數字化賦能探究實驗改進的實踐探索
——以“探究浮力大小與哪些因素有關”實驗設計為例

劉展鷗

(上海市民辦新復興初級中學,上海 200081)

1 方案辨析

初中必做實驗之一“探究浮力大小與哪些因素有關”,在課標示例中僅要求“用水、鹽水、金屬塊、彈簧測力計等,探究金屬塊所受浮力與哪些因素有關”,[1]但實驗結論“浮力大小F浮與浸入液體體積V浸和液體密度ρ液有關”與阿基米德原理尚有差距.若直接給出阿基米德原理,則與課標倡導的“基于證據得出結論并作出解釋”[1]的要求相悖.為此文獻[2]也希望實驗可以拓展為探究F浮是否與V浸成正比及F浮是否與ρ液成正比,并給出了活動建議.

現行諸多初中教材也均對此作出優化設計,以人教版為例,就在第10章中設置了兩個探究實驗,如圖1和圖2所示.[3]

圖1 實驗1:探究浮力大小與哪些因素有關

圖2 實驗2:探究浮力大小跟排開液體所受重力的關系

對于教材方案,大量文獻基于認知理論做了研究.例如文獻[4]認為實驗原理不夠顯性,且不能動態地展示出F浮與G排的關系,實驗增加了學生的認知負荷.文獻[5]認為探究的各階段學生被“強勢引導”,且實驗線索太多,應為學生搭建認知的“腳手架”.

諸多文獻基于問題改進了實驗方案,大致可分為三類.第一類是文獻[6][7]的方案:通過改造測力計的刻度板,學生可在測力計上直接讀出F浮和G排,如圖3所示.第二類是文獻[4][8]的方案:回避測量F浮和G排,如圖4和圖5所示.第三類是文獻[1][2][9]的方案:學生可通過改變浸入液體的小球個數或調節量筒下方的小型升降臺精確控制V浸,如圖6所示.

圖3 改造彈簧測力計

圖4 直接測m砝碼和m排

圖5 杠桿恢復平衡證明F浮=G排

圖6 精確控制V浸

上述方案有著共同的目標:減少測量次數,整合實驗步驟,降低認知負荷;精確控制V浸,支撐探究活動.能否利用力傳感器可以清零及數字化平臺擅長記錄和分析數據的優勢達成這一目標呢?對此文獻[10]～[12]均做了積極的嘗試,但方案普遍存在傳感器連線復雜和懸掛裝置不穩定的缺點,且均為教師引導,未有學生自主探究的數字化活動方案.“學習活動方式越復雜,所引起的外在認知負荷越大,學習的效率越低.”[4]若呈現在學生面前數字化實驗器材連線過于復雜,則他們的注意力資源會被無謂地消耗.若學生面對的軟件界面不甚友好,則他們需要對相關信息進行額外的認知加工,難以“使學習者的認知資源用于直接從事更高級的認知加工”.[4]

2 實驗設計

為了充分發揮數字化實驗的優勢,使之能有效服務于課堂教學,應盡量降低數字化器材的學習成本.因此本方案的傳感器應具有數顯模塊,學生可實時觀察數據變化(如圖7).傳感器數據應無線傳輸至學生端和教師端(如圖8),省去復雜的連線,快速地分享數據,可以“實現一對多,多對多的課堂互動,讓更多的學生思維活動可視化,被分享,被關注”.[13]

圖7 學生端通過掃碼與傳感器建立連接

圖8 學生記錄數據同步顯示在教師端

在數字化配套設施改進的支撐下,循著眾多文獻的實驗方案思路,筆者進行了實踐研究.在猜想階段,部分學生會猜想F浮可能與“物體面積”“物體形狀”“物體長度”等有關,對于這類猜想可以改變橡皮泥制成物體的形狀,先后浸沒在液體中,發現F浮不變,即可排除F浮與這些因素的關系.更多的學生基于情境與體驗會猜想F浮可能與V浸、V排或G排有關,或基于前概念猜想F浮可能與深度h、液體密度ρ液有關.

對于深度h,筆者贊同文獻[14]的觀點:“我們可以很容易通過物體浸沒后,改變深度,浮力不變的現象得出浮力大小與深度無關.”完全不必和學生糾纏“浸沒前深度”和“浸沒后深度”.

