彰顯實驗功能的物理教學(xué)設(shè)計
——以“物體的浮與沉”為例

孫 娟

(福州時代中學(xué),福建 福州 350007)

培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)是當今教育教學(xué)改革最重要的任務(wù).實驗素養(yǎng)是物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要的內(nèi)容,是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分.實驗是物理教學(xué)的重要方法與手段,是落實物理課程目標,提高學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵途徑.筆者以“物體的浮與沉”為例,通過比較、分析、整合4種不同版本(人教版、滬科版、蘇科版、北師大版)教材的課堂實驗設(shè)置,實施了彰顯實驗功能的課堂教學(xué).

1 不同版本教材的實驗設(shè)置比較

表1 不同版本教材的實驗設(shè)置比較

續(xù)表

2 不同版本教材中實驗功能的評析

2.1 實驗的感知功能

建構(gòu)主義理論認為,學(xué)生學(xué)習(xí)新知識時,并不是空著腦袋進入學(xué)習(xí),他們會從自己的前概念出發(fā)對新知識賦予意義的理解.而錯誤的前概念對學(xué)生學(xué)習(xí)物理產(chǎn)生嚴重的障礙,直接影響了學(xué)生對物理概念的正確理解.這就要求教師要準確地把握學(xué)生原有的認知結(jié)構(gòu).

“物體的浮與沉”新課前,學(xué)生往往認為重的物體下沉,輕的上浮;浮力大的上浮,小的下沉.為破除這錯誤的前概念,要求感知要引發(fā)學(xué)生的認知沖突——實驗現(xiàn)象與前概念不相符合.利用實驗揭示認知上的錯誤,激發(fā)學(xué)生求知的渴望.基于此,探究浮沉條件前,進行如圖1、2的實驗: ① 把重與輕的兩個物體(學(xué)生事先并不知道分別是什么物體)浸沒水中,松手,觀察現(xiàn)象,如圖1; ② 把封閉的兩個相同的瓶子(配重不同),浸沒水中,松手,觀察現(xiàn)象,如圖2.學(xué)生驚訝地發(fā)現(xiàn),實驗現(xiàn)象與原有的認知相矛盾,沖擊其原有的物理圖式,打破原有圖式平衡,[1]從而引發(fā)思維.圖2的瓶子是透明的,學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)它們重力不同,此設(shè)計也為學(xué)生的猜想提供暗示,降低了猜想的難度.

圖1 重的上浮 輕的下沉

圖2 沉底的浮力大 漂浮的浮力小

除蘇科版外的其他3種版本的實驗主要利用物體的浮沉條件解決問題.蘇科版的設(shè)計充分體現(xiàn)了實驗的感知功能:學(xué)生通過操作,觀察提供的物體的浮沉情況,再想辦法改變物體的浮沉.旨在通過體驗、觀察,歸納出浮沉條件及改變浮沉的方法.但提供的物品中,哪些會沉哪些會浮,學(xué)生都很熟悉,并不能引發(fā)學(xué)生的認知沖突,實驗的目的演變?yōu)闅w納浮沉條件.而學(xué)生在沒有任何理論支撐下猜想浮沉條件、操作改變浮沉狀態(tài)明顯具有盲目性,體驗變成了按經(jīng)驗進行,容易強化學(xué)生錯誤的前概念.

2.2 實驗的探究功能

建構(gòu)主義理論認為,學(xué)生只有經(jīng)歷自主建構(gòu),才能獲得知識與技能.這個觀點確定了學(xué)生的主體地位.實驗探究的過程,學(xué)生通過自主觀察、比較、思考、質(zhì)疑、分析,促使其認知上升到一個新的平衡,實現(xiàn)自主建構(gòu).由于課時所限,不可能在每次探究活動中各個要素都面面俱到.一次探究活動可以側(cè)重某些探究要素.[2]筆者根據(jù)課題特點,突出經(jīng)歷“設(shè)計實驗”與“評估”兩個要素.

2.2.1 設(shè)計實驗

無論是演示實驗還是學(xué)生實驗,都盡量讓學(xué)生明確實驗?zāi)康?明確實驗原理.[2]設(shè)計方案前,要明確實驗要探究的問題,或要測量的物理量.通過觀察圖1、2的實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生進行理論思維——物體運動狀態(tài)改變是由物體的受力情況決定,自然想到要對物體進行受力分析.這給猜想浮沉條件提供了有力的依據(jù).這一過程,把觀察實驗現(xiàn)象與己有的理論知識有機地結(jié)合起來分析,從而明確實驗需要測量的是重力和浸沒時的浮力.

