初中物理微項目實驗證據情境設計探究

微項目實驗是簡易的項目式小實驗，便于在教學中穿插應用。設計它的目的主要是獲取充足的數據證據，來驗證基礎概念和基本原理，并搭建理論聯系實際的橋梁，解除學生的疑惑，糾正學生的錯誤認識，深化學生對概念和原理的理解和應用。但在實際教學中，由于教師對這些項目式小實驗的忽視，使學生缺乏對數據的完整記錄和充分的分析討論，導致學生出現物理量亂用、物理現象不明確、物理概念本質不明晰等問題。筆者認為，教師可立足學生的相關問題，對微項目實驗證據情境的設計進行探究，引導學生在動手操作、比較分析等活動中發展核心素養，下面以“浮力\"微項目實驗證據情境的設計為例試作說明。

一、聯結生活實際設計微項目實驗證據情境

在\"浮力\"教學中，學生往往不理解公式中每個物理量所表示的確切物理含義，不能將物理量與實際情境作對應，不能將物理量正確代入公式，不能構建漂浮、懸浮等物理現象的真實情境，因而不能正確地進行受力分析。要解決這些問題，教師需要聯結生活實際，合理設計能呈現物理量或物理現象證據的真實情境，引導學生通過互動交流、動手實驗等，深刻體驗物理量的確切含義或物理現象背后隱含的科學本質。

（一）物理量證據情境設計

日常教學中，學生對排開液體的體積、液體的體積、物體的體積等物理量往往存在較多認識誤區，這就需要教師設計相關情境引導學生加深體驗。具體的教學流程如下：（1）教師引導學生設計表格，明確需要體驗的物理量有哪些；（2）教師引導學生選擇所需體驗的物理量，然后設計實驗方案并收集實驗器材；（3）學生實驗，體驗真實的情境，并做好觀察和數據記錄；（4）教師引導學生分析處理實驗數據，然后交流分享。其中與物理量證據情境設計密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例1】

項目起因：“排開液體的體積”和“物體的體積\"這兩個概念相同嗎？

錯誤認識：排開液體的體積就是物體的體積。

項目操作：將溢水杯裝滿水，使一體積已知的木塊漂浮在溢水杯中，用量筒測出溢出水的體積，得到排開液體的體積，再用針壓法，改變V排液三次，分別測量和記錄排開液體的體積。

項目目標：（1）了解“排開液體的體積”和“物體的體積”的區別；（2）排開液體的體積如何改變。

科學表達：排開液體的體積為物體浸入液體中的體積，也等于裝滿水的溢水杯排出液體

的體積。

由于物理量比較抽象，學生很難將物理量與生活實際相結合，更難以在腦海中映射出實際情境，因而通過微項目實驗引導學生設計檢驗自己日常認識的證據情境，可使學生通過動手體驗，了解不同物理量所表示的真正物理含義，理解物理量在解決實際問題時所對應的物理符號或物理知識

（二）物理現象證據情境設計

浮力的物理現象表現為漂浮、懸浮、下沉、上浮、沉底等動態或靜態的情境。但學生往往難以理解和構建這些情境，也就不能合理地進行受力分析。對此，筆者設計了如下教學流程：（1）學生交流對物理現象的認識和理解；（2）教師收集學生的錯誤認知信息；（3）教師根據錯誤的認知信息，引導學生設計實驗方案并收集實驗器材；（4）學生小組合作實驗，展示情境并觀察和記錄物理現象；（5）學生小組討論分析，教師適時點撥，引導學生形成正確的認識。其中與物理現象證據情境設計密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例2】

項目起因：漂浮、懸浮、下沉、上浮、沉底的具體差異是什么？

錯誤認識：上浮就是漂浮，下沉就是沉底。

項目操作：取泡沫球和金屬球，將金屬球浸沒在水中，放手后觀察金屬球動態的下沉過程及最終沉底的靜態結果。同理，將泡沫球浸沒在水中，放手后觀察泡沫球動態的上浮過程及最終漂浮的靜態結果。最后合成一個密度等于水的塑料空心球，使其可以懸浮在水中任何位置。

項目目標：了解漂浮、懸浮、沉底都是靜態的結果，而下沉和上浮則是一個動態的過程。

科學表達：漂浮、懸浮、下沉、上浮、沉底是針對物體在液體中的運動狀態及靜止后的位置來定義的。

教學中，教師可靈活運用生活中的常見物品設計微項目實驗，引導學生切實體驗物理現象的真實情境，然后通過觀察、討論和分析，尋找現象背后隱含的科學本質，并將實際情境同浮力的知識運用建立聯系，進而對物體進行正確的受力分析，學會科學表達。

