跳出“學科”學“科學”

葉笛

“物體的浮與沉”是科學教材（上海遠東出版社、牛津大學出版社出版）六年級第一學期第4章“物質的粒子模型”中的一節課。在《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）中，對應本節課的學科核心概念是“物質的結構與性質”，對應本節課的學業要求規定為“能比較和分析常見材料在水中的沉浮現象……能利用控制變量的方法設計方案并操作，探究不同材料在水中的沉浮現象”。《上海市初中科學學科教學基本要求》（以下簡稱“基本要求”）中指出，本節課的學習水平為B級（理解），具體要求為：“①了解一些物體浮沉的知識；②理解物體浮沉與其密度的關系。”基于課程標準和基本要求，傳統教學對本節課的處理側重于讓學生知道“密度大小是物體浮與沉的決定性因素”。然而，若以融通式科學教育理念為指導，則需要對教學內容進行顛覆性的重構。

一、解讀教材內容，探析教學邏輯的合理性

在教材中，先讓學生根據生活中的現象或已有知識，對物體浮沉提出假設：

a.質量小的物體會浮在水面上，質量大的物體會沉入水底。

b.質量大的物體會浮在水面上，質量小的物體會沉入水底。

c.體積小的物體會浮在水面上，體積大的物體會沉入水底。

d.體積大的物體會浮在水面上，體積小的物體會沉入水底。

e.物體在水中浮或沉與物質種類有關。

其中，涉及的因素有質量、體積和物質種類。而后，教師提供8個實心物體和一盆水。這8個實心物體包含4種材質，每種材質有2個物體；每種材質都取1個物體保證質量相同（編號為A、B、C、D），而每種材質的另一個物體都保證體積相同（編號為E、F、G、H）。見表1。

接著，根據假設，選擇幾個物體放入水中，記錄浮沉現象，將實驗結果填入表1，而后總結規律。

教材內容依照課程標準的要求，設置了不同物質種類、質量和體積的物體之間的對比實驗。然而，對教材內容進行深度剖析，可以發現其中存在難以彌補的缺陷。從羅列的5種假設可見，可能影響物體浮沉的因素有質量、體積和物質種類。根據控制變量法的原則進行對比實驗時，必須要做到研究哪個因素，就只在實驗組中改變這個因素，其他因素都要與對照組保持一致，這樣才有可比性。基于嚴謹的科學原則，表1中無法找到可以實驗的對象。例如，要研究“質量”這個因素會不會影響物體的浮沉，需要找到兩個實驗對象確保它們只有質量不同，而物質種類和體積都相同。在表1中，對于質量、體積和物質種類這三個因素，根本無法找到“其中一個因素不同，而另外兩個因素相同”的實驗對象。在實際教學中，學生都只考慮根據某一個因素相同來選擇實驗對象。最終，他們發現：只要是泡沫塑料和木質的物體都會浮，而鋁和鐵的物體都會沉，便得出結論：物質種類決定了物體的浮沉，跟質量和體積都無關。其實，僅憑生活經驗，學生就能夠得到這樣的結論，這個并不嚴謹的對比實驗顯得有些多余。

二、剖析傳統教學，探討知識傳遞的合理性

在傳統教學中，教師為了讓學生體會到“質量和體積都不能決定物體的浮沉”，往往以“一塊小石子會沉入水底，而一根大木樁卻能浮在水上”這一生活現象引入。而后再以同一物質種類不同大小的物品進行測試，最終學生發現：不是質量越大的物體越容易沉，也不是體積越小的物體越容易浮，而是物質種類決定浮沉。最終，教師解釋道：“密度是物質的一種屬性，密度=質量/體積。用密度大小可以判斷物體的物質種類，進而推斷其浮或沉。”在教材中表格的第6列，呈現的是某物體“質量/體積”的數值，即該物質的密度。然而，學生會產生大大的疑問：“為什么是質量除以體積，怎么不是體積除以質量？”“為什么兩者做除法，怎么不是乘法、加法或者減法？”對此，教材中沒有給出任何解釋，只是直白地呈現出密度公式—“質量/體積”。學生也只能被動接受這樣的規定，卻完全不清楚密度公式的由來。同時，授課教師普遍感到無法真正說服學生，對于“是否真正運用了控制變量法來開展實驗”也拿捏不準。由此可見，知識的學習應該追求發現的過程，這樣才能讓學生欣然接受，而不是表面上做了大量的活動，實際上卻生硬地呈現知識點。

