指向深度學習的“問題串”設計
——以初中物理“物體的浮沉條件及應用”為例

文｜王鶴敏

物理學科深度學習的定義是指“在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的物理學習主題，全身心參與以生活實際情境和物理實驗為主的多種探索活動及情境互動，從形成物理觀念的視角，運用物理模型建構、推理論證等科學思維方法，解決真實問題，體驗成功，獲得物理學科核心知識，理解物理學習過程，形成積極的學習動機、正確的態度與價值觀，在物理學科核心素養方面獲得全面發展”。實踐發現，實現深度學習的有效策略之一就是將物理核心知識融入問題串中，以問題串為載體，實現學生思維進階。

下面以人教版物理八年級下冊第十章第3 節“物體的浮沉條件及應用”為例，給出指向深度學習的“問題串”設計教學案例。

一、情境鋪墊

演示實驗：分別把“石塊”“花生”放入水中

問題1：兩者都受到浮力了嗎？依據是什么？

問題2：兩者浮力大小一樣嗎？哪個更大？依據是什么？

（設計意圖：以問題為導向來激活學生已有的認知結構，回顧前面章節所學相關知識，為進一步綜合應用知識、進行思維進階做好鋪墊。）

二、概念建構

問題1：聯系生活，把不同物體放入水中，會出現哪些情況呢？

生：有的沉下去，有的沉不下去，會浮起來。

師：我們把物體沉下去的這個過程稱之為“下沉”，物體沉不下去，而是向上浮起來的過程稱之為“上浮”。

問題2：生活中最常見的兩種情況：花生在水中會上浮，石頭在水中會下沉。請同學們發揚刨根問底的精神問問自己，為什么花生會上浮？而石頭卻下沉呢？嘗試從受力的角度思考分析。（學生回答不出時，教師引導：花生在水中受到浮力了嗎？那石頭在水中受到浮力了嗎？都受到了浮力，為什么一個上浮一個下沉呢？）

生：花生受到的浮力比自身重力大，所以向上運動；石頭受到的浮力比自身重力小，所以向下運動。

（設計意圖：引導學生聯系生活思考物理問題，培養學生探尋科學本質的學科素養，建立學生運用受力分析方法解決物體運動狀態的物理模型。）

問題3：不同物體放入水中，只可能存在這兩種情況嗎？有沒有第三種情況存在呢？

生：也有可能受到的浮力和重力剛好相等，靜止在那。

師：當浸沒在水中的物體受到的浮力和重力相等，保持靜止時，我們把這種情況稱之為“懸浮”。

教師演示：裝水的氣球，放入滴有酒精的水中，剛好處于懸浮。

（設計意圖：引導學生合理推理，得出物體在水中的三種情況，培養學生嚴謹的科學思維。合理推理后，進行實驗驗證，使學生了解科學探究的方法。）

學生畫圖：教師引導學生打開課本第57 頁，畫出圖10.3-1 三個小方塊的受力分析圖。

總結歸納：作圖后，請學生再次根據作圖情況，歸納總結三種受力情況，強調受力情況決定物體運動狀態，建構上浮、懸浮、下沉三種狀態與受力情況之間的關系模型。

三、問題探究

挑戰性任務：你能讓沉入水底的塑料小魚瓶浮起來嗎？

學生進行分組實驗探究：

桌面器材：一包鹽；一根攪拌棒；一個裝有水的燒杯，且底部沉有一個塑料小魚（即小魚形狀的壽司醬油瓶，里面裝有濃鹽水，沉入水底。特別說明：要準備兩種“小魚”：一種是裝滿濃鹽水的胖小魚，一種是裝了半瓶鹽水，但擠出了扁魚里面所有的空氣）。