對于V浸、V排兩者的辨析,筆者也認可文獻[14]的研究成果:就是應在學生認知結構中具備認知同化的條件后再做處理,所以先引導學生分析V排與G排的關系,自然地歸并V排和G排兩項猜想.最后綜合文獻[14][15]的研究成果,基于“認知發展的探究模型”,學生活動可分別探究F浮與G排、F浮與V浸、F浮與ρ液的關系.在器材準備上只需滿足可直接測量F浮,精準改變V浸,精確測出G排,且液體種類可供選擇,即可滿足學生多元化的探究需求.

2.1 裝置初探

基于上述分析,筆者設計了兩個實驗裝置.如圖9所示,力傳感器下掛圓柱體后清零,直接測出F浮.如圖10所示,上方力傳感器測出F浮的同時,下方已清零的電子天平可直接測出物體排開液體的質量m排.

圖9 探究F浮與V浸裝置

圖10 探究F浮與G排裝置

然而課堂實踐暴露了上述裝置的缺點:學生可以通過調節升降支架改變量筒的上下位置,從而改變V浸,但擰動螺絲調節支架高度時,為避免量筒晃動,需另一位學生摁住支架的底部.若改為調節懸掛傳感器的十字夾,則操作更為繁復.電子天平可直接測出m排,但需要學生計算得出G排后再與F浮比較,多了一層認知加工.

2.2 探究F浮與V浸的關系

為了進一步簡化操作,需要設計實驗專用的支架.如圖11所示,通過旋轉支架上的旋鈕可以精準地調節V浸.現在的學生不愧是數字化時代的原住民,實測包含實驗器材熟悉過程,他們測量4組數據僅耗時4～6 min.如圖12所示,學生的數據可以通過屏幕實時展示,隨著課堂活動推進,學生利用學生端平臺繪制出F浮隨V浸變化的圖像.

圖11 探究F浮與V浸升降支架

圖12 探究F浮與V浸的實驗數據與分析過程

2.3 探究F浮與G排的關系

如圖13是探究F浮與G排關系的實驗裝置,其測量浮力的方法與圖11裝置相同.實驗前加水至溢水杯的溢水口,然后將兩個力傳感器均清零.物體浸入液體后,物體排開液體流入溢水杯下方的燒杯中,下方的力傳感器可直接測出G排.實測學生完成5組實驗僅耗時3～4 min,如圖14所示,兩個傳感器示數基本相同,可得出F浮=G排的實驗結論.

圖13 探究F浮與G排升降支架

圖14 探究F浮與G排的實驗數據

2.4 探究F浮與ρ液的關系

教師依據學生的猜想提供給他們不同種類的液體.除了水之外,曾提供過飽和食鹽水,但實驗尚未開始,鹽晶體就開始析出,實驗效果并不佳.采用酒精和煤油效果很明顯,但是這些液體都易燃且有氣味,不適合學生活動.最終采用了飽和硫酸銅溶液達成了預期,如圖15所示.

圖15 采用不同種類液體小組的F浮與V排關系圖像

經歷了實驗探究,學生做好了“認知同化”的準備,最后分析得出V浸=V排.“在定量探究中將V排和G排與F浮先后建立關聯后”,[15]路徑直指浮力大小的本質探究——“F浮與V排成正比”和“F浮=G排”這兩個結論是否存在關聯?學生思考后推導得出F浮=G排=m排g=ρ液V排g,兩個結論殊途同歸!本方案在一節課中充分 “發揮學生的積極性和主動性,給學生留出了恰當的時間和空間,讓學生在不斷探索中發展核心素養”.[2]

3 策略與反思

3.1 教具設計制作策略

自制升降支架為學生基于可靠證據得出完整的結論提供了支撐.為了便于學生坐姿讀數,支架的高度設計為51 cm,為避免晃動,圓柱體與測力計之間不能有懸線,這就要求量筒高度不能超過15 cm.如此一來實驗室測量范圍超過25 mL的量筒均不能使用.而5 mL與10 mL的量筒口徑僅有1.2～1.5 cm,導致圓柱體必須做得細長,上下調節范圍變小.最后才找到一款口徑4 cm、高10 cm的塑料量筒,并依據量筒口徑制作了圓柱體.

