大概念引領下的學生自主創新實驗①
——以“制作更聽話的浮沉子”為例

陳菊清 湯金波

(1. 北京亦莊實驗中學，北京 100176； 2. 南京師范大學附屬中學樹人學校，江蘇 南京 210036)

錢學森之問拷問著每一位教師：“為什么我們的學校總是培養不出杰出人才？”在傳統教學中，學生刷題花費了太多的時間和精力，而且在很多時候是被動的、不過腦子的，形成一種“熟練度錯覺”，實際上并沒有真正理解。習近平總書記在全國教育大會上強調：“要在增強綜合素質上下功夫，教育引導學生培養綜合能力，培養創新思維。”大概念引領下的學生自主創新實驗能夠切實培養學生的核心素養。

1 大概念引領下的學生自主創新實驗的內涵

1.1 大概念

大概念是聯結各種小概念的“概念”，是指有組織、有結構的科學知識和模型，能將分散的知識和技能整合起來，可以對較大范圍內的一系列相關現象進行解釋和預測，大概念包括學科核心概念和跨學科概念。[1]

1.2 學生自主創新實驗

自主即自己做主，創新即拋開舊的、創造新的。學生自主進行創新實驗，學生是主體，自主是常態，創新是靈魂，實驗是載體。[2]

1.3 大概念引領下的學生自主創新實驗

圍繞大概念，創設真實情境，引導學生發現問題與分析問題，自主設計和動手實驗，去解決實際問題，這就是大概念引領下的學生自主創新實驗，它具有以下特性：(1) 創造性。自主創新實驗不是教材編制的實驗，需要教師創造性地設置情境；(2) 趣味性。 自主創新實驗能夠激發學生的學習興趣、思考與行動的熱情；(3) 挑戰性。 自主創新實驗需要學生持續不斷地探究才能完成；(4) 實效性。通過自主創新實驗能解決實際問題。

2 大概念引領下的學生自主創新實驗案例

“壓強與浮力”是初中物理的核心概念，通過壓力聯結成概念體系，壓強是表示壓力作用效果的物理量，包括固體壓強、液體壓強和大氣壓強，浮力是液體或氣體對浸在其中的物體施加的壓力的合力。在“壓強與浮力”的教學中，教師要把設計的學習目標、任務、計劃、工具和資源包提前發給學生，并進行簡單介紹。教師首先展示已經制作好的容易下沉和上浮的浮沉子，學生會提出問題：浮沉子為什么能下沉和上浮？再展示一個不容易下沉的浮沉子，引導學生提出問題：怎樣制作出更“聽話”的浮沉子？幫助學生明確“壓強與浮力”大概念學習的核心任務，完成相應的學習規劃。

學生為了完成核心任務，需在不同課時逐步完成“探究影響壓力作用效果的因素”等8個相關的自主創新實驗。學生通過自主探究，構建相應的物理概念，進而聯結成概念體系。結構化的大概念，有利于學生進行存貯和提取，有利于綜合運用。為了運用大概念來完成核心任務——制作出更“聽話”的浮沉子，需探究以下問題：怎樣制作和使用浮沉子？怎樣使浮沉子下沉？怎樣使作用在飲用水瓶上的壓力更小，撤去壓力后，浮沉子能夠上浮？

鼓勵學生猜想：影響浮沉子下沉所需最小壓力的因素有哪些？學生交流自己的猜想：影響因素有浮沉子的質量、浮沉子內空氣的體積、浮沉子的體積、浮沉子的放置方式、浮沉子的開口情況、飲用水瓶內空氣的體積、壓力作用在飲用水瓶上的位置、飲用水瓶的容積、不同品牌的飲用水瓶……

每一個可探究的科學問題中都有因變量、自變量和不變量，在本實驗中因變量是作用在飲用水瓶上的壓力，測量工具是推拉力計。教師引導學生討論：怎樣確定不變量？怎樣控制不變量？在實驗1中，自變量為浮沉子的質量，浮沉子的質量需要改變，猜想到的其他量都需要保持不變。如何保持浮沉子內空氣的體積不變呢？引導學生通過分析提出實驗方案：需提前測出塑料瓶的質量m、總容積V和保險絲的密度ρ，若瓶內空氣的體積V0保持不變，取適量保險絲，測出其質量m1，求出保險絲體積V1，再測出小塑料瓶中需加水的體積V2和質量m2、浮沉子總質量m總，只需改變保險絲的質量，就能保持浮沉子內的空氣體積不變。

通過討論確定實驗方案后，每一個小組至少領取兩個實驗任務，全班同學配合完成全部實驗，教師提供評價量規(表1)，幫助學生進行自我評價。

表1

在準備臺上擺出實驗器材有：量程為0～200 N的推拉力計、最大秤量為500 g的電子天平、針筒上標有刻度值的帶針頭的注射器、刻度尺、保險絲、大小不同的小塑料瓶、燒杯、水、水槽、細線、各種飲用水瓶等。讓學生在課外活動時間完成綜合性的自主創新實驗，記錄和處理數據，撰寫報告。在學生完成實驗后，在班上進行成果展示、交流。

