一個上浮，另一個下沉。學生思考原因進行猜想：是否物體的輕重決定浮沉？觀察到重的橘子上浮，而輕的橘皮下沉。

設計意圖? 學生原有的經驗中，乒乓球受到浮力會上浮。兩個外觀相同的乒乓球，出現相反的浮沉狀態，引出學生另一知識經驗：重的物體會下沉。而接下來的實驗中卻觀察到重的橘子上浮，輕的橘皮下沉，又用實驗事實打破學生原有的認知。

策略小結? 這樣的設計引發學生認知上的沖突，從物體受到浮力相同而結果不同，到重的物體反而上浮、輕的物體卻下沉的實驗事實中，學生經歷猜想、判斷、驗證的積極思維，打破原有經驗建立新的經驗，激發學生的學習興趣，點燃學生主動探究、建構新知識的欲望。

3 定性體驗探新知

在學生原有的經驗中，容易提取出物體的浮沉或與物體所受浮力有關，或與物體的重力有關。如何將這兩者建立關聯，并固著在同一物體上，是浮沉分析的切入點。教師通過分組實驗，讓學生體驗發生在同一物體上的重力或浮力改變時，物體的浮沉狀態發生變化。定性的探究體驗幫助學生初步建立新的、更為具體的知識結構。

教師活動? 引導學生分組按要求探究實驗，利用同屏、錄制技術，展示學生所做實驗，邀請學生進行分享、分析。

學生活動? 學生利用桌上所給的器材（裝沙子的塑料瓶、蠟條、用氣球包裹的橡皮泥、橡皮泥、鐵釘），按以下環節探究：

猜一猜：所給器材浸沒水中時的浮沉狀態。

驗一驗：將它們浸沒水中，檢驗一下你的猜想。

變一變：將原來上浮的物體變為下沉或下沉的物體變為上浮。

想一想：物體的受力情況是否發生改變？若有，改變的是哪個力？增大還是減小？

畫一畫：畫出浸沒在水中的物體的受力示意圖。

將相關信息記錄到表1。

設計意圖? 學生親身體驗，讓實驗現象更加直觀、具體。通過生活建立經驗，實驗獲取數據，培養學生小組協作精神。利用信息技術的優勢，學生實驗過程通過平板同步采集記錄，在進行分享時可直接就著自己的實驗情境進行，不用再重復操作過程，且用大屏投影，可視效果更好。

策略小結? 實驗看似簡單，其實隱含了控制變量的科學研究方法。改變的物理量發生在同一物體上，且只要其中的一個量發生變化，物體的浮沉狀態就發生變化，這樣讓學生經歷猜想、探究、思考、表達、分享的過程，通過體驗初步建立起關于物體浮沉條件判斷的知識框架。

4 定量實驗建新知

在定性實驗的基礎上，通過實驗探究同一物體下沉、上浮及懸浮時，所受浮力與重力的數量關系，引導學生學會受力分析，從而理清思路，習得物體浮沉條件，建立新的、正確理解物體浮沉的知識體系。

教師活動? 教師借助雞蛋幫助學生理清思路，學會受力分析：取一只新鮮雞蛋，浸沒在清水中，引導學生測量其所受浮力及重力的數量關系。教師通過平板直接投屏，提問：如何使雞蛋上浮？事先配好飽和濃鹽水，引導學生加入濃鹽水，雞蛋上浮，對從沉到浮進行受力分析，對從未露出到露出進行受力分析。教師出示事先做好的懸浮雞蛋，將懸浮與漂浮對比，提問：如何使漂浮的雞蛋懸浮在水中？引導學生加入清水，得到懸浮，進行受力分析。

學生活動? 兩位學生配合演示測出雞蛋的重及其浸沒水中時受到的浮力;一位學生演示加濃鹽水讓雞蛋上浮;一位學生演示加入適量的清水，讓雞蛋懸浮。

設計意圖? 稱重法測量物體受到的浮力是本章前兩節的內容，通過學生演示、平板投影，從能力培養的角度，促進學生的動手、合作、表達能力的提升;從知識建構的角度，既復習了舊知識，又測出浮力與重力的數量關系，幫助學生逐步建立物體浮沉的新圖式。使用鹽水使雞蛋上浮及漂浮，既補充了通過改變液體密度改變浮力這一方法，又可直觀地觀察到物體漂浮及懸浮。在具體的事例中，引導學生進行受力分析，培養學生分析問題、解決問題的能力。

策略小結? 實驗中用飽和濃鹽水替代食鹽，既縮短了實驗的時間，又保證了實驗的成功率。在同伴添加清水的過程中，原來帶有神秘色彩的懸浮情景展現在眼前，掌聲響起的同時，學生的認知也得到升華。從定性到定量實驗，符合學生的認知規律，學生在實驗探究過程中逐步深入地習得物理規律，建立認知的新圖式，促進物理觀念的形成與發展。