二、借助對照比較設計微項目實驗證據情境

浮力的本質是上下表面（即流體對物體）的壓力差，其理論依據是阿基米德原理，而浮沉條件則是阿基米德原理的具體應用，是解決浮力相關問題的基礎。理清浮力本質、阿基米德原理、浮沉條件的相互聯系，就能深化學生對證據的理解和對概念的運用，這可以借助對照比較設計指向本質的微項目實驗證據情境來解決。

（一）浮力本質證據情境設計

浮力的本質是上下表面的壓力差，在證據情境設計時要確保物體浸沒在液體中。參考對照原則，筆者設計了如下教學流程：（1）按就近原則將學生分大組，每大組再均分甲乙兩個小組，形成對照；（2）給各組提供合適的實驗器材；（3）各小組設計實驗方案，要求甲組物體下表面無液體壓力，乙組物體下表面有液體壓力；（4）放手后觀察并記錄物體的運動狀態；（5）各大組討論分析實驗現象并總結規律；（6各大組展示，匯報實驗結論，并交流探討。其中與浮力本質證據情境設計密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例3】

項目起因：浮力的本質是什么？

錯誤認識：浸在液體中的物體都受到浮力的作用。

項目操作：在一個剪去底部、倒置、去蓋的礦泉水瓶中放入乒兵球，灌水后觀察，此時乒乓球沒有受到液體向上的壓力，因而不受浮力作用，所以在底部保持靜止不動。將瓶蓋旋緊后，繼續灌水，此時由于流水的積累，導致乒兵球受到浮力作用，乒乓球上浮。

項目目標：（1）了解浮力的本質是上下表面的壓力差；（2）浮力的方向豎直向上。

科學表達：液體中的物體只有上表面和下表面都受到液體的壓力時，才會受到豎直向上的浮力。

該設計通過物體在液體中不同的受力情況和運動狀況來對照比較，讓學生直觀了解上下表面壓力差的具體指向，從而深刻理解和領悟浮力產生的本質。再將此證據進行拓展，即可得到凡是浸在液體和氣體中的物體，其受到的浮力的方向始終是豎直向上的，與物體所在的位置沒有關系。

（二）阿基米德原理證據情境設計

完成阿基米德原理的學習和實驗后，部分學生并沒有真正理解浮力的大小同哪些因素有關。這時，筆者采取類似于控制變量的方法設計了如下教學流程：（1）教師引導學生提出猜想并建立假設；（2）學生自主設計簡易實驗方案；（3）教師協助學生完成實驗器材收集；（4）學生小組合作，完成多組對照實驗并獲取實驗證據；（5）學生小組分析交流，并在教師的指導下得到科學的實驗表達。其中與阿基米德原理證據情境設計密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例4】

項目起因：浮力的大小與哪些因素有關？

錯誤認識：浮力大小與液體本身的體積、物體的體積、物體的重力等因素有關。

項目操作：取兩個大小不同的溢水杯，分別裝滿水，另取一木塊，依次漂浮在兩個溢水杯中，用彈簧秤測出排開液體的重力，得到浮力大小。通過對比，確定浮力大小與排開液體的體積（重力）大小有關，而與液體的體積無關。同理設計其他對照實驗并操作。

項目目標：（1）理解阿基米德原理的本質；（2）理解浮力大小與排開液體重力的關系。

科學表達：浮力大小只與排開液體的體積和液體的密度有關

在上述設計中，學生通過對數據證據進行比較分析，可以清晰地了解影響浮力大小的因素，理清在實驗中各個物理量之間的區別與聯系，也能更深刻地理解阿基米德原理的本質，進而為準確運用阿基米德原理提供證據基礎。

（三）物體浮沉條件證據情境設計

依據浮力的物理現象，結合浮沉條件的力學原理，學生需獨立完成多個小實驗。具體教學流程如下：（1）繪制圖像，分別演示不同的浮沉條件；（2）針對不同的浮沉條件，對物體進行受力分析，列出合理的浮力公式；（3）對不同的浮沉條件進行對照比較，找出它們的異同點；（4）根據繪制的圖像，設計實驗方案；（5）收集實驗器材；（6）觀察并體驗真實的實驗情境。其中與物體浮沉條件證據情境設計密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例5】

項目起因：物體由沉底到漂浮，是什么發生了改變？

錯誤認識：湯圓、潛水艇上浮都是由于浮力發生了改變。

項目操作：根據小組對湯圓和潛水艇模型怎么浮起來的猜想，設計不同的實驗并操作，使水中的湯圓和潛水艇模型都能從沉底變為漂浮。然后從受力分析的角度出發，作圖分析湯圓和潛水艇模型浮起來的原因。

