基于物理核心素養(yǎng)的阿基米德原理深度備課

顏國英 張皓晶 鄭原琛 李寶金 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院,云南 昆明 650500)

教育部《關(guān)于全面深化課程改革,落實立德樹人的根本任務(wù)的意見》中提出了核心素養(yǎng)的概念,落實到物理教學(xué)中就是要培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng).物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力,是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì).物理核心素養(yǎng)主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責任四個維度.因此,怎樣形成和發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng),是當下物理教學(xué)亟待研究破解的重要課題.[1]

阿基米德原理是“浮力”一章的重要內(nèi)容,是學(xué)生學(xué)習(xí)浮力知識之后的應(yīng)用升華,也是學(xué)習(xí)物體沉浮條件的基礎(chǔ)和前提.教師在備課過程中,應(yīng)對排開液體概念、浮力測量和探究浮力大小與排開液體所受的重力的關(guān)系這3部分有深入的理解,以此在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生.

學(xué)生對物理概念的建立一般會經(jīng)歷情景引入概念、深入探究、解釋明晰、多維拓展、嵌入課堂的評價這5個階段[2].本文以阿基米德原理的教學(xué)為例,具體闡述基于物理核心素養(yǎng)的4個方面如何設(shè)計出具體教學(xué)方案.而教學(xué)設(shè)計的首要任務(wù)是要明確教學(xué)目標,阿基米德原理的教學(xué)從核心素養(yǎng)的4個方面制定如表1所示具體教學(xué)目標.

表1 以物理核心素養(yǎng)的4個方面制定的阿基米德原理的具體教學(xué)目標

續(xù)表

1 物理觀念——“排開液體”的概念

人教版教材講述阿基米德要測量國王王冠是否是純金制成,最后通過洗澡時得到測量王冠體積的啟示,得出物體浸在液體中的體積,就是物體排開液體的體積.進而得出結(jié)論:物體排開液體的體積越大,液體的密度越大,它所受的浮力就越大，教材在此基礎(chǔ)上提出將易拉罐壓入水中進行體驗.

制作易拉罐杠桿教具,澄清物理概念.哈伯德教學(xué)法提出,學(xué)生學(xué)習(xí)的主要障礙是缺少實物、坡度過陡和詞語誤解.因此,要幫助學(xué)生更好地理解物理概念,就要提供教具實物,設(shè)計適當教學(xué)的坡度,發(fā)現(xiàn)學(xué)生易于誤解的概念并及時澄清.

教材中易拉罐實驗僅僅體現(xiàn)了浸在液體中的物體,會隨著浸在液體中體積的改變,排開液體的體積也會改變.充分挖掘易拉罐實驗背后的育人價值,有利于澄清物理概念,突破教學(xué)難點.查閱物理史實發(fā)現(xiàn),阿基米德在物理學(xué)方面的貢獻主要有兩項,一是浮力問題,二是杠桿問題.因此,引入杠桿改進易拉罐實驗,既能貫穿阿基米德的趣味故事,還能體驗浮力與排開液體的關(guān)系,創(chuàng)設(shè)定性演示阿基米德原理的情景,激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

所需器材:杠桿、鐵架臺支架、未開封的易拉罐、配重盒各一個,空塑料瓶3個,繩子、大吸管、膠槍等若干,電鉆一把，如圖1所示.

制作方法:

(1) 將用繩子一端穿過杠桿的重心系緊,繩子另一端系在鐵架臺上,使杠桿水平懸掛;

(2) 2個空塑料瓶割取下半部分,一個備用,一個在開口處鉆4個孔,用繩子固定后系在杠桿一端,同時易拉罐用繩子系在該塑料瓶下方;

(3) 杠桿另一端掛上配重盒,放入重物使杠桿水平懸掛后密封好;

(4) 制作溢水杯:空塑料瓶割去瓶口,在瓶身距開口約2cm處鉆孔,用膠槍將大吸管水平密封固定在孔上.

圖1 自制易拉罐杠桿教具所需器材

實驗操作:演示實驗前,溢水杯盛滿水,備用空塑料瓶放在溢水口處,杠桿保持水平;實驗時,先把易拉罐一端輕放入溢水杯中,此時有少部分水溢出,杠桿傾斜,實驗現(xiàn)象如圖2所示.用手壓杠桿把易拉罐一端按入水中,在手感受到浮力的同時,會看到排開的水溢到空塑料杯中;放手后易拉罐一端漂浮在水面上,杠桿傾斜.