(甲)

(乙)

設(shè)計實驗時，要明確如何探究提出的問題或測量需要的物理量的方法.設(shè)計時，要從學(xué)生的認知結(jié)構(gòu)中選取一個合適的生長點,建立新知識新方法與己有認知結(jié)構(gòu)的聯(lián)系,把實驗設(shè)計的難度置于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū).“物體的浮與沉”是在學(xué)習(xí)了阿基米德原理,認識了浮力的基礎(chǔ)上,從知識應(yīng)用的角度進行學(xué)習(xí)的.基于此學(xué)情,筆者給學(xué)生提供了儀器,設(shè)置半開放情景,“讓學(xué)生跳一跳摘到果子吃”.課堂提供的器材有:天平、彈簧測力計、量筒、刻度尺、溢水杯、小桶、燒杯、針筒、細針、布、細線……;提供的研究對象有:石頭、蠟塊、土豆、帶蓋的瓶子.讓學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計,選擇合適的器材,分別測量研究對象上浮、下沉、懸浮時浮力與重力的大小.學(xué)生親身經(jīng)歷各種測量方法,既達到理解、鞏固舊知識的目的,又開拓了思維.

設(shè)計測量方案時,采用圖式討論,如圖3甲、乙.對于不同的測量方案,筆者都給學(xué)生提供了機會與充分的展示時間.讓學(xué)生就自己的探究過程進行展示和評價是探究教學(xué)的重要因素.[3]展示交流過程,鍛煉了學(xué)生的語言表達能力,也使學(xué)生對自己方案的優(yōu)缺點能夠得到及時的反饋,提高了實驗設(shè)計能力.展示交流體現(xiàn)了科學(xué)探究中的交流要素,也為評估的實施打好了基礎(chǔ).

蘇科版的設(shè)計很好地體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位,也能激發(fā)學(xué)生的探索熱情,但學(xué)生的實驗探究畢竟不能等同于科學(xué)家的科學(xué)探索.實驗探究沒有明確的指向性,缺乏指導(dǎo),學(xué)生容易胡亂探究.人教版通過受力分析,由力與運動的關(guān)系,通過理論推導(dǎo)直接得出浮沉條件.這種設(shè)計沒有把理論與實驗相結(jié)合,學(xué)生沒有親身體驗,不能留下深刻的印象.滬科版的探究味道最濃.在“力是改變物體運動狀態(tài)原因”的理論指導(dǎo)下,猜想了浮沉條件.探究時,只改變重力,觀察運動情況,并做出受力分析,從而總結(jié)歸納出浮沉條件.學(xué)生進行探究前,目的性強,方向明確,通過交流與討論,很容易得到結(jié)論,且為改變浮沉的實驗做了鋪墊.不足之處在于: ① 實驗設(shè)計不夠開放.只改變了重力而沒有改變浮力,不能很好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力; ② 沒有定量測量.在學(xué)生的能力允許的范疇,要讓學(xué)生親身參與測量,得到數(shù)據(jù),會比定性實驗更讓學(xué)生信服且印象深刻.

2.2.2 評估

學(xué)生交流評估反饋的過程,實質(zhì)是學(xué)生對自己的探究行為進行了反思.學(xué)生便理解了要從哪些方面、如何修正會做得更好.這有助于培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)態(tài)度且有效地促進探究能力的發(fā)展.本節(jié)課學(xué)生通過交流評估,從3個方面提出建議.

盡量減小誤差建議: ① 選擇合適的測量工具.如測量蠟塊重力時,由于其重力太小,故要選擇天平間接測量.② 注意測量順序.若先測量浮力,

再測重力,物體會沾上水,使重力偏大,故要先測量重力.③ 注意測量細節(jié).如把石頭浸沒測拉力時,不要把彈簧測力計浸入水中,不然會使浮力增大,也會腐蝕彈簧測力計.

提高可操作性建議: ① 測量蠟塊體積時,量筒中的水在蠟塊浸沒后不超量程情況下,要盡量多裝些,不然用細針夠不著把蠟塊壓下.② 選擇壓力差測浮力只適用于規(guī)則物體,建議不用此方法.

圖4 漂浮時浮力與重力相等

意外生成:有學(xué)生為驗證漂浮時浮力與重力相等,設(shè)計了如圖4實驗:溢水杯裝滿水,天平平衡;往杯里放蠟塊,等排開的水流完以后,天平又恢復(fù)平衡.學(xué)生們饒有興趣地很快完成了這額外的實驗,并得到了驗證.學(xué)生們還一起分析、歸納了本實驗運用了等效的思想及轉(zhuǎn)換法.全班不約而同地響起掌聲!為意外的精彩!意外的收獲!

2.3 實驗的理解應(yīng)用功能

把知識應(yīng)用于生活與生產(chǎn),體現(xiàn)了“從物理走向社會”的新課程理念.實驗在知識與應(yīng)用間架起了一座橋梁,起著承上啟下的重要作用.將“浮沉條件”用于實際情境的判斷,就是為學(xué)生提供在實際情境中體驗的機會,使之自我理解物理現(xiàn)象以達到知識的內(nèi)化,[4]同時也為浮沉條件的應(yīng)用提供了情境基礎(chǔ).

人教版的雞蛋實驗體現(xiàn)了運用浮沉條件解釋現(xiàn)象的功能.滬科版的橡皮泥實驗、北師大版的鞋油袋實驗,不僅體現(xiàn)了知識的情境體驗,更是構(gòu)建了知識與生活、生產(chǎn)之間的聯(lián)系.本著“物盡其用”的原則,在學(xué)生探究出浮沉條件后,筆者在原有器材基礎(chǔ)上添加了鹽和鋁箔,以鋁箔、土豆、帶蓋瓶子為研究對象,實施了如圖5的課堂教學(xué).

