基于問題解決的初中物理深度學習
——以“液體的壓強”為例

文∣梁晨

所謂深度學習，是指學習者在理解學習的基礎上，批判性地學習新的思想和事實，將它們納入原有的認知結構中，并且能夠聯系不同的思想，將已有的知識遷移到新的情境中，做出決策和解決問題的有意義的學習過程。[1]深度學習具有三個基本特征：注重批判性思維的運用，強調知識的遷移應用，面向問題解決。[2]因此問題解決是深度學習的一個重要落腳點。

基于問題解決的視角，立足物理課程標準與教材，結合深度學習的特征，整合信息技術融入物理教學，精心編排“液體的壓強”的教學設計，探討促進物理深度學習的教學實施，培養學生的科學思維能力。[3]《義務教育物理課程標準(2011年版)》對液體的壓強內容要求“通過實驗，探究并了解液體壓強與哪些因素有關”，主要通過實驗幫助學生理解液體壓強的產生原因，探究并了解液體壓強與哪些因素有關，解釋生活中一些現象。筆者以四個潛水相關的問題鏈貫穿課堂，實現知識教授及應用。

一、創設生活情境：發現問題

在課堂之初，教師創設真實的問題情境，與學生以前的學習經驗發生有效互動，并拓寬學生視野，使學生關注物理—科技—社會的聯系，激起學生探究的熱情和好奇心，培養學生的科學態度與責任，并使其物理核心素養得到發展。人教版八年級《物理》“液體的壓強”介紹了不同深度下使用的潛水服、潛水器及我國在這方面的最新研究進展，內容貼合學生的生活經驗，能夠引發學生的探究激情和愛國情感。教師可對教材內容進行二次開發，創設真實情境，讓學生從中自主發現問題。

【教學設計1】教師提問：小狗去潛水，它可以去到多深？在水里會不會感覺不舒服？

教師展示：用氣球模擬小狗，潛水員拿著氣球從海平面逐漸深入海水中，潛至深度23米的位置，氣球的體積越來越小。以此說明若小狗在水中會受到某種力的擠壓，可能被壓扁，并且隨深度增加壓力會越來越大。

【教學設計2】教師提問：有沒有什么方法可以讓小狗不被壓扁？

根據日常生活經驗并對比上述實驗現象，學生提出小狗可以不去水很深的地方，也可以給小狗套上厚重堅硬的潛水服或者讓它在其他液體中潛水。在這三種情況下試驗，學生發現氣球被壓縮的程度有所減小。

【教學設計3】教師引導學生發現并提出問題：小狗到底受到了什么力的作用呢？這種力是如何產生的？

教師引導學生聯系前面學過的壓強概念猜想小狗可能受到水施加的壓力，進而引出液體壓強概念。那么液體壓強是怎么產生的，又與什么因素有關？

小狗潛水的情境1可以引起學生的興趣，該情境貼近學生的日常生活，學生可以調動以往的情感體驗，主動參與到課堂中。情境2對情境1出現的現象進行追問，學生結合實驗具體情況，回溯知識經驗，自主提出可能的解決方法。情境3中，學生對于情境2出現的現象提出疑問，發現問題并表征問題。在以上教學過程中，喚醒學生以往的知識經驗，將其與新奇的實驗現象融合，教師利用問題驅動引起認知沖突，激發學生探究欲望，實現學生初步的深度學習。

二、設計實驗方案：探究問題

(一)液體壓強產生的原因

在“液體的壓強”一節開頭提到靜止在桌面上的水杯，對支撐它的桌面有壓力，因而對桌面產生壓強。那么杯中的水對杯底也有壓強嗎？由此引入，引起學生學習興趣，促進有意義學習。教師將教材內容進行具體化，引導學生提出一連串問題，用問題驅動探究進行，引導學生主動參與；培養學生問題解決能力和邏輯思維能力。

