基于科學思維的初中物理模型建構教學

摘" "要：以初中物理“物體的浮與沉”教學為例，依據奧蘇貝爾有意義學習的理論，開展基于科學思維的初中物理模型建構的教學實踐。以大概念“力是改變物體運動狀態的原因”為組織者，形成實驗探究、建構模型、完善模型、運用模型的教學流程突破難點。同時介紹“人造魚”“會飛的垃圾袋”“浮沉子”等自制教具的制作方法、使用方法和教學效果等。最后從運用有意義學習理論建構模型的可行性和意義角度談實踐感悟。

關鍵詞：建構模型；自制教具；有意義的學習；同化

2022年頒布的義務教育物理課程標準指出，科學思維是建構物理模型的抽象概括過程[ 1 ]。初中生要知道一些物理模型，會用物理模型解決一些常見的問題。以滬科版八年級第九章第4節“物體的浮與沉”為例，借鑒奧蘇貝爾的有意義學習理論，自制教具拓展實驗探究，幫助學生突破模型建構和應用的難點并提高能力。

1" 理論依據

根據奧蘇貝爾有意義學習理論，新信息與學生已有的相關概念相互作用才發生有意義學習，這就是新舊知識意義的同化。有意義學習分為表征學習、概念學習、命題學習等。命題學習方式分為上位學習、下位學習和組合學習[ 2 ]。下位學習是指新學習的內容從屬于學生認知結構中已有的概念[ 2 ]，分為派生下位和相關下位。在教學中提供包含性較廣的材料作為組織者，在學生已知知識和新知識之間架設橋梁，可以促進學習。物理模型是通過科學思維對物質世界抽象描述，是指能反映事物本質特性的理想過程或假想結構，是對物理知識認知結構化的表達方式[ 3 ]。有人將物理模型分為狀態模型、過程模型、條件模型、結構模型四種[ 4 ]。狀態模型：表示研究的物理問題是理想的狀態[ 4 ]。本節課建構的是狀態模型。難點是通過模型建構，明確浮沉現象由物體受到的重力和浮力的關系決定。這要求同一個模型需要創設多種情境進行實驗探究，體現其力學本質。自制教具可以幫助學生改變不同變量，豐富學生的體驗。方便學生分析情境，辨析主要因素和次要因素，排除無關因素，根據主要因素建構模型。本節課建模時涉及了命題學習，學生認知的心理機制是同化。本節課設計以大概念“力是改變物體運動狀態的原因”作為組織者，建構的受力條件都是大概念的具體事例，是對它的擴充，屬于派生的下位學習。在了解受力條件后，進一步建構的密度條件是特殊限定條件下的推理結果，屬于相關的下位學習。

2" 案例分析

2.1" 創設情境

展示奮斗者號的工作場景，提出問題：奮斗者號在工作時有哪些狀態和過程？該怎樣改變它的浮沉？

設計意圖：通過國家科技成就創設情境，引入要探究的問題，激發學生學習興趣和民族自豪感。

2.2" 演示實驗建構狀態模型

教學流程：（1）教師用食品夾分別把下列物品夾住沒入裝有水的透明玻璃缸內靜止，讓學生先猜松開夾子后有什么現象，再演示。請學生觀察并匯報實驗現象。物品有：乒乓球、橡皮、木塊、皮碗、裝適量水的口服液瓶子、裝滿水的口服液瓶子、石頭、塑料頭梳。（2）教師再撈起沉底的皮碗，倒干碗內的水，讓碗底朝下輕放在水面上，請學生觀察并匯報實驗現象。（3）引導學生根據實驗現象把物體進行分類，寫在表1第三列里。（4）引導學生歸納同類現象物體的運動狀態和位置寫在表1第二列中，歸納出浮沉現象的概念。（5）根據實驗現象，明確上浮的末態是漂浮，下沉的末態是沉底。

