指向核心素養的初中物理“實驗創新”實踐與思考

陳雯歆

摘 要：本文基于教學背景分析，結合實驗創新教具組的創新實驗，將“壓力”概念的核心素養目標設定為具體的任務、情境、問題和活動，并就“實驗創新”教具組在教學中的使用提出建議，力圖幫助學生建構物理概念，促進學生深度學習，培養學生的創新意識.

關鍵詞：核心素養;實驗創新;復習課;壓力

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）12-0043-03

1 案例背景

1.1 教材分析

滬科版物理教材八年級全一冊中“壓力”一節，從壓力的產生原因以及力的三要素幾個方面來對比并區別壓力與重力，為壓強的教學掃除知識障礙.教材指出：“當物體靜置在水平面上且無其他外力作用時，它所受的重力與施加于另一物體的壓力大小相等.”在實際課堂教學中，教師如果不經歷實驗探究直接告知學生壓強概念，將導致學生的學留于表面，部分學生不加思索地將裝有物體的固體容器對水平面的壓力大小與容器自身受到的重力大小畫等號，不利于學生形成物理規律有適用條件的意識.由于《義務教育物理課程標準（2011年版）》對“相互作用力的大小”并無具體要求，所以若僅從二力平衡條件及牛頓第三定律對物體進行受力分析，將會增加學生的學習障礙.

1.2 學情分析

經歷了疫情期間的線上教學，在線下復課后展開的問卷調查與訪談中，發現學生對于“壓力”這一物理概念的建立是欠缺的.對于壓力，學生無法將施力物體和受力物體區分開來，學生作圖時經常將壓力的作用點誤畫在施力物體上，壓力的方向錯畫成豎直向下.關于壓力的大小，學生易將在不受外力時靜置在水平面上裝有物體的容器對水平面產生的壓力，誤認為只有固體容器自身受到的重力.對接觸面不是水平的情況，學生只有機械記憶，腦海里缺少對應情況圖式，難以正確地完成同化，仍認為壓力大小即重力大小.但液體具有流動性，容器側壁對其也存在力的作用，所以，液體對容器底部產生壓力的大小與容器的形狀有關，并不一定就等于液體受到的重力大小.這與學生原有的經驗沖突，學生產生認知沖突.

為了在復習課上學生能夠完成對前概念的重組，提高元認知，起到溫故知新的作用，教師在復習課上應合理地設計、組織教學內容，使得學生主動參與知識的再建構過程，使所學的知識系統化、脈絡化、網格化.所以，筆者站在單元整體的視角下，帶領學生通過創新實驗對壓力展開一場教與學的活動.

2 “實驗創新”的設計、制作與教學實施

2.1 創新教具組的設計與制作

教具1（如圖1所示）需要木板、鐵條、重物、貼紙、釘子和重垂線.

教具2（如圖2所示）需要計算機、拉（壓）力傳感器、數據采集器、朗威數字化信息系統實驗室（DISLab8.0）、角度盤、旋轉桿、細繩、透明容器和3個200g的重物、兩個強磁鐵.

教具3（如圖3所示）需要電子秤、透明塑料袋、可變形狀的透明容器、夾子和紅墨水.

2.2 指向核心素養的“實驗創新”教學實踐

任務一：壓力的產生原因、作用點與方向（見表1）.

基于“實驗創新”的教學建議：

基于學生已有的“力的作用效果”這一知識背景，教具1利用長鐵條受到壓力時產生形變，明確壓力的受力物體，同時說明壓力屬于彈力.學生還易將壓力的方向誤以為和重力方向一致，誤認為壓力的方向也總是豎直向下.因此，教具1利用重垂線明確重力的方向，使之與長鐵條發生形變的方向進行對比.從水平開始緩慢改變接觸面傾斜程度，可同時觀察到兩者方向、對比壓力與重力方向，幫助學生突破壓力的方向與重力方向不同這一難點，讓學生認識到壓力的方向并非總是豎直向下，而是垂直于接觸面指向受力物體.

任務二：壓力的大小（見表2）.

活動：根據自身計算結果進行判斷，提出“液體對底部產生的壓力不一定等于液體所受重力大小”等觀點.