三、基于學情實際，聯系生活建構認知體系

以融通式科學教育理念重新審視這節課的教學內容，教師需要對教材內容做全面的重構。倘若以課程標準中提到的要求“利用控制變量的方法設計方案”，則不可避免地要涉及“空心物體”，同時還要基于學生的原有認知，才能合理建構認知體系。為此，教師面向全校六年級215名學生展開了一次匿名的、獨立回答的學習前測調查。對調查問卷進行數據分析，發現超過3/4的學生認為“質量會影響浮沉”，超過半數的學生認為“物質種類會影響浮沉”，而對于“體積會影響浮沉”的認同人數則不足一半。同時，超過3/4的學生認為“質量越小越容易上浮”，還有超過1/3的學生認為“體積越小越容易上浮”，只有約1/5的學生認為“體積越大越容易上浮”。

而對于“描述容易上浮的物體有哪些特點”這一問題，答案中出現頻次較高的詞有：密度、質量、輕、物質種類。還有一部分學生已經知道“密度越小，越容易浮”，而且大部分學生強調“質量越小，越容易浮”。

基于學生真實的前認知基礎，以融通式科學教育理念為導向，教師需要對教學進行合理化再設計。既然學生普遍認為“質量會影響浮沉”，那么教師就不必武斷糾正，而應順勢利導，讓學生產生“物體浮沉不僅與質量有關，還與其他因素有關”的認同感。由于學生對體積與浮沉關系的認識還不夠清晰，教師需要帶領學生重新溫習舊知識，把“體積增大會讓物體漂浮”這一知識點強化落實到位。部分學生已經知道密度決定物體浮沉，但依然只停留在陳述科學事實層面，無法解釋密度為何會決定物體浮沉。教師需引導學生從“重力與浮力的關系”出發，關注“質量”，進而關注“單位體積下的質量”（即密度），順理成章地實現學生思維的漸進。基于上述分析，教師重構教材內容，優化探究活動，形成如下教學流程（見圖1）。

1. 導入環節

教師通過泰坦尼克號沉沒事件引發學生思考：“為什么船艙進水會導致船體沉沒？”師生共同開展對“物體的浮沉與什么因素有關”的探索。

2. 活動一

回顧自然教材（上海遠東出版社出版）二年級第一學期中的“漂浮和下沉”內容，歸納出“物體的浮沉與物質種類有關”的道理。教師呈現“能沉入水底的木頭”和“會漂浮的石頭”兩個特例來說明“不能僅僅通過物質種類來判斷物體的浮沉”，而后引導學生回顧自然教材（上海遠東出版社、牛津大學出版社出版）五年級第一學期中“浮力”一課的內容：物體的重力小于浮力時，物體會上浮。進而繼續推導：物體的重力大小是由其質量所決定的，物體的浮沉會與質量有怎樣的關系呢？