設計意圖：（1）運用演示實驗提高學生觀察、分析和推理的能力。通過歸納策略的啟發式教學，初步建構狀態模型，落實物理觀念的核心素養。（2）通過表格分析實驗現象，方便學生對比和類比，突出物體狀態和初態位置等主要因素建構模型，落實科學思維的核心素養。

效果：（1）演示實驗物體初態都是浸沒在液體中，使學生明確最主要的模型是上浮、懸浮、下沉三種，漂浮與沉底分別是上浮和下沉的末態。通過實驗使知識結構化。（2）演示實驗讓學生先猜后做，有利于發現學生前概念，當實驗現象符合猜想時增強了學習自信心，當實驗現象不符合猜想時會激活求知欲望。（3）實驗效果明顯，對比強烈。相同口服液的瓶子裝適量的水和裝滿水，現象不同。同一個皮碗浸沒液體中和漂浮在液面，現象也不同。塑料制作的頭梳不一定上浮。實驗現象引發學生認知沖突，為后續的探究做準備。

2.3" 探究性實驗突破力學本質

2.3.1" 自制教具輔助實驗探究

為探究物體浮沉的受力本質，有三個自制教具實驗：（1）演示實驗 “人造魚”教具（如圖1）制作過程：①將兩端開口帶有拐角的玻璃管的一端插在中間鉆孔的橡膠瓶塞上。②將氣球嘴套在橡膠瓶塞上，用細線捆綁固定，模擬魚的身體。③玻璃管拐角處捆綁一個重2 N的鉤碼。④在玻璃管的另一端連接一段60 cm長的透明硅膠導氣管，導氣管口安裝一個帶單向閥開關的水銀血壓計乳膠球氣囊。使用方法：①閉合單向閥開關，用手堵住氣囊的氣孔，用力捏氣囊，給氣球充氣。②松開單向閥開關，給氣球緩慢放氣。（2）演示實驗 “會飛的垃圾袋”，是在一塊泡沫板（長23 cm×寬20 cm×厚2 cm）的四個角各插上一根細木棍形成支架（每根細木棍是兩根一次性筷子連接用透明膠固定而成）。在板正中央擺放3節短小的蠟燭頭（如圖2蠟燭頭下面要有金屬板防止蠟燭傾倒）。使用方法：①把垃圾袋套在支架上。②用手提起袋子使袋口到離板1/4細棍長的高度處。點燃蠟燭，給袋內空氣加熱（如圖3）。③可用手捏袋口拉住袋子，當感覺袋子快拉不住時，松開手，讓袋子沿支架上升。（3）分組實驗 “浮沉子”教具制作過程：①選擇表面平整的礦泉水瓶（簡稱大瓶），裝5/6的水。②選擇藿香正氣水的空瓶子（簡稱小瓶）裝1/2的水，然后倒插入裝有水的大瓶中，使其漂浮在大瓶中，再擰緊瓶蓋（如圖4）。使用方法：①用力捏大瓶，小瓶內水量增加，小瓶下沉。②用適當的力捏大瓶，可以使小瓶懸浮。③松開手，小瓶內的水量減少，小瓶可以上浮至漂浮。

