基于學習進階理論的“浮力”教學設計與分析

［摘 要］“浮力”是初中物理教學中的難點，將學習進階理論運用到“浮力”教學中，圍繞核心概念和關鍵能力，幫助學生構建合適的進階路徑，有助于促進學生深度學習、發展學生的學科素養。

［關鍵詞］學習進階；浮力；初中物理；學科素養

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0028-03

學習進階描述的是在教學影響下的學生在某領域認知發展的藍圖［1］。學習進階刻畫的是學生思維發展的過程，包括知識內容的進階和關鍵能力的進階。就初中學生而言，雖然他們在學習“浮力”這部分內容時已初步具備了物理學科的思維方法和能力，但總體仍以形象思維為主，需要教師在教學過程中根據教學內容和學生的實際情況設計符合學生認知發展規律的學習路徑，以幫助學生加深理解、發展思維、提升能力。

一、分析學情，把握經驗起點

（一）經驗基礎

與浮力有關的現象在生活中比較常見，所以學生對浮力的存在與影響因素有許多生活經驗。例如，乒乓球能漂浮在水面，石塊會沉入水底，在水中加鹽能使下沉的雞蛋上浮等。這些生活經驗雖會讓學生對浮力及其影響因素有一個初步的認識，但也讓學生對浮力有一些錯誤的認知，如重的物體在水中會下沉，輕的物體在水中會上浮，物體浸沒得越深受到的浮力越大等。

（二）知識基礎

學生已經對力的基本概念有比較清晰的認識，已學過彈力、重力和摩擦力，知道力的三要素，會用彈簧測力計測量力的大小，能對物體進行受力分析，會解決“二力平衡”問題，知道力與運動的關系，這些都是浮力概念建立的基礎。但隨著學習的深入，學生需要對“非平衡狀態的物體”和“受到多個力的物體”進行受力分析，因此對學生的思維能力和綜合運用能力提出了更高的要求。

二、研究教材，規劃進階路徑

《義務教育物理課程標準（2022年版）》對浮力內容的要求是：通過實驗，認識浮力；探究并了解浮力大小與哪些因素有關；知道阿基米德原理，能運用物體的浮沉條件說明生產生活中的有關現象。蘇科版物理八年級下冊教材安排了與“浮力”相關的兩節內容，分別是“浮力”（第十章第四節）和“物體的浮與沉”（第十章第五節）。雖然只有兩節內容，但是教師在進行教學設計時還是應該依據“單元教學”設計理念，優化學生物理核心素養養成的思維構建路徑，促進學生達成知識結構化、素養內稟化、能力外顯化的目的［2］。

基于學習進階理論的教學設計有兩大核心要素：進階內容和進階層級。教師應根據教學內容和學生已有經驗，明確進階起點，再根據學生學習后的預期表現和獲得的關鍵能力確立進階終點。學生在進階過程中容易產生一些錯誤思維，需要教師設計出合理的學習路徑，幫助學生搭建“思維臺階”突破迷思，真正實現思維進階［3］。“浮力”內容新授課的進階過程見表1，一般需要2～3個學時。