讓學生像科學家那樣進行真實問題的探究，在探究的過程中他們會發現新的問題，可以尋求教師幫助。在實驗中，有學生發現了一個奇怪的現象：在浮沉子沉底后松手，浮沉子不能浮上來。但擰松飲用水瓶蓋時，浮沉子又會上浮，這是為什么呢？筆者讓他們提出猜想，進行實驗，分析討論。他們終于找到了原因：蓋上飲用水瓶的瓶蓋后，就把瓶內外的空氣隔開了，在擰緊瓶蓋的過程中，瓶蓋不斷下移壓縮瓶內空氣，使瓶內空氣的壓強不斷增大。在擰松瓶蓋的過程中，瓶內空氣的壓強就不斷地減小，浮沉子中的空氣就不斷膨脹，當浮沉子所受浮力大于重力時，就上浮了。他們發現和解答這個問題后，特別興奮。

在實驗中利用打火機和尖嘴鉗將浮沉子密閉，分別測出浮沉子粗端和尖端朝下時所需的最小壓力。學生觀察到與想象不一致的現象：密閉浮沉子粗端朝下時，使浮沉子下沉所需的最小壓力明顯要小些。這是為什么呢？筆者和學生一起討論，如果是由形狀引起的，細端朝下時，更接近流線形，所受阻力更小，應該是更容易下沉。根據帕斯卡定律可知：當壓力作用在飲用水瓶上時，浮沉子對應部分因此而增加的壓強相等，增加的壓力相等，增加的壓力的合力為零。在浮力與重力大小相等時，浮沉子所受的合力為零，運動狀態不改變，可把浮沉子看作一點，在飲用水瓶內水中的相對位置不變。浮沉子尖端和粗端的勁度系數不同，當粗端朝下時，粗端更容易變形，會使浮沉子中的水面上升，而浮沉子的重心在飲用水瓶內水中的相對位置保持不變，浮沉子要下移。當尖端朝下時，尖端不容易變形，就不會出現粗端朝下時所呈現的現象。所以浮沉子粗端朝下時，使浮沉子下沉所需的最小壓力更小些。

學生通過交流、討論，總結出制作更“聽話”的浮沉子的方法：

(1) 用相同塑料瓶制成的浮沉子，質量應盡量大些，但必須保證浮沉子的平均密度小于水的密度，還需保證松手后，浮沉子能上浮，多次實驗的經驗表明：浮沉子的平均密度在0.95 g/cm3左右比較合適。浮沉子內空氣的體積應盡量大些，所以加到浮沉子中的配重需選用密度較大的材料。

(2) 如果是制作開口的浮沉子，可以選用開口較大的小玻璃瓶、小塑料瓶來制作，或者用吸管等可彎折的管狀物來制作。

(3) 如果是制作密閉的浮沉子，可以使用小塑料瓶，粗端朝下時它更“聽話”。

(4) 需選用形狀規則、勁度系數合適、容積較小的飲用水瓶。

(5) 飲用水瓶內空氣的體積應盡量小，可以裝滿水。

(6) 壓力作用在飲用水瓶側壁上部的位置。

3 案例反思

教學實踐表明：解決較復雜的實際問題需要運用大概念，本案例需要綜合運用組成大概念體系中的壓力、壓強、液體壓強、大氣壓強、阿基米德原理、物體的浮沉條件等，能幫助學生更好地理解各個概念之間的關聯，促進學生對大概念的深入理解，有利于大概念的遷移創新，大概念引領下的綜合性學生自主創新實驗能更好地提高學生的核心素養，主要體現在以下幾個方面。

3.1 提高學習效能

實驗看起來比刷題費時，卻是一種高效能的學習方式。真實有趣的問題驅使學生綜合運用大概念深入探究，各小組同學按照制訂的規則交流合作，眼、耳、口、手、腦多器官參與，能讓學生維持較長時間的興奮，加強神經元突起之間的回路聯系，發展學生的科學思維，形成物理觀念，增強學生解決實際問題的能力。學生運用大概念解決較復雜的實際問題，對大概念理解的深度是無法通過刷題達到的，所獲得的成就感是無法通過刷題體會到的，這種成就感能激發學生的內驅力，促進學生自主學習。

3.2 增強學生的合作交流能力

學生通過親身經歷能體會到：在運用大概念進行探究的過程中，小組成員必須分工配合，齊心協力，才能更快、更好地完成任務。實驗在課外完成，學生以實驗小組為單位在課堂進行展示交流。成員A進行實驗設計匯報，成員B負責進行操作展示，成員C進行數據和實驗結論展示，組長進行實驗評估和回答其他組同學的提問，回答問題時組內其他同學可以補充。在交流中，提問和回答的環節最精彩，學生熱情最高。

3.3 促進學生的個性發展

利用評價量規幫助學生進行自我評價和反思，尊重學生的個性差異。基礎薄弱的學生可以選擇其中的簡單問題進行探究，可以尋求同學幫助。基礎扎實的學生可以進行較復雜問題的探究，在探究過程中會不斷發現新的問題，促使他們深入思考和持續探究。

3.4 培養學生的科學態度

通過對真實問題的綜合探究，有利于培養學生嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度。利用現代裝備和技術，快速獲取更精確的數據，便于得到準確的實驗結論。學生會發現出乎意料的現象，能夠尊重事實，深入探究。

總之，大概念引領下的學生自主創新實驗，能實現從以教為中心到以學為中心的變革，實現從做題到做事的轉變，提高學生的核心素養。