5 模擬結構驗新知

當物體排開液體的體積增大，浮力也增大。這個結論在定性探究環節，學生已有體驗，輪船是這一規律的實際應用。將錫箔紙折成小船模擬制成空心結構的輪船的過程，學生能輕松地完成，課堂上重做這一實驗，將學生原有的知識經驗與新習得的知識建立良好的聯系。輪船的排水量是更高層次的理解與應用，通過折船并定向探究載重情況，促進學生理解物理在生活實際中的應用，培養學生更高階的物理思維。

教師活動? 讓學生利用錫箔紙模擬輪船漂浮，并比賽輪船承載鐵釘數量。引導學生觀察船身水位的變化，從而引出吃水線，自然而然過渡到輪船的排水量。

學生活動? 學生分組動手操作實驗，折成紙船、漂浮、逐個加入鐵釘，觀察錫紙船在承載鐵釘數量增加時，排開水的體積的變化，并記錄吃水線變化、受到浮力變化和最大承載鐵釘數量。

設計意圖? 由模擬結構的實驗，喚醒學生原有的知識儲備。看似折小船，但不同于生活中的折船（能浮、美觀），模擬小船載重體驗排水量，從物理走向社會。

策略小結? 物理與生產、生活實際息息相關，教師在教學過程中應充分挖掘生活中的簡單、易操作、可模擬原型結構的小實驗，結合新知識，讓學生在熟悉的實驗過程中去觀察、思考新的方向和知識。這一設計可以引導學生利用身邊熟悉的材料，去探究物理知識在生產、生活中的實際應用，學生主動參與，融入教學，通過動手、動腦，達到學以致用，習得新知、真知的目的。

6 模擬應用融新知

學習輪船的原理，可以模擬制作紙船，從結構特點把握其中蘊含的規律。但學習潛水艇的原理，僅模擬結構是不足以理解其工作原理的，在主體結構不變的情況下，如何實現改變自重，這是一個有趣而又令人難忘的探究過程。教師通過自制教具，學生分組探究，有意識地引導學生在探究中提出問題、解決問題，促進學生核心素養的提升。

教師活動? 演示模擬潛水器下沉試驗，出示自制教具神奇的“小魚”，如圖1所示。演示實驗，提問：小魚為什么可以自由上浮和下沉？通過哪種方式改變自重？出示升級版小魚。

學生活動? 學生動手體驗浮沉子“小魚”上浮和下沉，探究其工作原理。當手用力擠壓塑料瓶子時，瓶子上方的氣體體積減小，氣壓就把水壓到“小魚”的肚子里，這樣“小魚”的自重增大了，“小魚”下沉過程中體積不變，受到的浮力不變，所以“小魚”就下沉了;反之，放手時就上浮。潛水艇通過改變自重來實現上浮或下潛。體驗升級版“小魚”，觀察上升、下降時的水位變化。

設計意圖? 模擬潛水器工作時，學生直觀地觀察到活塞推和拉時，氣壓的增大和減小，對應進水下沉、出水上浮。浮沉子工作過程，當手用力擠壓塑料瓶子時，“小魚”下沉，松手則“小魚”上浮;若打開瓶蓋，瓶內氣壓不變，浮沉子不會上浮。引導學生思考改變氣壓引起浮沉子上浮、下沉，氣壓變化時，浮沉子的重是如何改變的？第一個浮沉子能引起學生的好奇，但觀察不到進水和排水;在浮沉子的下端加上透明吸管后，可以清晰地觀察到下沉、上浮時，浮沉子的進水和排水。這一小創意輕松地解釋了潛水艇如何改變自重的問題。

策略小結? 物理課堂教學過程，不僅是教物理知識，更多的是要呈現物理思維和物理方法。從潛艇模型到浮沉子再到浮沉子的升級版，每一個新變化都給學生帶來思維上的沖擊。在探究中解決問題、發現新問題，清晰地展示思維步驟，促進學生的新知識與技能內化和與原有知識融合，提高學生發現、分析、解決實際問題的能力。

7 結語

綜上所述，以“物體的浮與沉”這節課的實驗設計策略來說：課題的引入，基于學生學習過程中存在的困惑，以小而奇的實驗激發學生求知的欲望;新知識的建構過程，以學生為主體，設計定性、定量、模擬結構、模擬應用等環節的分組探究活動，讓學生在探究過程中逐步發現自己的生活經驗和新知之間存在的矛盾沖突，不斷發現問題、解決問題，將學科素養有機地融合在教學中。就實驗的選材和組織形式來說，乒乓球、錫紙等，都是一些常見的低成本的材料;學生分組探究，增加了直觀感受和動手實踐的機會，拉近了學生與物理知識的距離，促進學生從生活走向物理，從物理走向社會，學以致用。許多初中物理知識點可以通過實驗探究來建構新知。教師備課時應基于學科核心素養設計教學過程，合理安排實驗探究，激發學生積極參與實踐、探索，學科核心素養就能真正落實在課堂教學中。■

參考文獻

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