圖5 浮沉條件的應(yīng)用

在已知浮沉條件下,通過不同的實驗,學(xué)生分析、歸納了改變浮沉的方法,有效地訓(xùn)練了控制變量這一科學(xué)方法,達到通過自我理解物理現(xiàn)象使知識內(nèi)化的目的.同時把這些現(xiàn)象分別應(yīng)用于生活與生產(chǎn),提高了學(xué)生應(yīng)用知識解決問題的能力.再布置相應(yīng)的課外實驗,加強學(xué)生動手操作技能.最后通過列舉我國勞動人民發(fā)揮聰明才智在浮沉方面的具體實例,加強對學(xué)生進行愛國主義的思想教育.

3 彰顯實驗功能的教學(xué)設(shè)計

3.1 “物體的浮與沉”教學(xué)邏輯

綜上所述,“物體的浮與沉”的教學(xué)邏輯如圖6所示.

圖6 “物體的浮與沉”教學(xué)設(shè)計

3.2 教學(xué)過程應(yīng)注意的問題

3.2.1 充分發(fā)揮實驗的功能

實驗?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣,能引導(dǎo)學(xué)生探究并獲取知識,能有效地突破教學(xué)難點,是物理教學(xué)重要的組成部分.教師要根據(jù)具體的課題,依據(jù)教學(xué)目標,遵循學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律,有針對性地合理地規(guī)劃實驗設(shè)計,要富有啟發(fā)性、思維性、開放性等,從而有效促進學(xué)生核心素養(yǎng)的提高.

3.2.2 關(guān)注課堂生成

進行改變浮沉實驗時,有學(xué)生發(fā)現(xiàn):土豆剛漂浮后,若繼續(xù)往水中加鹽,土豆會不斷上浮(溶液飽和前).抓住這個契機,師生不僅解釋了原因,同時領(lǐng)悟到了密度計測液體密度的原理、輪船從河里開到海里的問題等.正是這意外的生成,提醒筆者臨時調(diào)整了土豆實驗的步驟要求,如圖5.又如圖4的實驗也是課堂意外生成的.

實驗教學(xué)中,學(xué)生的思路特別活躍,課堂最容易“無序”.如圖1、2實驗中,松手后,對于物體下沉過程浮力不變,

學(xué)生從浮力的影響因素分析很

圖7 上浮過程浮力變化

容易理解.對于上浮過程浮力大小的變化,當幾乎所有學(xué)生都認為應(yīng)該是如圖7所示時,有一位學(xué)生提出了不同的意見.他認為浮力先不變后變小,小于重力,然后又變大,不斷反復(fù)變化,最后才與重力相等,靜止漂在水面上.對這突如其來的質(zhì)疑,全班自發(fā)地展開了熱烈的討論:有的建議把上浮過程錄下再放慢回放;有的建議實驗時選的物體最好是比較長的;有的認為可能與彈簧把球彈起運動類似;有的從圖7上浮過程浮力變化械能角度討論……最后大家形成共識,認為圖7的浮力變化圖像是錯誤的,浮力的變化可描述為:物體露出水面前,浮力大小不變;露出水面后,浮力變化;最終浮力與重力大小相等,物體漂浮在水面上.至于露出水面后,浮力如何變化,鑒于學(xué)生的認知水平,不做硬性要求.這意外的“無序”,收獲的關(guān)鍵不是知識本身,而是給了學(xué)生質(zhì)疑的勇氣,讓學(xué)生學(xué)會了研究問題的方法,也促進個別有能力的學(xué)生后續(xù)的研究.

每一位學(xué)生都是獨一無二的,對同一問題可能會有不同的解讀,會出乎教師的“預(yù)設(shè)”,造成課堂的“無序”.關(guān)注這種“無序”正體現(xiàn)了以人發(fā)展為本的新課程理念,突出學(xué)生的主體地位,鼓勵學(xué)生個性化思維的發(fā)展.這種“無序”讓學(xué)生敢于質(zhì)疑,增強學(xué)習(xí)能力與創(chuàng)新能力,讓學(xué)生對學(xué)習(xí)充滿信心,讓課堂煥發(fā)生命的活力!教師要尊重這種“無序”,重視課堂的生成,不拘泥于教案,不能因為學(xué)生擾亂自己的教學(xué)思路,為了完成課堂進度對學(xué)生的獨到見解視而不見,造成能力培養(yǎng)和個性發(fā)展的落空,讓課堂留下尷尬和遺憾.

1 王精國.基于認知發(fā)展理論的物理演示實驗教學(xué)設(shè)計[J].物理教師,2015(10):9-11.

2 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2011.

3 陰瑞華,朱文軍,秦丹.物理教學(xué)設(shè)計方法與案例[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2016.

4 張月蘭.用實驗干預(yù)學(xué)生前概念的教學(xué)探討[J].物理教師,2014(3):29-30.