三、設計活動，指向素養發展

（一）創設恰當情境，喚醒已有經驗

［教學片段1］

教師將一個密度略大于水的土豆放入水中后，土豆沉入水底。

師：有什么辦法讓沉在水底的土豆浮起來？

生：往水里加鹽。

師：（往水中加鹽并攪拌）土豆果然浮起來了，你們知道土豆為什么會浮起來嗎？

生：因為受到浮力的作用。

師：浸在液體中的物體受到液體對它向上托的力，這個力叫浮力，那浸在氣體中的物體是否也受到浮力的作用呢？

生：應該也受到，我們小時候買的氫氣球（實際充的是氦氣），如果沒抓牢會往天上飄。

師：浸在液體或氣體中的物體都會受到向上的浮力作用，那這個力的方向是豎直向上還是斜向上？有辦法驗證你們的想法嗎？

生：土豆漂浮在水面保持靜止，此時浮力與重力是一對平衡力，因為重力的方向是豎直向下的，所以浮力的方向應該是豎直向上。

……

評析：小學科學課關于浮力的知識，雖然可以讓學生想到“往水里加鹽，使土豆上浮”的辦法，但學生對浮力的方向并不十分明確。教學中，教師應引導學生運用“二力平衡”知識來判斷漂浮物體所受浮力的方向，實現知識的遷移和運用。此外，教師還可以提醒學生回憶“判斷重力方向”的方法，引導學生設計出如圖1所示的實驗。雖然“浮力概念的建立”和“浮力方向的判斷”不是本節課的重點，但在條件允許的情況下，適當地將教學過程“復雜化”一些，有助于加深學生對概念的理解，也有助于發展學生的多元化思維。

（二）科學推理，建構物理模型

［教學片段2］

教師將漂浮在鹽水中的土豆拿出，再次放入清水中。

師：在液體中上浮的物體受到浮力的作用，那下沉的物體是否也受到浮力的作用？

生：可能也受到浮力的作用，我和某同學一起去游泳，在水中感覺人變輕了。

師：這位同學說 “物體浸入水中會變輕”，你能設計實驗來驗證嗎？

生：用彈簧測力計測出物體的重力，再將其浸入水中，觀察彈簧測力計的示數是否發生改變。

師：注意，選取的研究對象應該是放在水中會下沉的物體。

……

評析：這部分教學及其主要目的，一是讓學生明確下沉的物體也受到浮力的作用，二是讓學生掌握“稱重法”測浮力。“稱重法”的本質是“同一直線上的三力平衡”的受力分析模型。在學生看到“將物體浸入水中，彈簧測力計的示數變小”后，教師應引導學生對該物體進行受力分析并思考，此時物體受到的拉力小于重力，但物體處于平衡狀態，依據“平衡力”的知識分析可知，該物體必然還受到一個向上的力，這個力就是浮力，大小等于重力與拉力之差，以此讓學生在觀察、分析、推理的過程中發展模型建構和推理論證的能力。

（三）科學方法，關注思想內核

探究影響浮力大小的因素是浮力教學的難點，而控制變量法的思想內核是教學的重點。對于控制變量法，三個問題非常重要：如何測量因變量？怎樣改變自變量？如何控制變量？在教學實踐中筆者發現：受“影響液體壓強因素”實驗的影響，總會有學生提出“浸入液體的深度越深，物體所受浮力越大”的猜想。針對這種猜想，一般的處理方式是：在物體完全浸沒后，增加物體浸沒的深度（不碰底），彈簧測力計的示數不變，從而證明浮力與物體浸沒的深度無關。但由此也讓學生產生了一個新的疑惑：未完全浸沒時，物體受到的浮力大小與深度有關嗎？針對這個疑惑，教師可以設計如下進階問題串：如何測量物體受到的浮力？需要保持哪些量不變？在物體不完全浸沒的情況下，怎樣保證物體排開液體的體積相同但浸入液體的深度不同？通過討論，最終可以設計出如下實驗（如圖2）：先將一塊長方形的鋁塊豎著懸掛，一半浸入水中；再將其橫著懸掛，一半浸入水中（保證排開水的體積不變）；最后測得鋁塊兩次受到的浮力大小，并進行比較，從而證明“當物體未完全浸沒時，物體受到的浮力也與物體浸入液體的深度無關”。探究教學不能只關注最終結論的獲得，還應重視設計實驗方案的過程，這個過程中科學方法的思想內核是關鍵，它決定了學生對科學方法的理解和遷移。

（四）多措并舉，鼓勵創新

［教學片段3］

師：根據剛才的活動，我們知道了“浸在液體中的物體受到的浮力大小與液體的密度和物體排開液體的體積有關”，能否將這兩個因素合并，提出新的猜想？

生：根據公式“[m=ρV] ”，物體受到的浮力大小可能與排開液體的質量有關。

師：浮力是一種力，能和質量相等嗎？

生：可以測量物體排開液體的質量后計算出這部分液體的重力，或者直接測量物體排開液體的重力，再與物體受到的浮力進行比較。

師：你們能想到哪些辦法測量物體排開液體的質量或重力？

……

評析：考慮學生能力及課堂容量，蘇科版教材的編寫者在編排內容時直接呈現阿基米德原理的內容及公式，并在本章結束后的“反思與評價”中安排了一個驗證性實驗。實際教學中，教師不妨在課堂上多花一點時間，讓學生設計實驗并通過實驗得出阿基米德原理。這樣不僅可以加深學生對原理的理解，還有助于發展學生的推理能力和創新精神。