學生分享本組方案，教師設計如下“問題串”：

方案1.我們組的方案是把小魚瓶里的水倒掉。

師：把瓶里的水倒掉，是想改變小魚的什么物理量呢？

生：小魚的重力。

師：小魚的重力滿足什么條件可上浮？

生：重力小于浮力可上浮。

方案2.我們組的方案是向燒杯里的水中加鹽。

師：加鹽的目的是什么？

生：改變液體的密度。

師：液體密度改變，意味著小魚的哪個物理量會改變呢？（手指黑板的受力分析圖，引導大家思考）

生：浮力變了。

師：浮力變得怎么了？

生：浮力變大了。

師：非常好！浮力變大，而小魚自身重力沒有變化，最終我們使小魚所受浮力大于重力，所以上浮了，很棒的方案！

除了以上兩種方案，還有別的方案嗎？（有一定難度，恰當引導）

方案3.打開瓶蓋使空氣進去，扁的魚肚鼓起來。

引導過程：

師：是什么決定物體的浮沉狀態？

生：物體所受重力和浮力的大小關系。

師：我們剛剛方案1 把小魚瓶里的水倒掉，是改變了什么？

生：小魚所受重力。

師：我們剛剛方案2 向燒杯里的水加鹽，最終改變了什么？

生：小魚所受浮力。

師：我們進一步思考，改變浮力只能通過密度來改變嗎？除了ρ液影響浮力，還有什么會影響浮力呢？

生：V排。

師：細心的同學會發現，每組桌面上的兩條魚不太一樣，其中有一條魚肚子扁扁的，這條魚你還能想到別的辦法讓他浮起來嗎？

生：打開蓋子，讓空氣進去，使魚肚子鼓起來，增大V排。

（設計意圖：通過師生引導式對話，以“問題串”的形式使學生將不同操作方法逐一歸納出浮沉的物理本質，即改變物體的浮力或自身重力，從而使小魚浮起來。）

四、應用實踐

問題1：假如燒杯里的水多到汪洋大海，燒杯里的魚是一條特制的大魚，你有辦法使這條大魚可以受我們控制，自由的上浮、下沉嗎？這條特制的大魚其實就是潛水艇。

“我是小小設計師”——設計一艘潛水艇

“問題串”設計如下：

師：吸水、排水的方法就像塑料擠出小魚肚子里的水。除了這種方法，你們還想到其他方法了嗎？

生：加鹽。

師：大家覺得這種方案怎樣？

生：不可行，那得加多少鹽啊！

師：還有辦法嗎？

生：改變體積。

師：大家評價一下這個方案怎么樣？

（提示：潛水艇通常要在深海作業，所以潛水艇的材料會有特殊要求，你們知道嗎？）

生：抗壓能力強，堅硬！

師：所以改變潛水艇的形狀容易嗎？

生：不容易。

教師演示：潛水艇模型

（設計意圖：驅動學生尋找解決問題的方法，培養學生解決實際問題的能力。）

視頻播放：蛟龍號潛水艇

師：大家留意到蛟龍號總設計師是誰嗎？

生：徐芑南。

師：請大家銘記這位老人，六十多歲接到潛艇立項任務，義不容辭，整整花了十年的時間，終于使中國載人潛艇在海下7062 米試海成功。這就是我們中國的科學家，歷史與使命，責任與擔當。

（設計意圖：學生經歷“設計潛艇—觀察潛艇模型—觀看蛟龍號”，使學生理解物理知識從理論設計到模型制作，最后到生產應用的過程，知道物理對于社會發展的價值所在，培養學生的科學責任感。）

五、遷移創新

問題1：我們研究的小魚或潛水艇，都是在液體里，那么，物體除了在液體中會受到浮力，其他地方會受到浮力嗎？師：大家坐在這里，有受到浮力嗎？

生：有！

師：為什么大家沒有浮起來呢？

生：因為人太重了！

師：對，因為人所受重力遠遠大于所受浮力，所以浮不起來，沉入了大氣層的底部，也就是地面。

問題2：大家試想一下，假如在空氣的海洋中也有一條大魚（圖片：飛艇），你們可以想辦法讓它浮起來嗎？（對比沉入水底的小魚進行思考）

學生先思考，后小組討論，最后班級分享：

要減小飛艇的重力，可以排出飛艇里面的空氣，但是排出空氣，同時飛艇就會癟下來，浮力也就變小了，還是無法上浮。

增大空氣的密度，不現實。

增大排開的體積，同時就會增加飛艇重力，也不可行。

（設計意圖：將人類對浮力的應用從液體擴展到大氣，以解決實際問題“如何使飛艇升空”引出新的認知沖突，當用所學方法無法解決新問題時，可以嘗試回歸問題本質，找到新的解決方法，即通過理論分析找出密度關系，以此培養學生分析問題、解決問題的能力。）

“問題串”設計如下：

師：把解決小魚上浮的方法用到飛艇上升，似乎進入了死胡同，怎么辦呢？遇到這種情況我們還是回到問題的本質：受力情況決定物體的運動狀態，比較F浮與G物。

分析：

師：因為飛艇浸沒在大氣層中，所以V排=V物，又因為g 相同，所以，決定F浮與G物大小關系的因素是什么呢？

生：由ρ空與ρ物的大小決定。

師：因此，物體是上浮還是下沉的最終決定性因素是什么呢？

生：ρ空與ρ物的大小。

教師帶領學生一起歸納三種浮沉狀態的密度大小關系。

師：請大家繼續思考飛艇上升的問題，現在你們找到了解決問題的辦法了嗎？

生：飛艇里面充入比空氣密度小的氣體，飛艇就能上升了。

師：密度比空氣小的氣體有什么呢？

生：氫氣、氦氣。

師：還有嗎？空氣可以嗎？

生：不行，因為空氣密度和飛艇外面空氣密度一樣，不能升起來。

師：空氣在什么情況下，密度會發生變化呢？動腦筋想一想。

生：熱脹冷縮。

師：空氣受熱會膨脹，遇冷會收縮。所以熱空氣的密度會變——

生：變小。

趣味實驗：電吹風吹泡泡

師：你們留意過平時吹的肥皂泡泡么，吹出后往哪里飛？假設當時是無風環境。

生：向下。

師：如果不用嘴巴吹，改用電吹風吹熱風呢？泡泡會向哪里飛呢？我們一起來看看吧。請同學們邊觀察邊思考實驗現象背后的物理原理。

生：電吹風吹的是熱風，即泡泡里面是熱空氣，熱空氣密度小于外面的空氣，所以泡泡向上升。

（設計意圖：通過一個趣味“吹泡泡”游戲，讓學生對比觀察到常溫空氣和熱空氣的泡泡，浮沉情況果然不同，以此培養學生從理論分析到實驗驗證的物理學科思維。）

本節課以“深度學習走向核心素養”為理念，實施過程中，物理核心知識通過“問題串”形式遞進式推進，使學生在思考與解決問題的過程中，從對核心知識的淺顯理解走向內化核心知識承載的物理學科思維，提升學生解決綜合實際問題的能力，更有利于培養學生物理學科的關鍵能力和必備品格。