注重深度學習 培養科學思維

胡玉蓮

摘 要：教師在教學設計中注重深度學習，可以培養學生的科學思維，提高學生物理核心素養.本文以“浮力”復習課為例，巧妙地利用三個蘋果，將浮力部分的知識點串聯.通過深度備課，精選實驗器材;實現深度教學，促進學習生成;引導深度反思，提高思維品質.

關鍵詞：深度學習;科學思維;浮力

中圖分類號：G633.7 ? ? 文獻標識碼：B ? ? 文章編號：1008-4134（2021）16-0024-04

作者簡介：胡玉蓮（1992-），女，江蘇無錫人，碩士，中學一級教師，研究方向：基于核心素養的物理課堂教學.

深度學習是一種注重知識建構過程、強調學習內容有機整合、注意學習過程建構反思、重視知識遷移應用的一種新型教學模式.深度學習不僅關注學習的結果，更加注重學習的發生過程，強調學生理解性的學習.物理核心素養指的是學生在物理學習過程中形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力.物理教學最終目的是提升學生的核心素養，核心素養旨在為廣大教師提出“培養什么樣的人”;深度學習則為教師指明“如何培養人”.教師引導學生進行深度學習，可以更有效地幫助學生提升物理核心素養，切實落實物理教學的最終目標.筆者以“浮力”復習課為例，巧用三個“蘋果”，培養學生科學思維.

1 深度備課，精選實驗器材

浮力內容主要包括“認識浮力”“阿基米德原理”“物體的浮與沉”三部分.本章一直是中考的重難點，具體題目會將二力平衡、密度、壓強以及力與運動等知識結合起來，綜合性較強，對學生分析推理能力、抽象思維能力、綜合解決問題能力都有較高的要求.

中考一輪復習進行到一半，學生大多覺得枯燥無味且比較疲乏，因為很多教師在復習課時僅僅是重復地“炒冷飯”，做題、講題、考試……如此循環;同時八年級內容由于時間間隔較長，所以學生遺忘的知識較多，且這部分知識零散，教師在教學中如果缺乏整合性和系統性將增加學生的厭煩心理.因此教師在進行備課時要注重知識的系統性，幫助學生將零散的記憶碎片整合重建.

物理是一門以實驗為基礎的學科，實驗器材的選擇將直接影響課堂教學效果.教材中羅列和浮力現象相關的例子和圖片，實驗室和生活中也有很多關于浮力的器材和例子，那么如何幫助學生化繁為簡，從“五花八門”的例子和器材中選取最適合學生、最能激發學生學習興趣的實驗？筆者認為實驗器材的選取應越簡單越好，實驗設計應該注重對深度的挖掘，即盡量用一個或者一類實驗或器材將所有知識點串聯起來.因此，本節課選取的主要實驗器材是空心的“蘋果”殼.如圖1所示，在1號塑料蘋果殼中裝入少量沙子，保證其能漂浮在水面上;在2號塑料蘋果殼里面放一些金屬塊，使其能沉底;教師可根據2號蘋果受到的浮力求出蘋果的體積，算出大約需要多少沙子能使3號塑料蘋果懸浮，在填充過程中可以用廚房秤進行精確測量.裝好之后為了防止蘋果殼漏水，可用防水膠帶將其纏繞，一些不密封的地方用熱熔膠密封即可.

2 深度教學，促進學習生成

2.1 啟動思維：設計對照認識浮力成因和方向

浮力的概念比較抽象，需要讓學生自己有一個切身的體會.先選取1號蘋果讓學生將其按入水底，仔細體會手的感覺，放手后觀察到蘋果上浮.經過這一小環節學生能夠體驗到1號蘋果在水里應該是受到一個向上的力.浮力屬于力的范疇，對于力的教學，我們依然從三要素入手.先分析其作用點，學生很容易得到受力物體就是1號蘋果，所以作用點就在1號蘋果上，教師順勢提問“為什么會產生一個向上的力”？

關于浮力產生的原因可以進行如下教學設計.將一個空心四面有開口的容器，在開口處固定橡皮膜，將該容器放入水中，觀察到橡皮膜發生形變，同時左右橡皮膜的形變程度相同，上下橡皮膜形變程度不同，如表1中圖2所示.根據液體壓強的知識可以知道：水對該物體具有壓力，由于左右橡皮膜在水中所處的深度相同，所以左右橡皮膜形變程度相同即所受壓力相同，由于物體下表面比上表面所在位置深，所以下面形變程度大，所以下表面受到的壓力大，據此現象得出浮力產生的原因是物體上下表面的壓力差.