項目目標：（1）了解影響浮力大小的因素；（2）理解物體上浮或下沉時浮力大小與重力之間的受力關系。

科學表達：當物體所受浮力大于重力時，物體因受力不平衡而上浮

通過改變物體所受浮力和改變物體自身重力來改變物體的浮沉狀況，這兩種方法看似不同，但本質上都是改變了物體的受力狀況。因而在物體浮沉條件的判斷和問題的分析過程中，研究對象的確立、運動狀態的分析、受力分析這三者缺一不可，這樣可以促使學生從本質上將浮沉條件的分析轉化為受力分析。

三、基于基本模型設計微項目實驗證據情境

經典性證據模型和發散性證據模型是證據運用的兩種不同方式，前者強調確定性和邏輯性，提供解決問題的基本框架，后者注重多樣性和綜合性，用于解決具有復雜性和不確定性的浮力問題。掌握這兩種基本模型，就可以在實際運用中相互補充，更全面地解決問題。

（一）基于經典性證據模型設計證據情境

在\"浮力\"教學中，經典性證據模型指立足密度計、潛水艇、輪船等知識而構建的學生必須掌握的應用框架。理解和掌握這些框架，學生就能深化對浮力的應用。運用經典性證據模型進行教學的具體流程如下：（1由學生確定模型目標；（2）教師協助學生收集實驗器材；（3）小組合作完成模型搭建與實驗；（4）小組觀察并記錄實驗結果；（5）小組討論與交流分享。其中與基于經典性證據模型設計證據情境密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例6】

項目起因：密度計刻度疏密不均勻的奧秘是什么？

錯誤認識：密度計刻度疏密不均勻與其構造有關。

項目操作：用石蠟、鉛粒、吸管自制密度計，使其分別漂浮在酒精、水、鹽水中，再在密度計上標明對應刻度，依次是 0.8g/cm³，1.0g/cm³，1.2 g/cm³ ，并用刻度尺測量密度計三個刻度間的高度差。

項目目標：（1）了解密度計工作原理；（2）理解密度計的刻度特點。

科學表達：密度計刻度疏密不均勻，是因為密度計所受浮力不變，排開液體的體積與液體密度成反比，與密度計形狀無關。

在日常教學中構建經典性證據模型，并讓學生熟記，可使學生了解模型的結構以及模型的工作原理。這樣，學生就能在教師引導下調用經典性證據模型去探究問題，并在此過程中培養動手操作、觀察、分析問題等能力，學會理論聯系實際，從本質上掌握浮力的具體運用。

（二）基于發散性證據模型設計證據情境

在“浮力\"教學中，發散性證據模型指將浮力這一知識多方延伸，與其他知識建立聯結，形成結構化的應用框架，它注重知識的多樣性和綜合性分析。運用發散性證據模型進行教學的流程如下：（1）教師明確模型目標和模型構建原理；（2）教師協助學生收集實驗器材；（3）學生設計模型搭建步驟；（4）學生小組協作完成模型搭建與調試；（5）學生小組進行模型展示與操作，教師評價。其中與基于發散性證據模型設計證據情境密切相關的，包括項目起因、錯誤認識、項目操作、項目目標和科學表達，下面展示相關案例。

【案例7】

項目起因：如何在化學變化中分析浮力？

錯誤認識：浮力與化學變化沒有關聯

項目操作：取一氣球，內裝適量碳酸鈉粉末，通過一細長軟管連接一注有稀鹽酸的針筒，使其在食鹽水中沉底，用化學的方法，使氣球上浮并最終漂浮，然后分析氣球浮力的變化。

項目目標：了解改變液體密度和排開液體體積的化學方法。

科學表達：各學科知識都有一定的關聯，分析浮力問題需抓住本質，從概念入手。

浮力涉及不少學科內容，如杠桿、溶解度、氣壓、熱學等。在實際分析過程中，教師可利用簡單的應用模型，結合不同知識點，由簡入繁、由易入難，通過層層推進的循證方式引導學生認識問題的本質，進而解決問題

四、微項目實驗證據情境設計的教學反思

通過學生和其他教師的反饋以及筆者的反思，筆者發現微項目實驗證據情境的設計需要做好以下三個方面

（一）整理知識，構建脈絡框架

這有兩個要點。一是通過分析微項目實驗證據，形成科學的知識表達，然后結合不同的微項目式實驗，形成點面結合的新模塊。二是把知識作橫向或縱向聯系，多方位尋找知識之間的聯結，使之形成條理清晰、結構完整的知識框架，將知識體系網絡化。

（二）整合器材、要求，重構實驗分析

在實驗教學中，教師要引導學生抓住事物的本質特征，對不同器材、不同實驗要求進行整合，并根據新情境對實驗作分析，獲取科學證據，讓科學表達經得起實驗檢驗。

（三）設置情境化問題，完善認知體系

設置情境化問題，引導學生整合任務，在解決問題的過程中梳理關聯性內容，尋找有效的實驗證據，實現多樣化解決問題并能規范表達，進而完善認知體系，提升核心素養。