實施差異教學，提升學生科學探究能力

游天下 柴世科 毛國永

[摘 要]通過“壓力作用效果的影響因素”的探究活動來建構“壓強”概念是一種有效途徑。教材中設置的“壓力作用效果的影響因素”探究活動易于操作，能定性得出探究結論，而“壓強”是一個用比值來定義的物理量，僅以定性的結論引出不足以讓學生深刻理解。文章基于學生個體差異，細分能力培養目標、探究內容、探究任務、探究評價，以分層分類探究模式進行差異化指導，搭建“定性分析”與“定量分析”的思維橋梁，提升學生的科學探究能力。

[關鍵詞]差異教學;科學探究能力;壓強

[中圖分類號]? ? G633.98? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2022）02-0093-03

《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》對“壓強”課程內容的要求是理解壓強的含義。比較不同版本教材，發現均是由“壓力作用效果的影響因素”的探究活動來引出“壓強”概念的。對該探究活動的處理直接影響學生對“壓強”概念的理解。華師大版初中科學教材設置了兩個探究活動（如圖1和圖2），浙教版初中科學教材設置了1個探究活動（如圖3）。

兩個版本教材設置的探究活動有以下共同點：實驗步驟簡潔，注重控制變量法的運用，易定性得出壓力作用效果的影響因素;探究實驗器材單一，沒有量化，缺少思維引導。關于“壓強”概念的建立有多種主張，有人主張用比值定義法;有人主張用控制變量法;有人認為兩者均可;有人認為在探究壓力作用效果的影響因素時應采用控制變量法，而在建立“壓強”概念時應采用比值定義法;還有人認為沒有必要采用控制變量法開展“壓力作用效果的影響因素”探究活動。對于此觀點，筆者并不贊同。“壓力作用效果的影響因素”探究活動不僅應該保留，而且更應該根據學生的個體差異進行分層組織。筆者認為，在引導學生開展此探究活動時，教師應分層制訂能力培養目標，指引學生進行差異化探究，并實施差異化評價，幫助學生從不同的角度去理解壓力的作用效果，從而有效建立“壓強”概念，深刻理解“壓強”的本質內涵，最終實現學生科學探究能力的差異化發展。

一、制訂能力培養目標，指引差異化探究

（一）總目標

因為學生個體存在差異，所以他們的科學探究能力水平也相應存在一定的差異。根據學生的科學探究能力水平，結合量化測試，將學生分為A（科學探究能力強）、B（科學探究能力中等）、C（科學探究能力弱）三個層次。針對不同層次的學生，分層制訂科學探究能力培養目標，并指出重點培養學生的猜想能力，實驗及設計能力，解釋、檢驗與評價的能力。

（二）差異化目標

對于重點培養的科學探究能力，筆者制訂了差異化目標。例如，對于猜想能力，要求C層次學生能在體驗性活動（如圖1）的基礎上針對一個影響因素提出猜想;要求B層次學生能在體驗性活動（如圖1）的基礎上針對兩個影響因素提出猜想;要求A層次學生能根據生活中有關壓力的現象，聯系力的作用效果對壓力作用效果的影響因素做出準確的猜想，并陳述理由。對于實驗及設計能力，要求C層次學生能根據教材中提供的實驗器材運用控制變量法設計一套實驗方案，探究其中一個因素（壓力大小或受力面積）對壓力作用效果的影響，并在A、B層次學生的幫助下能進一步對另一個因素進行探究;要求B層次學生能使用教材之外的實驗器材運用控制變量法設計一套完整的實驗方案，并能依照實驗方案開展實驗探究;要求A層次學生能利用氣球等器材設計具有挑戰性的實驗方案，并能思考、比較在未控制變量的情況下壓力的作用效果如何，分析問題本質，搭建從控制變量到比值定義的思維橋梁。對于解釋、檢驗與評價的能力，要求C層次學生能在教師的幫助下對實驗結果進行準確描述;要求B層次學生能相互評價多種實驗方案的可行性，并通過同伴互助能對實驗結果進行準確描述;要求A層次學生能夠評價實驗的新發現，反思實驗過程。總之，教師應制訂好各項科學探究能力的差異化培養目標，以更好地引導學生開展差異化探究。