關于浮力的方向，很多教師在教學時只是單純地對物體進行受力分析，例如，對1號蘋果進行受力分析，得到重力和浮力是一對平衡力，所以浮力的方向豎直向上.筆者建議在受力分析初步得到浮力的方向后應設置對照實驗進行深度教學.器材依然選取塑料蘋果殼，將空塑料蘋果底部用熱熔膠固定一段長度適當的細線，細線的另一端固定在塑料容器底部，做兩個器材以便對照.如表1中圖3所示先在第一個容器中加水，觀察到蘋果會浮起來，而且細線被拉到豎直方向，引導學生對蘋果進行受力分析，蘋果受重力、拉力、浮力保持平衡，因為重力和拉力的方向豎直向下，所以浮力方向應豎直向上.“那是不是在所有情況下浮力的方向都是豎直向上的”呢？引導學生進行更深度的分析.將第二個塑料容器底部的一側放一小木塊，使容器傾斜，重復剛才操作，蘋果也上浮且繩子依然是豎直，進而得到浮力的方向的確是豎直向上，見表1.此時，可以拿出事先準備好的氦氣球對學生進行獎勵，獎勵時故意讓氣球飛走，不僅能夠吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，營造輕松愉快的學習氛圍，還能讓學生知曉氣體也可以對浸在它里面的物體施加浮力，進而讓學生得到完整的浮力概念.

2.2 活躍思維：經歷過程，科學探究浮力大小影響因素

初中需要掌握的計算浮力的方法有平衡法、稱重法和阿基米德原理.在進行以上教學后，根據剛才的受力分析，提出問題“如何求出1號蘋果漂浮時受到的浮力”.學生自然而然想到此時G=F浮，因此得到計算浮力的第一種方法平衡法.讓學生進行實驗，記錄數據.

提供同樣外形的2號蘋果，讓學生將其放入水中，觀察此時蘋果所處的狀態與剛才有什么不同，引起學生的認知沖突，提問：“下沉的物體是否受到浮力？你有什么辦法驗證？”設置這個問題是為了引導學生利用受力分析提出稱重法測浮力.學生進行實驗測量出2號蘋果完全浸沒時受到的浮力.對比實驗1、2引導學生猜想浮力大小的影響因素，學生提出影響因素有排開液體的體積和液體的密度.

問題1：浮力的影響因素有2個，所以本實驗采用什么實驗方法？

問題2：探究浮力是否和ρ液有關時，如何控制V排相同？研究浮力是否和V排有關時，如何控制ρ液相同？

問題3：本實驗用什么方法測出每一次所受到的浮力大小？

引導學生設計表3，進行實驗.

2.3 培養思維：巧設問題，理解阿基米德原理

根據以上實驗得到浮力的影響因素是ρ液和V排，很多教師會直接給出阿基米德原理，但是這種授人以魚的方式不利于學生科學思維的培養.或者還有一部分教師先給出阿基米德原理后再利用溢水杯裝置分別測出G排和F浮對其進行驗證.然而在實際的教學中會出現：溢水杯實驗存在的誤差較大、器材短缺、學生實驗“臟亂差”等現象，所以筆者認為選取塑料袋裝水來驗證阿基米德原理優于溢水杯實驗.在普通的保鮮袋中裝入適量有顏色的水，便于學生觀察袋中水面與燒杯中水面關系，如圖6所示.測水袋實驗簡單易操作，但是要切實解決問題就必須要教師精心設計問題鏈，逐步引導學生自主建構阿基米德原理.

問題1：塑料袋在浸入水中的過程中彈簧測力計的示數如何變化？

問題2：浸入水中的過程水袋所受浮力的影響因素是？

問題3：袋中水逐步浸沒在水中時，對水袋進行受力分析，寫出幾個力的關系式.

問題4：測力計示數最終會變為多少？

問題5：根據關系式，測力計示數為0，說明F浮與G袋是什么關系？

問題6：測力計示數為0時，袋中水面與容器中水面有什么關系？

問題7：袋中水與容器中水面相平時，G袋與G排是什么關系？

問題8：結合問題2、3，F浮與G排的關系？

問題1、2是讓學生再次體驗浮力的影響因素是V排，起到呈上啟下的作用.問題3-5是為了得到F浮=G排;問題6、7是引導學生得到袋中水與容器中水面相平時V排=V袋水，又因為ρ排=ρ袋水，所以m排=m袋水，進而推導出G排=G袋水;結合F浮=G袋水=G排，從而得到F浮=G排.利用簡單的水袋實驗，可以讓每個學生都參與探究過程，提高學習的積極性.結合精心設計的問題鏈，逐步引導學生建構阿基米德原理，訓練學生的科學思維.