圖2 易拉罐杠桿放入溢水杯中的狀態(tài)

實驗作用:一是可以觀察到物體浸在液體中,會“排開液體”,若盛水塑料杯與易拉罐體積形狀相同,還可以直接觀察到物體浸在液體中的體積等于排開液體的體積;二是體驗到物體排開液體的體積越大,它受到的浮力就越大;三是可以提問學(xué)生,如何利用現(xiàn)有器材使杠桿恢復(fù)平衡?激發(fā)學(xué)生思考、探究熱情.

2 科學(xué)探究——探究浮力大小與排開液體所受重力的關(guān)系

2.1 如何處理學(xué)生提出的各種猜想

學(xué)生提出猜想環(huán)節(jié),教師應(yīng)要求學(xué)生說出每一個猜想的依據(jù),這樣有利于鍛煉學(xué)生的邏輯思維.通過前面的學(xué)習(xí),學(xué)生已經(jīng)知道了浮力大小和排開液體的體積以及液體的密度有關(guān),引導(dǎo)學(xué)生思考這兩個物理量之間的關(guān)系,得出浮力大小可能與排開液體的質(zhì)量有關(guān),而浮力與質(zhì)量是兩個不同的物理量,要比較大小還需要進一步推理:物體重力與物體的質(zhì)量成正比.

因此得出最后猜想:浮力大小可能與排開液體所受的重力有關(guān).

2.2 設(shè)計實驗方案

教材給出了兩次稱重法測量浮力大小,涉及的器材比較簡單,主要包括彈簧測力計、重物、溢水杯和盛水小桶.測量步驟包括四步:測量物體的重力;記錄物體浸在水中時彈簧的讀數(shù),并收集溢出的水;測小桶和水的總重;測量小桶的重力.仔細分析發(fā)現(xiàn),要得出最后的實驗結(jié)論,至少還需要3步:計算物體的浮力;計算溢出水的重力;比較物體的浮力與排出液體所受重力的關(guān)系.整個探究過程超出了學(xué)生的認知負荷.[4]

有關(guān)研究表面,我國中學(xué)生的物理認知水平還處在具體運算階段和前運算階段,學(xué)生的思維水平是遠遠低于教材要求的.因此需要重新設(shè)計阿基米德原理的探究實驗減輕學(xué)生認知負荷.

實驗器材:正方形塑料盒、彈簧測力計、鐵架臺各兩個,溢水杯、黑板各一個，細繩.

制作方法:

(1) 用亞克力板制成長和寬分別是14cm,高30cm的溢水杯,在溢水杯距離開口2cm處設(shè)置溢水口,距底部4.5cm和邊緣3.5cm處相對的兩個面打兩個孔,用于固定直徑是6cm的定滑輪;

(2) 兩個鐵架臺如圖3所示固定好,兩個支架上固定兩個鐵棒,用于懸掛彈簧測力計;

(3) 待測量重物用正方形塑料盒A替代,繩子一端系好塑料盒,一端跨過定滑輪系在彈簧測力計上,當塑料盒漂浮在水面上時重力可忽略不計;

(4) 另一塑料盒B,掛在溢水口處的彈簧測力計上,實驗前測力計調(diào)零,可忽略塑料盒的重力;

(5) 黑板做背景方便讀數(shù)和記錄相關(guān)數(shù)據(jù).

圖3 自制浮力探究教具所需器材

實驗操作:實驗前溢水杯盛滿水,如圖4所示連接好各實驗器材.向上移動支架上的鐵夾,由于定滑輪的作用,塑料盒A被向下拉,以此改變浸在液體中的體積,此時,彈簧測力計的讀數(shù)等于塑料盒A所受浮力大小;同時,溢水口處有水溢出流到塑料盒B中,彈簧測力計的讀數(shù)等于排開液體所受的重力,移動支架上的鐵夾可以改變塑料盒B的高度以便收集液體和防止過重碰到桌面.

此實驗方案一步到位,可以同時讀出浮力大小和排開液體所受重力的大小,省去了復(fù)雜的測量和運算;同時,“去掉”了待測物重力的影響,本質(zhì)地體現(xiàn)了浮力測量的原則;兩個塑料盒大小形狀相同,再一次觀察到物體浸在液體中的體積與排開液體體積的關(guān)系.本次探究實驗定量演示了阿基米德原理.