教學流程：（1）教師提出課堂任務：改變物體的浮沉。教師介紹實驗器材：熟雞蛋、玻璃圓筒、清水、濃鹽水，演示熟雞蛋在清水中沉底的狀態。引導學生猜想改變雞蛋狀態的措施，隨后教師演示。學生觀察實驗，分析改變的物理量和雞蛋受力變化。（2）展示魚類遨游的視頻，問魚類改變浮沉的方法。教師介紹實驗器材“人造魚”，演示“人造魚”上浮、漂浮、懸浮、下沉的現象。引導學生觀察實驗，分析改變的物理量和“人造魚”受力變化。最后教師跨學科介紹魚鰾的知識，引導學生解釋魚類是靠改變什么實現浮沉。（3）教師演示一塊實心橡皮泥球浸沒在水中下沉的過程。撈出橡皮泥球，引導學生猜想讓它漂浮的方法。教師進行演示，學生觀察實驗，分析改變的物理量和橡皮泥受力變化。（4）教師介紹分組實驗器材“浮沉子”。要求學生在大瓶上施加不同大小的壓力，改變小瓶的浮沉。要求學生操作時保持大瓶瓶口朝上，仔細觀察小瓶在漂浮、下沉、懸浮、上浮時小瓶內水量的變化。引導學生明確研究對象是小瓶和小瓶內的水，分析改變的物理量和對象的受力情況。（5）教師介紹器材“會飛的垃圾袋”并演示，學生觀察實驗。引導學生確定研究對象是垃圾袋和袋內空氣，分析改變的物理量和對象受力變化。（6）引導學生根據浮力決定式和重力表達式，把分析結果記錄在學案上的表2。

表 2" 改變物體的浮與沉實驗分析表

設計意圖：（1）通過分組實驗，落實學生探究主體性地位。通過演示實驗，提高學生觀察、分析、推理的能力。（2）不同實驗對應不同變量（如液體密度ρ_液、排開水的體積V_排、物體重力G_物、物體密度ρ_物），多角度改變物體的浮沉，形成多樣化的直觀經驗，拓展學生思維。

效果：（1）演示實驗操作不易，但現象明顯且節約時間，方便學生把注意力集中在需要觀察的現象上?！叭嗽祠~”的單向閥可調節放氣速度，成功演示懸浮?！皶w的垃圾袋”順著支架上升過程穩定，現象明顯。分組實驗操作簡單，又可以近距離觀察到小瓶內水量的明顯變化。明確“浮沉子”和“會飛的垃圾袋”實驗的研究對象，幫助學生建模，為突破潛水艇和熱氣球的學習難點埋下伏筆。（2）自制教具實現多變量的改變，由表及里的引導，提高了學生用物理視角分析現象，挖掘物理條件的能力。多角度改變浮力和重力，也使得后續歸納分析變得全面。（3）通過表格明確分析問題的依據——浮力決定式F_浮= ρ_液gV_排（或F_浮= ρ_氣gV_排）和重力的表達式G_物= ρ_物gV_物，方便遷移知識建構模型。（4）橡皮泥球的教學環節幫助學生遷移皮碗演示實驗的觀察結果，實現知識同化過程。通過類比推理，引導學生改變可利用排開液體體積的大小，改變可利用的浮力，突破輪船采用空心設計的難點。

2.3.2" 分析現象建構模型

教學流程：（1）教師引導學生鞏固運動和力的關系，填寫學案中的表3。強調“力是改變物體運動狀態的原因”，命題里的力是指不為零的合外力。（2）針對懸浮、上浮和下沉，引導學生分析不同實驗對象在相同現象中受到外力、合外力的大小和方向（不考慮物體運動過程受的液體或氣體阻力），填寫學案表4中這三種現象的F_浮與G_物關系、F_浮與G_物示意圖和合外力等三列內容。（3）引導學生分析漂浮和沉底兩種現象，完成表4中對應的內容填寫。（4）學生匯報結果，教師點評，引導學生分析上浮和下沉合外力方向與物體運動方向的關系。

設計意圖：（1）依據大概念“力是改變物體運動狀態的原因”，引導學生有目的地進行受力分析，尋找不同現象中運動和力的對應關系，落實物理觀念的科學素養。（2）基于實驗現象，忽略物體形狀等次要因素，強調物體受的外力大小和方向、物體初態位置等重要因素，建構出不同現象下的受力條件，落實科學思維的核心素養。