實際上學生有一個錯誤的前概念認為浮力與深度有關，因為根據生活經驗他們認為游泳時越往水中走，深度變深時浮力變大.在用水袋實驗驗證完阿基米德原理后，

教師可以引導學生推導出F浮=G排=m排g=ρ液V排g，所以浮力的影響因素的確是ρ液和V排，在浸沒之前浮力隨深度改變實際上也是因為他的V排在改變.可以將一個空塑料瓶慢慢壓入水中，引導學生體驗在逐步壓入塑料瓶的過程中手受到的向上的力在逐漸變大，同時注意觀察隨著塑料瓶壓入，容器中的液面在逐漸上升，如圖7所示.

2.4 拓展思維：妙用器材，比較浮力大小

比較浮力的大小是中考中經常出現的考點，筆者巧妙地利用三個蘋果設計好情境和順序，對學生進行引導，整理歸納出解題的一般模型，幫助學生降低難度，提高知識的整合性，提高復習效率.

類型一：比較同種液體中的不同物體所受浮力大小.先將三個蘋果都放入清水中比較它們受到的浮力.引導學生根據阿基米德原理分析ρ液一定時，V排越大，F浮越大，比較此時三個蘋果受到浮力的大小關系F浮2=F浮3>F浮1.類型二：比較同一物體在不同液體中的浮力大小.將三個蘋果依次從清水中拿到鹽水中，比較每個蘋果在不同液體中受到的浮力.依然先引導學生根據剛才的思路去分析ρ液和V排，發現此時ρ水<ρ鹽水，但是V排水>V排鹽水，若依然利用阿基米德原理無法得到浮力大小關系.激發學生的認知沖突，教師此時應該給予學生足夠的時間思考和討論，讓學生自行建構，培養學生思維.經過討論和思考學生可以得到1號漂浮蘋果在水中和鹽水中都是漂浮的，所以F浮=G，G不變所以浮力不變，因此F水=F鹽水.同理也可以得到3號懸浮蘋果也是利用這個解題模型.2號沉底蘋果，從清水到鹽水中，根據阿基米德原理分析V排一定時，ρ液越大，F浮越大.經過以上四個情境總結比較浮力大小的解題模型：先根據阿基米德原理分析ρ液和V排，若無法比較，再考慮根據浮沉狀態分析.

2.5 遷移思維：遷移應用，改變物體浮與沉

給學生提供鹽水、塑料袋等器材，讓學生分組合作討論并實驗改變蘋果的浮與沉.經過討論得到可以通過在1號蘋果中再加一些金屬塊增加其重力使其從漂浮狀態變為沉底狀態;可以將3號蘋果從水中拿到鹽水中通過增大ρ液來增大浮力，使他從懸浮變為漂浮;將2號蘋果裝進塑料袋里，在袋中吹氣并扎緊塑料袋，通過增大V排來增大浮力，使其從沉底變為懸浮.至此為學生整合改變物體浮沉的方法，并總結該方法在生活中對應的應用，物理學習要來源于生活并最終回歸生活.以此來提高學生思維的廣度，使學生零散的知識碎片得到系統化的整合，增加思維的邏輯性（如圖14所示）.

總結過程中發現通過改變ρ液來改變浮力的例子比較少，此時教師可以拿出事先準備好的伽利略彩球溫度計，為學生介紹該裝置的原理和特點：外界溫度改變時，容器中液體密度發生改變，從而改變帶有標志牌的玻璃球的浮沉狀態;該裝置是通過讀取懸浮在最上面的最下端那一個玻璃球的標志牌來實現溫度測量.教學中不僅要注重對學生思維的啟動和發展，培養學生思維時還要注重對思維深度和廣度的培養，伽利略溫度計的引入可以提高學生的學習興趣，提高學生用物理知識解決實際問題的能力，促進思維深度的提升.

3 深度反思，提高思維品質

布萊克（Black P）說：“學生學習的重要收獲來源于關于他們學習的反饋，尤其是能引導學生不斷努力的具體反思，會強烈地促進學生學習.”深度反思無論是對教師提高自身教學水平，還是學生提高自己思維品質都具有非凡的意義.教師也要不斷自我反思教學方法、教學策略等.例如本堂課，在探究浮力產生原因時，實驗器材的組裝比較有難度，實驗現象學生觀察得不是特別明顯，所以在后續教學中應該思考如何進行改進.同時教師要引導學生進行深度反思，反思自己的學習狀況、學習方法等，如有不當之處，教師應及時幫助學生調整學習策略，實現深度學習，提高自身思維品質.

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（收稿日期：2021-04-28）