圖4 自制的浮力探究教具

3 科學(xué)思維——思考傾斜杠桿恢復(fù)平衡的原因

學(xué)以致用的基礎(chǔ)是,學(xué)生理解物理現(xiàn)象背后的科學(xué)思維,并能融會貫通運用物理知識.課前的杠桿演示實驗對學(xué)生提出了探究要求:如何利用現(xiàn)有的器材使傾斜的杠桿恢復(fù)平衡?杠桿由平衡到不平衡,是因為在溢水杯中受到了浮力作用.根據(jù)前面的探究實驗,學(xué)生可以得出阿基米德原理,得知浮力大小等于排開液體所受的重力.而要使杠桿再次平衡,只需將排出的液體倒入易拉罐上端的空塑料瓶即可,此時易拉罐一端受到的浮力與增加在上方的排出液體的重力大小相等,方向相反,如圖5所示,杠桿恢復(fù)平衡.若本次實驗中,必須要用手壓杠桿使懸掛的易拉罐完全浸入水中，充分收集排出的液體.否則，若易拉罐一端只浸沒一半,排開的液體加入到空塑料瓶中,杠桿并不能恢復(fù)平衡，此問題可以引導(dǎo)學(xué)生進行深入探究.

圖5 易拉罐杠桿在溢水杯中恢復(fù)平衡

4 科學(xué)態(tài)度與責任——對阿基米德原理的證明

在《阿基米德全集》的論浮體I部分有9個命題與浮力相關(guān),其中命題5、6、7證明了阿基米德原理的相關(guān)內(nèi)容.[5]

命題5.如果把比流體輕的任何固體放入流體中,它將剛好沉入到固體重量與它排開流體的重量相等這一種狀態(tài).

命題6.如果把一個比流體輕的固體施力沉入流體中,則固體會受到一種浮力作用,這種力等于它排開流體的重量與它本身重量的差.

命題7.如果把一個比流體重的固體放入流體中,它將沉至流體底部.若在流體中稱固體,其重量等于其真實重量與排開流體重量的差.

這幾個命題的證明,阿基米德遵循了歐幾里得的幾何證明方法,教學(xué)中可以此拓展性知識培養(yǎng)學(xué)生嚴謹求真的科學(xué)態(tài)度與責任.

學(xué)生課后自主探究:自制“國王”玩偶教具如圖6所示.“國王”用密度較小防水泡沫材料制成,王冠需固定在密度較大的鐵等物體上并置于“國王”頭上.假設(shè)戴著王冠的微胖國王游泳時漂浮在水面的水位是L1,國王受到的浮力是F1.突然,王冠掉到水底,此時水位是L2,國王受到的浮力是F2,則L2________L1;F2________F1.

圖6 國王游泳實驗教具

在教學(xué)路徑設(shè)計中明晰重、難點是突破重、難點的重要前提.在重、難點的突破中,學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)被不斷地向前推進.在分析初中物理課程標準教學(xué)要求的基礎(chǔ)上,再根據(jù)學(xué)生認知能力、水平現(xiàn)狀,設(shè)計了如圖7的教學(xué)流程.

圖7 教學(xué)路徑設(shè)計及重、難點分析

5 小結(jié)

核心素養(yǎng)已成為我國物理課程教學(xué)改革的頂層設(shè)計和實施重點.基于物理核心素養(yǎng)的深度備課,可以讓教師及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生對關(guān)鍵詞語易引起誤解的問題,有利于幫助學(xué)生澄清物理概念.自制實驗教具,提供給學(xué)生進行思考、探究的實物,有利于學(xué)生在科學(xué)探究過程提高科學(xué)思維,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責任.麥克斯韋曾說:“這些實驗的教育價值,往往與儀器的復(fù)雜性成反比,學(xué)生自制的儀器,雖然容易出毛病,但他卻會比用仔細調(diào)整好的儀器,學(xué)到更多的知識.仔細調(diào)整的儀器學(xué)生易于依賴,而不敢拆成零件.”[6]教師的深度備課,要善于挖掘教材背后的育人價值,同時要有批判性思維,自制適宜的教學(xué)儀器,結(jié)合物理學(xué)史去理解物理概念和規(guī)律,設(shè)計出符合學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律和知識發(fā)生規(guī)律的教學(xué)過程,[7]促進教學(xué)相長.