【教學設計4】教師用塑料瓶裝入大半瓶水，放置在桌面上，向學生提問：瓶子對桌面有壓強嗎？瓶中水對瓶底是否有壓強？對側壁是否有壓強？

學生通過前面學習的知識已經了解“瓶子對桌面有壓強是因為瓶子受重力”，同樣，瓶中水也受重力。教師引導學生得出結論：瓶中水對瓶底也有壓強。教師向學生講授壓強概念時，用海綿的凹陷程度顯示壓強大小，并提出可以將塑料瓶底部扎孔，看水是否會流出來探究水對瓶底是否有壓強。同樣可以將瓶子側面扎孔，觀察“水是否會從側壁流出”來探究水對側壁是否有壓強。

通過實驗，學生可以發現，水從瓶子側面和底部的孔噴射出來。這說明液體對瓶底和側面都有壓強；而且位置越靠下的孔，水噴射的距離越遠，這說明水越深的位置液體壓強越大。然后教師引導學生思考“壓強是怎么產生的”。

學生分析得出液體對瓶底有壓強是因為液體受重力，會對支撐它的容器底產生壓強；且液體不同于固體，具有流動性，液體對容器側面有擠壓，所以會產生壓強。

【教學設計5】引導學生提出疑問：液體會對外產生壓強，那么液體內部是否存在壓強？

部分學生認為可以繼續用扎孔的塑料瓶驗證此猜想，將空塑料瓶正置放入深水槽中，發現水從底部、側面向瓶子內部噴射。實驗現象說明液體內部向上、向側面都有壓強。綜合以上實驗得出結論：液體內部向各個方向都有壓強。

(二)液體壓強大小與什么因素有關

教材中采用液體壓強計探究壓強，該設計有一定的合理性，教師可以對教材內容進一步優化，以更好地幫助學生自主探究解決問題。

【教學設計6】教師向學生介紹液體壓強計構造及工作原理，提問：用什么表示液體壓強大小？

學生自主研究，發現用越大的力按壓橡皮膜，U形管兩側液面高度差越大；聯想之前用海綿的凹陷程度顯示壓強的大小，在此可以用U形管兩側液面高度差反映液體壓強的大小。U形管兩側液面高度差越大，說明探頭所處的位置液體壓強越大。

【教學設計7】教師讓學生結合小狗潛水和一系列的實驗，推測方向、深度和液體密度對液體壓強的大小的影響，并設計實驗方案。

有的學生認為應一次性探究三種因素對液體壓強的影響，有的學生認為當有不止一個因素影響一個量的大小時，需要控制變量，否則不能探究得出有意義的實驗結果。教師提出研究深度對液體壓強大小的影響時，要控制液體密度不變；研究液體密度對液體壓強大小的影響時，要控制所處深度不變。想要改變液體密度，可通過換用鹽水來做實驗。

【教學設計8】學生分組實驗，探究深度對液體壓強的影響，得出結論：距水面距離越深，物體受到的壓強越大。

教師引導學生利用水和鹽水(ρ鹽水>ρ水)探究液體密度對液體壓強的影響，觀察到兩種液體對應的U形管兩側液柱高度差對比不明顯，帶領學生改進實驗。

學生觀察到兩個探頭分別放在同一深度下的水和鹽水中的兩個壓強計，提出是否可以用一個壓強計來對比，即在U形管兩側都接上探頭，然后將兩個探頭分別放入水和鹽水中，控制探頭深度相同，如圖1所示，比較U形管兩側液面的高度，低的那一側液體產生的壓強大。實驗現象表明，同一深度下，鹽水比水的壓強大。這說明液體密度越大，液體壓強越大。

圖1

學生探究得出影響液體壓強大小的因素：深度和液體密度。深度和液體密度越大，液體壓強越大。

采用教師引導設問和學生小組合作探究結合的方式，學生解決了自己提出的問題，改正了自身的錯誤概念，對控制變量法有了更深的理解。

三、啟發高階思維：解決問題

教材引出液體壓強計算公式之后，介紹了有關潛水的一些知識以及中國“蛟龍號”的事跡，但對不同深度下要用到不同潛水裝備的問題沒有展開說明，教師如果在習題中涉及這些概念，并不利于學生對液體壓強整體概念的理解。教師可以根據對教材的認識，對相關內容進行延伸拓展，創設問題情境，并為液體壓強的計算公式的推導做好鋪墊。首先介紹幾種用以制作潛水裝備材料的抗壓強度、密度、成本等參數，再引導學生思考“根據什么原則篩選材料”，進而探究計算不同材料制成裝備適宜的潛水深度以及優缺點。整個教學過程激發并培養了學生的邏輯思維、發散思維、問題解決能力、科學探究能力。