活動：利用教具3改變容器的形狀進行實驗探究，并結合液體壓強、物體的受力多角度進行理論分析，尋找本質原因

物理觀念：知道電子秤測量原理.了解對于固體，水平面上在無外力作用時，物體對接觸面的壓力大小等于物體的總重.而對液體，液體對水平的容器底部產生的壓力大小與液體受到的重力不一定相等.當盛裝液體的容器是柱狀的時候，F=G;當盛裝液體的容器上端橫截面積大于下端時，FG

科學思維與科學探究：在活動中引導學生自主發現并提出一系列問題.能依據已有的壓力作用下鐵條形變的模型和規律，進行合理推理，支持其觀點或反駁相異觀點.能設計并完成實驗來得出結論.還能運用液體壓強與壓力的關系進行計算分析，也能運用二力平衡知識對液體進行受力分析，來解釋論證液體對水平的容器底部產生的壓力大小與液體自身的重不一定相等的原因.針對研究成果進行整理歸納與反思，總結出關于液體壓力壓強與固體壓力壓強這一類計算題的解題程序

科學態度與責任：養成主動積極嘗試解決問題習慣，經歷科學模型不斷修正的過程，得出“水平面上在無外力作用時，固體對接觸面的壓力大小等于物體總重”的結論，形成尊重事實、敢于質疑、善于反思、勇于創新的科學態度

基于“實驗創新”的教學建議：

教具2借助朗威數字化信息系統實驗室，使壓力的大小可視化，從大量的定量實驗得到普遍規律，既遵循初中生的認知特點，又達到促進學生對復雜概念理解的目的.

針對這一問題，教具2將研究對象換成固體容器，通過在容器中裝入其他物質，讓學生了解到該容器對水平面的壓力是容器及容器內物體受到的總重力.該教具可以在不改變施力物體重力大小的情況下，通過改變斜面的傾斜程度，定量測量壓力的大小.通過與施力物體的重力大小進行對比，幫助學生辨析清楚壓力與重力的關系.而對于有外力作用時，固體對水平面產生的壓力情況學生沒有深入地探索，新內容被錯誤地同化.該教具在不改變施力物體重力大小的情況下，增加磁力來研究此時壓力和重力之間的關系.逆向論證壓力等于重力的條件是物體靜置在水平面上且無其他豎直方向上的外力（或外力分力）作用.

教具3設計了形狀可變的容器用于盛裝液體，在容器底部放置電子秤來測量液體對底部的壓力.通過實驗發現液體對容器底部的壓力不一定等于液體自身的重力，引發學生的認知沖突，激發學生的求知欲，再結合液體壓強、物體的受力多角度進行理論分析，幫助學生有效完成順應.

3 基于初中物理“實驗創新”實踐的思考

3.1 以生為本，“認知沖突”觸發深度思考

復習課側重幫助學生整合構建知識體系，力求在原有知識的基礎上，將每一個概念建構完整.所以，學生的認知水平是復習課的出發點和備課基礎.課前可以通過問卷調查、訪問等方式進行調查，利用大數據精準確定復習課的教學內容與側重點.針對學生的思維誤區進行教學設計，創設能夠引發學生認知沖突的情境，使他們產生困惑，觸發深度思考.

3.2 循循善誘，“真問題”深化物理概念

物理觀念的形成和發展需要通過物理概念、物理規律等系統的反思和遷移應用，使其學會用這些觀念解釋自然現象，解決生產生活中的實際問題.精心設計問題串，避免學生面對開放性過大的問題思維過于發散而導致教學主題偏離，也避免學生不加思考機械回答“是不是”“對不對”之類的問題使學習流于淺層.明確問題的指向性，通過設問、反問、追問層層遞進，結合實驗觀察和理論分析讓學生知其然，更知其所以然.提高問題的視域，找尋到概念與概念之間的關系，明確其中的物理規律，連點成線，由線織網，幫助學生繪制出完整的思維導圖，使深度學習發生，提高復習課的有效性.

3.3 技術融合，“真活動”培養創新意識

融合現代信息技術的“實驗創新”教具在教學中的指向性更強，更能突出重點、突破難點，同時，提高學生看表識圖的能力，彰顯信息素養上的優越性，可作為傳統實驗教具的補充.為了節約課堂時間、提高課堂效益，創新教具中機械操作的部分可以由教師完成，但教師必須在“實驗創新”的設計上應起引領作用，而不是全權負責.因此，保留教具的核心設計環節，用于調動學生積極參與，動腦設計、動手制作.同時，課堂中要預留充足的時間給學生交流，充分發揮學生自評和互評的作用，讓他們在交流中碰撞思維的火花，培養創新、創造的意識.

對于“研究受外力作用的固體對水平面產生的壓力”，學生根據所提供的材料設計出了利用磁鐵的相互作用進行探究的方案.而在交流的過程中，學生認為該方案只能定性說明無法定量分析：固體受到外力作用時，它對水平面產生的壓力不一定等于其重力大小.針對這一局限，學生運用滑輪部分的知識，提出了如圖6的新方案.

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（收稿日期：2021-03-17）