教師給每組學生提供A、B、C三個不同的立方體，讓學生小組合作，通過對比實驗來探究物體的質量與浮沉有怎樣的關系（見表2）。

實驗得出的結論是：

由于學生選擇的實驗對象不同，最終得出的結論也各不相同。選擇A和B實驗的小組，得出“物體的質量越小，越容易浮”的結論；選擇B和C實驗的小組，得出“物體的浮沉與質量無關，可能與物質種類有關”的結論；選擇A和C實驗的小組，得出“物體的浮沉與質量無關，可能跟體積或者物質種類有關”的結論。教師引導學生對實驗方案進行分析，請各小組闡述自己選擇實驗對象的理由。經過討論交流，大家發現：按照控制變量法的原則，每個小組選擇的實驗對象都是不嚴謹、不科學的。因此，所得出的實驗結論都是不可靠的。最終，在教師的引導下，學生設計出更加科學的實驗方案—用同種材料制作兩個體積相同而質量不同的物體，一個是實心的，另一個是空心的（可把空心部分的空氣忽略不計，假想成真空）。于是，教師展示提前用橡皮泥制作好的符合學生方案要求的兩個立方體進行演示實驗。學生觀察實驗現象后總結出規律：物體的浮沉與質量有關，在同物質種類、等體積條件下，質量越小，越容易浮。

3. 活動二

通過之前的實驗，學生普遍認為“物體的浮沉還應該與體積有關”。教師以玻璃針筒為例，讓學生通過拉長推柄進入空氣的方式改變玻璃針筒的體積來觀察其浮沉現象。學生通過實驗，得出規律：物體的浮沉與體積也有關，在同物質種類、等質量條件下，體積越大，越容易浮。

4. 活動三

學生嘗試根據兩個實驗得出的結論來歸納決定物體浮沉的關鍵性因素。他們發現：物體的下沉與質量成正比例關系，而與體積成反比例關系。由此想到：在等體積的情況下，比較質量大小就可以判斷物體的浮沉了。在教師的引導下，學生將物體放入水中，將物體的密度與水的密度進行比較，得出“物體密度小于水的密度，物體就上浮；物體密度大于水的密度，物體就下沉”的結論。

5. 鞏固練習

教師提供一個由特殊材料制成的“X立方體”，讓學生嘗試運用所學知識，在不把它放入水中的前提下，預判出它的浮沉情況。學生小組合作，利用直尺測量“X立方體”的長、寬、高，計算出體積，再用電子天平測量“X立方體”的質量，而后用密度公式算出“X立方體”的密度，再跟水的密度做比較，得出推斷：“X立方體”會浮在水面上。最后，學生將“X立方體”放入水槽中測試，驗證了推斷是正確的。

6. 課堂小結

教師引導學生嘗試運用所學知識解釋“泰坦尼克號船艙進水后沉沒的原因”。學生能夠從比較船體的密度與海水的密度的角度，解釋為什么一開始船能夠漂浮在海面上，而船艙進水后船會沉沒。學生深刻理解了“密度”公式的由來，開始認同“物體的密度決定浮沉”這一科學規律。

這樣的教學重構打破了傳統教學中以學科知識為中心來創設活動的一貫做法，在承認學生學習新知識前頭腦并非“一張白紙”的前提下，將學生已有的生活經驗作為學習新知識的起點。本節課教學內容若以學科為本位，則始終強調讓學生記憶“物體的密度決定浮沉”；而跳出學科，以學生為中心，則更關注學生的前認知，聯系生活實際，強調“物體的密度決定浮沉”。即使物體是空心的，依然可以通過計算其“平均密度”來判斷浮沉。

融通式科學教育理念摒棄了傳統教學中簡單粗暴的“否定式”思維（如質量、體積與物體的浮沉無關），倡導更加有意義的“肯定式”思維（如質量和體積都會影響物體的浮沉），從而令學生沖破二元對立的慣性思維的禁錮，逐步養成一種關注事物之間聯系的良好習慣。其實，科學領域中的新發現大多基于事物之間的內在聯系。青少年需要具備一雙善于尋找關聯的慧眼，需要提升建立事物之間聯系的意識，更需要學會從紛繁復雜的事物中探尋抽絲剝繭的方法，這便是融通式科學教育所倡導的核心理念。

[作者系上海市三新學校（松江東部分校）師訓處主任、教科研負責人，上海市特級教師，正高級教師]

責任編輯：趙繼瑩