二、設計差異化探究，理解“壓強”概念

（一）器材準備

為了更好地開放實驗過程，筆者為學生準備了多種可選擇的實驗器材：一個礦泉水瓶、一個完整的易拉罐、一個去底的易拉罐、適量的水、一個玻璃器皿、一根橡皮筋、一張白紙、一個尖腳的正方形小木凳、一塊海綿、一盒鉤碼、兩個長方體大鐵塊、四個相同的長方體小鐵塊、一盒圖釘、一張硬紙板、五個氣球、一支小型充氣筒、一把刻度尺。

（二）基礎性探究

本課設計的基礎性探究主要是讓學生利用簡單的實驗器材探究壓力作用效果的影響因素。通過基礎性探究，學生體會到了控制變量法和轉換法的應用價值，提升了自身的科學探究能力。例如，在基礎性探究中，A層次學生很容易就能對壓力作用效果的影響因素做出準確的猜想，甚至還想到了受壓物體表面材料對壓力作用效果的影響。而B、C層次學生借助圖1的體驗性活動和結合生活經歷，也能提出“壓力”“受力面積”影響壓力作用效果的猜想。學生的猜想能力得到了很好的培養。在探究前，讓C層次學生結合教材實驗插圖對探究過程進行描述，提示他們注意對變量的控制，培養其嚴謹的探究意識。在探究過程中，讓C層次學生獨立設計實驗探究方案，并依照方案完成實驗探究，其間讓A、B層次學生對實驗過程進行觀察并提供幫助，使C層次學生能夠順利完成對兩個影響因素的探究。對于B層次學生，則讓他們利用礦泉水瓶進行實驗設計，如往礦泉水瓶中裝不等量的水，然后把礦泉水瓶正放在同一塊海綿上，觀察海綿的凹陷程度，以此研究壓力對壓力作用效果的影響;將裝有部分水的礦泉水瓶分別正放、倒放在同一塊海綿上，觀察海綿的凹陷程度，以此研究受力面積對壓力作用效果的影響。A層次學生能想到利用易拉罐進行實驗設計，他們先將完好的易拉罐和去底的易拉罐分別正放在平整的細沙上，然后在兩個易拉罐的頂部放上等質量的鉤碼，比較易拉罐在細沙中的下陷程度，而后增加去底易拉罐頂部的鉤碼質量，再比較去底易拉罐在細沙中的下陷程度與所放鉤碼質量的關系。除此之外，還可以鼓勵學生利用四個長方體小鐵塊來進行實驗，主要是改變它們在同一塊海綿上的放置方式（如圖4）。選擇不同的實驗器材設計實驗，難易程度不同，可讓學生的實驗及設計能力得到有效提升。在交流評議階段，以組間評議的形式，把對應難度的基礎性探究留給相應層次的學生進行交流闡述，提升學生的解釋、檢驗與評價的能力。這樣，通過猜想引導、活動分層、評價分層，深化了學生對壓力作用效果影響因素的認識，也提升了學生的科學探究能力。

（三）深度探究

在基礎性探究中，學生對壓力作用效果的影響因素已有清晰的認識，為了深化學生的理解，活躍課堂氣氛，筆者引導學生利用提供的實驗器材進行深度探究。先提出探究問題：氣球扎到釘子容易破裂，這是一種常見現象，那么能否讓氣球置于圖釘尖上，再在氣球上放上科學課本，而氣球也不破呢？這種認知上的沖突，讓學生的實驗探究具有一定的挑戰性。在基礎性探究中，對于“受力面積”這一影響因素，學生在實驗設計時更多的是一種定向的選擇，所以較容易想到如何改變受力面積。而深度探究把任務聚焦于如何想到改變受力面積以及如何改變受力面積，從理解到應用，要求更高，難度更大。在進行實驗設計時，觀察A、B、C三層次學生的思維表現，重在發展A層次學生的實驗及設計能力。若發現學生遇到實驗設計瓶頸，可降低探究難度，實施差異化指導，如引導其關注在壓力一定時改變受力面積可改變壓力的作用效果。待實驗設計方案達成共識后，可請部分學生上臺演示實驗。這樣，學生在實驗過程中就有滿滿的成就感，其解釋、檢驗與評價的能力也相應得到了提升。