效果：（1）表3呈現相關的已有知識作為組織者，通過表4讓學生的思維過程顯性化，使學生對實驗現象和已有知識發生有意義的聯系，實現知識的同化，促進新知的獲得。（2）在表2分析分力的基礎上，表4要求分析每種情況下的合外力（平衡態F_合=0），幫助學生辨析分力與合力，實現思維進階，突破了浮力和重力的關系決定物體浮沉的難點。學生分析發現合外力方向與運動方向的聯系，實現初高中銜接。

2.3.3推理完善模型

教學流程：（1）引導學生對表2的五個實驗進行分類并說明依據。學生猜想有兩種。一種猜想是第？譹？訛、？譽？訛次實驗歸為第一類，第？譺？訛、？譻？訛、？譼？訛次實驗歸為第二類。依據是第一類實驗改變密度，第二類實驗沒有改變密度。另一種猜想是第？譹？訛、？譺？訛、？譻？訛次實驗歸為第一類，第？譼？訛、？譽？訛次實驗歸為第二類。依據是第一類實驗改變浮力，第二類實驗改變的是物體的重力。（2）表揚發現密度現象的學生，引導學生尋找第？譹？訛次和第？譽？訛次實驗的共同點，發現研究對象可認為實心物體、質量分布均勻而且都浸沒。進一步引導學生分析不同現象排開液體體積V_排與物體體積V_物的關系，根據受力關系，推理液體密度ρ_液與物體密度ρ_物的關系。（3）肯定第二種分類的學生，引導學生重視分力的改變對合外力的影響。（4）回顧演示實驗中某些物體浸沒后未知受力也能根據生活經驗判斷浮沉，引導學生用密度條件解釋。

設計意圖：（1）以物體的受力條件、浮力和重力公式等已知知識作為組織者，演繹推理出密度條件，落實物理觀念的核心素養。（2）解釋演示實驗現象，消除問題情境，增強學生學習動機。

效果：（1）學生通過歸納發現密度條件和受力條件的聯系，明確推理的前提，實現新舊知識有意義的同化和學生理解性的記憶。（2）肯定學生多種猜想，有利于學生發散思維。（3）運用密度條件解釋“物體輕會上浮”等前概念，突破難點。

2.4" 運用模型分析實例

教學流程：（1）介紹密度計的結構，演示使用密度計測密度，引導學生運用漂浮模型推理密度計工作原理。（2）介紹輪船采用空心的方法增大可利用的排開水體積，介紹輪船的排水量等知識，引導學生運用漂浮模型對比輪船在江河與大海的浮力大小、吃水深度變化。（3）通過視頻介紹鹽水選種的操作，引導學生運用密度模型推理不飽滿種子、鹽水和飽滿種子的密度關系。（4）通過視頻介紹潛水艇工作場景，引導學生解釋其原理。結合壓載鐵的作用引導學生運用上浮和下沉模型解釋奮斗者號浮沉現象。（5）介紹熱氣球工作場景，引導學生運用密度模型解釋熱氣球上升和下降的原理。

設計意圖：應用模型解釋生活中的實例，實現從物理走向社會的課程理念。

效果：前期的實驗探究對學生運用模型分析實例起到正遷移的效果，提高了分析能力，避免了機械記憶。

3" 研究感悟

初中生思維特點使一些模型建構在初中物理學習中成為難點。奧蘇貝爾有意義的學習理論符合學生本節建模時心理機制，運用得當可降低學習難度。結合自制教具的多角度探究，提高實驗的成功率，為建模提供物質基礎，取得一定效果。只要堅持進行有效的探究和有意義學習，依舊可以突破初中物理建模的某些難點，發展學生科學思維，助力高中學習。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準[S].北京：北京師范大學出版集團，2022：4-12.

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［3］ 許幫正.建構物理模型評價科學思維的路徑設計[J].物理教師， 2024，45（2）：18.

［4］ 莊嬡，顧夢婷，呂華平.初中物理模型建構教學的意義及作用：以“物體的浮與沉”為例[J].中學物理教學參考. 2020，49（10）：7.