教材給出的實驗方案如圖3所示。但實際上，學生往往還會提出一些其他的設計方案，如“先用量筒測出物體的體積，再測出等體積水的重力，最后與物體完全浸沒在水中時受到的浮力進行比較”“在燒杯中放入適量的水并用筆標記出此時水面的位置，把物體浸沒在水中，先測出物體此時受到的浮力，再用注射器吸出燒杯中的一部分水直至液面再次回到標記處，測出被吸出水的重力，并與物體受到的浮力進行比較”……教師應鼓勵學生大膽地說出自己的想法，并讓學生從可行性的角度對這些方案進行評價，如果確定幾種方案都可行，可以在條件允許的情況下讓學生自行選擇方案進行實驗，實驗結束后再一起交流結論、驗證猜想。思維的培養需要一個長期的過程，課堂教學中，多留出一點時間，讓學生進行交流、思考和嘗試，有利于學生在這個過程中發展科學思維、培養創新能力。

（五）知識整合，追求真正理解

［教學片段4］

情境1：將一個較小的土豆放入水中后，土豆下沉。

師：能否利用所學知識解釋“土豆在清水中下沉、在鹽水中上浮”的原因。

生：鹽水的密度比清水的大，土豆在清水中受到的浮力小，在鹽水中受到的浮力大。

情境2：將一個較大的土豆將放入水中，土豆仍然沉入水底。

師：是否如同學所言“受到的浮力小，所以物體下沉；受到的浮力大，所以物體上浮”？浸沒在水中的大土豆受到的浮力比小土豆大，但為什么大土豆還是沉入水底了呢？

生：因為大土豆的重力更大一些。

師：那能否說“重力大的物體放入液體中就會下沉，重力小的物體就會上浮”？

生：這種說法不對，物體的浮沉情況與物體受到的重力和浮力都有關系。

師：具體是什么關系？

生：重力小于浮力時會上浮。

師：能設計個方案用實驗驗證一下嗎？上浮的物體好像沒辦法用“稱重法”測浮力呀！

生：（思考后）先測出土豆的重力，再測出土豆的體積和鹽水的密度，用阿基米德原理計算出土豆受到的浮力，再與土豆的重力進行比較。

……

評析：“物體的浮沉條件”這節內容整合了“密度”“阿基米德原理”“力與運動”等相關知識，對學生的思維能力和綜合運用能力要求比較高。教師可以展現如圖4所示的思維導圖，幫助學生厘清概念邏輯、構建相關知識脈絡，并讓學生運用所學知識解釋生產和生活中的一些現象，從而真正達到整合知識內容、提升學生素養的目的。

四、結語

教學實踐表明，學生的思維發展不是一個自發的過程，需要教師幫助學生搭建必要的進階平臺、設計恰當的進階路徑，引導學生在促進發展的有意義的物理學習過程中發現問題、解決問題，不斷發展高階思維，從而促進學生深度學習，提升學生的物理學科核心素養［4］。課堂的腳步無須太快，這樣教師才能“聽到”學生思維“拔節”的聲音。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 姚建欣，何春生.基于學習進階的中學物理教學改進研究：機械運動與力［M］.北京：北京師范大學出版社，2020.

［2］? 忻賢灝，鄧志文.基于學習進階理論的物理教學單元設計實踐探索：從課時設計走向單元設計［J］.中學物理，2023（11）：10-15.

［3］? 黃冠.基于學習進階的初、高中物理銜接教學策略［J］.中學物理，2022（16）：14-17.

［4］? 李昕.基于深度學習的初中物理教學策略：以初中“浮力”教學為例［J］.中學教學參考，2021（14）：46-47，60.

（責任編輯 易志毅）