經過上述的探究，學生對壓力作用效果的影響因素的認識更加清晰、深刻，這對“壓強”概念的建構是極為有利的。對此，筆者繼續提出探究問題：“如果在同一塊海綿上分別立放小鐵塊和平放大鐵塊，海綿的凹陷程度會怎么樣？”B、C層次學生大多數不會比較，理由是沒有控制好變量。A層次學生能做出正確的判斷，但不能說出個所以然。對此，筆者讓每一小組中的C層次學生進行實驗，并描述實驗現象，以此提高C層次學生的探究參與度。嘗試讓B、C層次學生分析本質問題：兩鐵塊壓力不同、受力面積也不同，沒有控制好變量，能否從中尋找相同的要素進行比較？海綿每一單位受力面積上產生的形變實則反映了鐵塊對其壓力的整體作用效果。因此，可從中進行求同比較，即比較單位面積的形變程度;再進行求異分析，即海綿的形變程度不同是因為單位受力面積上所受的壓力不同。取單位受力面積分析，因為小鐵塊更高，所以它對單位面積的海綿壓力更大，因此小鐵塊對海綿的壓力作用效果更明顯。可見，要比較壓力的作用效果可以比較其單位面積所受到的壓力。

那么上述的定性分析能否轉換成定量分析呢？指導學生在上述實驗的基礎上進行定量分析。例如，A、B層次學生在圖4實驗中用刻度尺測量甲、丙在同一塊海綿上的凹陷深度，比較海綿凹陷深度是否與壓力大小成正比。鑒于材料本身的特性，該實驗雖難以定量完成，但經歷這樣的實驗設計，親歷這樣的探究過程，學生無疑對科學本質的認識更清晰，對“壓強”概念的理解更深刻。

三、實施差異化評價，實現差異化發展

（一）自選化評價

自選化評價，即允許學生用自己擅長的方式表達探究結果、完成探究任務，以激發學生的探究興趣。本課的自選化評價的內容包括探究方法的選擇，探究的注意事項，探究步驟、現象、結論的表述，其中表述的方式可多樣化。如允許學生用語言表述探究方案和探究結論，其間重在觀察其是否注意到對控制變量法的運用;允許學生用簡圖表達探究方案設計，關注其簡圖是否科學簡潔;鼓勵學生選擇性地評價同伴的實驗方案的可行性，能將科學方法、注意事項融入各個實驗方案中。

（二）自省化評價

自省化評價，即在探究活動告一段落后，鼓勵學生通過反思的方式，評價探究結果以及自己在整個探究活動中的表現，從而促進學生得到最大限度的發展。本課的自省化評價的內容主要是對探究活動的反思。C層次學生重在反思通過探究所得到的收獲，A、B層次學生重在反思探究方案的可行性和局限性。如C層次學生評價自己在探究活動中的表現，在哪些環節通過積極參與、積極思考有新的收獲，對壓力作用效果和壓強有什么新的認識。A、B層次學生在上述探究之后有了這樣的反思：（1）上述用刻度尺測量的定量實驗為什么沒有達到預期效果？因為材料本身的特性，海綿的形變與所受壓力不成正比例關系，這正是刻度尺測量的定量實驗難以達到預期效果的原因。（2）如果選擇桌面作為受力物體，適合探究嗎？為什么？雖然桌面不適合用于探究“壓力作用效果的影響因素”，但是桌面承受的壓強依然存在，結合對單位受力面積的分析，可讓學生更好地區分壓力作用效果與壓強的關系，深刻理解壓強概念。

基于學生的個體差異，通過“壓力作用效果的影響因素”的探究活動來建構“壓強”概念是一種有效途徑。“壓強”雖不等同于“壓力作用效果”，但在探究中根據目標的差異化，選擇差異化探究內容是符合學生的認知發展規律的。教師進行差異化教學設計，由基礎性探究到深度探究，將壓力作用效果合理地過渡至壓強概念，以此突破壓強概念建構的難點。該探究活動的開展符合差異教學理論的觀點：從個體差異出發，開展有差異的教學，最終實現學生差異化發展，提升學生的科學探究能力。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.義務教育初中科學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]? 袁運開.義務教育教科書·科學：八年級上冊[M].上海：華東師范大學出版社，2017：37-38.

[3]? 朱清時.義務教育教科書·科學：八年級上冊[M].杭州：浙江教育出版社，2013：117-118.

[4]? 鄭淵方.壓強概念的辨析與教學設計[J].物理教師，2014（12）：32-34.

[5]? 毛國永. 開放過程，實施差異教學：以《阿基米德原理》一課為例[J].中學教學參考，2014（8）：119-120.

（責任編輯 黃春香）

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