【教學設計9】教師出示問題：如果你去西沙群島潛水，結合上面對液體壓強的學習，人進入大海潛水會有什么感覺？為什么？

教師向學生解釋人體內也存在壓強，因為人長期生活在大氣中，所以人體內的壓強與大氣壓強(p0=1.013×105Pa)大小大致相等。

對比前面小狗的例子，學生聯想自己的生活經驗，猜想人進入大海中會受到液體施加的各個方向的壓強，如果液體壓強大于人體內的壓強，人會覺得胸悶，耳朵受壓迫。人能承受的壓強是有限的，若下潛到一定深度時，液體壓強大于人體可以承受的最大壓強，人會有生命危險。

【教學設計10】學生化身小小工程師，設計并制作各種潛水裝備，用于娛樂、探險、科研、軍事等各種需要，思考如何篩選材料，并給出依據。教師給出備選材料：尼龍、橡膠、木制品、復合材料、陶瓷、合金。表1詳細列出了這六種材料的抗壓強度、密度、成本、韌性等參數的平均值。

表1 六種材料性能參數對比表

學生分析問題，認為決定潛水裝備不同用途的因素在于所用材料的抗壓強度，可以抵抗多大深度的海水產生的液體壓強，至于其他的參數比如密度、成本、韌性等都可以在選定材料大類的基礎上再詳加篩選優化。[4]

【教學設計11】教師讓學生解決問題：如何根據材料的抗壓強度計算它所能達到的最大深度。

學生分析材料的抗壓強度就是材料所能承受的極限壓強，可以通過這個極限壓強計算出到達的最大深度，需要找到兩者之間的定量關系。學生結合液體壓強影響因素——液體密度和深度進行思考：深度和液體密度越大，液體壓強越大。從而引導學生推斷液體壓強與這兩者可能成正比。

教師引導學生分析，可以利用壓強的計算公式p=F/S來推導，學生在教師的幫助下逐步推導出液體壓強決定式p=ρgh，那么，液體壓強與所處深度的關系已經確定，根據此公式反推深度h=p/ρg，那么，如果知道液體密度和g的數值，就可以計算出材料的抗壓深度對應的材料可以到達的最大深度。(ρ海水=1.03×103kg/m3，g=9.8 N/kg)

教師在Excel中設置函數h=p/ρg，學生輸入抗壓強度，迅速得出各種材料所能到達的最大深度。學生比較數據，小組討論推理各材料若制成潛水裝備可能用于做什么，有什么優缺點。

教師讓學生分組討論，每個小組討論一種材料的用途，最后匯總結果。

通過引入篩選材料制作潛水裝備這個問題鏈情境，學生在教師的引導幫助下，完整解決了一個大型結構不良問題，經歷了分析問題、邏輯推理、解決問題、反思結果、發散思維等幾個過程。通過問題解決的過程，學生對液體壓強影響因素的本質加深了理解， 在問題驅動下思考推導液體壓強決定式，并反推公式變式，利用變式得出數據，驗證了公式的實用性和解釋力，學生科學解釋數據、分析數據的能力得到發展，為后面解決更多科技社會生活實際問題做了一定的鋪設和幫助。

四、聯系科技社會：遷移應用

參照潛水員潛水的情境，學生可以查閱教師提供的減壓病、深海魚相關資料，小組討論解決以下問題：

①潛水員在深水環境下作業一段時間后，上岸后有可能患上減壓病，是什么原因造成的？如何避免減壓病？

②為什么深海魚打撈上岸后會出現凸眼、肚脹等不良反應？

③如果你遇到瀕臨死亡的深海魚，在不傷害魚自身的情況下，如何正確將魚放生？結合問題①思考。

在問題解決過程中，學生提取新舊知識，對知識進行遷移應用，將知識轉化為解決問題的綜合實踐能力、創新意識和發散思維，學生的高階思維能力、問題解決能力等得到激發和發展。問題解決與能力發展、知識掌握三者形成了互相促進、互相輔助的良性循環，真正實現可持續、有生機、終身性的深度學習。