如圖16所示,傳感器下掛圓柱體后總質量120 g左右,加裝數顯模塊后,左右長足有30.3 cm,為避免支架傾倒,下方有機玻璃底座設計為長24 cm、寬13 cm.

圖16 實驗支架設計

關于教具制作,文獻[16]提出利用生活中諸如棉繩、塑料碗等低成本物品作為原材料.但是成品缺乏工業級的可靠性,僅可用于教師演示,不太適合批量的學生實驗探究活動.

文獻[17]采用現代加工技術提升了自制教具水平,但是需要教師具有初步的設計繪圖能力,也需要3D打印、激光切割等設備.

筆者認為一線普通教師制作活動類教具的最佳策略應是尋求與專業人員的合作.例如:支架的尺寸等細節,如何調整高度等需求應由教師基于活動去設計,而制作加工則由專業人員完成.

3.2 數據偏差應對策略

力傳感器的示數精確到0.01 N,也精準地反映出了一些系統誤差.圓柱體最先用尼龍加工而成,其直徑僅比量筒小0.1 cm,且不與水浸潤.如表1所示,當柱體V浸小于10 cm3時,測得F浮與理論值差異很大.可能是受表面張力影響,也可能是圓柱體和量筒內壁發生了觸碰.最后通過反復測算,筆者采用了直徑為3 cm的圓柱體,綜合考慮了材料成本和防銹兩方面因素,圓柱體采用金屬鋁制成.

表1 V浸較小時F浮的偏差

在最初的實踐中,G排總比F浮略小0.02～0.04 N,如表2所示,在排除了其他原因后,筆者最終把問題鎖定在圖17所示的溢水杯A上,溢水杯A雖然有一個直徑1.5 cm的管狀溢水口,但是每次流速會迅速變慢,然后一部分水殘留在管口呈水滴狀.通過查閱文獻[18]得知,溢水杯A的溢水口可被定義為“孔口”,而圖18所示的溢水杯B的溢水口被定義為“管嘴”.相同情況下,“管嘴出流大于孔口出流的流量”.[18]且溢水杯B的水流充盈整個溢水口,受到氣流影響很小,溢口向下傾斜,液體殘留非常少.

表2 G排比F浮略小

圖17 溢水杯A

圖18 溢水杯B

更換為溢水杯B后,情況立刻得到了改善,但它也有缺點,就是最后3～4滴排出的液體需經2～3 s方能全部滴完,此時測出的F浮和G排才恰好相等.如果學生未等液體全部滴完就記錄數據,則仍會出現測得的G排小于F浮的情況.

對上述兩種情況,不少教師的應對策略是增大實驗用物體體積,文獻[19]正是基于這一思路,提出了增大物體體積和自制大溢水杯的實驗方案.因為同一個溢水杯每次殘留的排開液體重力ΔG排是基本不變的,增大物體體積可以增大G排,進而使相對誤差ΔG排/G排變小.筆者認可文獻[19]的辛勤付出,但若不去掩飾誤差,而是與學生一起分析誤差的成因則更有利于科學態度的養成.例如在課堂實踐中,教師請學生回憶實驗操作過程,分析誤差成因,同組學生立刻回憶起數據記錄員點擊“記錄”按鈕時,溢水口還有水在滴落.教師也立刻肯定了該小組成員實事求是的態度和敢于質疑的精神.

而對于前述表1中存在明顯問題的數據,則可以通過圖像法分析后予以剔除,這也是學生習得數據分析與處理方法的良好素材.當然這些課堂資源的生成依賴于數字化實驗的精準和快速.

數字化平臺和器材的改進為學生提供了簡潔且豐富的探究活動空間,為他們預留了積極思考、充分交流的時間.但是數字化實驗只是“賦能”而非“全能”,一節好課僅有教學資源是不夠的,還需要單元視角下的課堂活動去推動,數字化器材方可真正賦能課堂教學,為教學減負增效.[13]因而基于本節課的教學設計探索則是另外一個重要的研究課題.