旨向初中学生核心素养的“浮力”教学

谢昱圣

摘 要：伴随着“学生核心素养”的提出，面向科学教学的“科学核心素养”得以关注与践行。论文立足于浙江省综合科学教学实践，以初中科学核心概念“浮力”为例，提出旨在促进中学生科学核心素养的科学教学应该关注学生原有认知，开展科学观念显性教学；以概念图教学，凸显科学思维；利用科学史与科学探究，促进学生对科学是什么的认识。

关键词：科学观念；科学思维；科学态度与责任；科学史与科学探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0012-4

2016年9月，我国学生发展核心素养研究成果发布。学生发展核心素养的总体框架以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面[1]。针对具体的学科教学，提出了“学科核心素养”，如物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。物理核心素养的提出对物理教学提出了新的要求，需要对教学进行顶层设计，关注学生的差异，紧扣科学本质，为学习设计教学。由于“浮力”是物理核心概念，也是学生常出现前概念与难以转化理解的内容，因而在此以“浮力”教学为例，分别从科学观念、科学思维与科学是什么的认知等方面阐述，旨向初中学生核心素养的培养。

1 关注原有认知，开展科学观念显性教学

科学观念包括物质观、运动观、能量观、相互作用观等要素，科学观念的凸显需要立足于学生原有认知基础上的科学概念学习，明确学生学习的起始分析能力和已经形成的背景知识与原有认知，在前概念的转化过程中进行科学观念的显性教学。如“浮力”是初中的核心概念，初中学生往往在生活体验与小学科学学习后容易产生前概念，即浮在液面的物体受到的浮力大，沉入液体中的物体受到的浮力小，往往还理不清楚浮力与物体密度、液体密度、液面深度、物体体积等物理量的关系。基于浮力产生的原因“流体对物体向上的压力与向下的压力形成的压力差”，“浮力”概念教学中蕴含着“运动观”（可以从物块在液体中受到的浮力与物块重力的关系来判断物体的沉浮情况——悬浮、漂浮、上浮还是下沉等）。

依据概念学习的理论，“浮力”的教学是一个新、旧观念冲突的过程，即引发学生认知发生冲突的过程。依据Posner等人提出的概念转变条件[2]，即对现有概念的不满、新概念的可理解性、新概念的合理性与新概念的有效性，科学教学中需要在关注学生原有认知的同时，利用情境体验与科学实验引发学生对现有概念的不满与新概念的学习。如设计“活动与体验1”：把一个鸡蛋置于水中，观察鸡蛋的浮沉情况。在水中加食盐并搅拌，直到不能继续溶解为止（加足够的食盐后静置一夜或加热待冷却），再观察鸡蛋的浮沉情况。由此引发学生思考“沉入水中的物体受到浮力吗？”“加食盐过程中会出现哪些沉浮现象？”“水中鸡蛋受到的浮力与盐水中的鸡蛋受到的浮力大小一样吗？”等问题。引发学生认识到原先认知中“鸡蛋在水中是沉的就不受浮力，在盐水中鸡蛋是浮的才受到浮力”的不足（这认知无法解释鸡蛋上浮的整个过程），让他们在“鸡蛋浮起来了”这一实验现象中思考为什么鸡蛋会呈现不同的运动状态，即理解“下沉、悬浮、上浮、漂浮及其原因”。结合学生实验体验、观察，引导学生绘制鸡蛋不同运动状态下的受力情况（如图1）并理解受力情况。

这一过程不仅可以引导学生理解浮力产生的原因，以及让学生认识到浮力与重力大小的关系，还可以判断物体在液体中的运动状态，也可以进一步让学生学会根据液体密度与物体密度的关系来判断物体在液体中的运动状态。而且，实验体验与理性分析过程中可以显性地开展“运动观”的教学，引导学生了解运动是物质的根本属性，静止是运动的特殊状态，是物质运动在一定条件下、一定范围内处于暂时稳定的平衡状态；绝对运动与相对静止的辩证统一等。为了拓展深化学生对“浮力”概念的理解与应用（密度计、轮船、潜水艇等）、“运动观”的理性认识，可以进一步以乒乓球在底面开口的矿泉水瓶中的实验来深化理解（如图2）。实验步骤如下：

2 以概念图教学，凸显科学思维

从现行理科课程标准的目标旨向来看，学科核心素养成为理科教学所共同关注的。不管是物理核心素养中的“科学思维”[3]还是化学核心素养中的“论证推理与模型认知”[4]、生物核心素养中的“理性思维”[5]等的内涵，都突显了对科学思维的关注与强调，特别提出生物核心素养包括生命观念、理性思维、科学探究与社会责任；物理核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面，成为学生终身发展与社会需要的必备品格与关键能力。科学思维主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[6]，科学思维的培养隐含于中学物理教学中，表现为学生论证思维与批判性思维的提升，主要表现在：学生能正确运用科学思维方式，进行定量与定性的科学推理；使用科学证据的意识与评估科学证据的能力，运用证据对研究问题进行描述、解释与预测，要求学生通过物理教学过程，形成批判性思维的意识，能基于证据大胆质疑、从不同角度思考问题、解决问题。国际学生评价项目PISA提出科学素养包括“学生必须能辨别个人意见并能在基于证据的基礎上发展出主张，能够应用所学的科学知识，做出具有证据的结论并向他人沟通与解释”[7]。

《浮力》这章节要求学生了解浮力是怎样产生的，会判断浮力的方向，能计算不同沉浮情况下的浮力大小及浮力在社会生活中的不同应用。如何构建这些概念与知识点间的联系，且如何在浮力的教学中促进学生不同维度科学思维的提升，是需要提供学生体验、构建的情境。基于概念图有助于学生将新学习的信息和已有的概念联系起来，在深刻理解的基础上寻找关键词，将新信息有机整合到原有知识框架中。一方面通过概念图的绘制，学生将书本中原本琐碎、复杂的知识点高度概括化、系统化，另一方面通过不同学生所绘制的概念图的交流与论证，体验科学思维的深刻性和批判性。如图3（a）、图3（b）为不同学生基于浮力产生原因、浮力大小测量、沉浮条件及其应用等学习绘制的概念图：endprint

概念图能使构建环节的思维过程具体、可视地呈现出来，通过生生之间、师生之间的交互，便于学生剖析自己的思维过程与他人之间的差异。如概念图3（a）将浮力的大小、方向、沉浮条件与应用作为一级概念，其中浮力的大小包括浮力的测量与浮力的计算，物体的沉浮条件涉及上浮（GF）、悬浮与漂浮（G=F）三种情况；图3（b）将浮力的大小、方向、科学定律的发现、物体的浮沉条件作为一级概念，浮力的大小关注测量方法与影响因素，将上浮四种情况与受力分析及浮力的应用作为物体浮沉条件的二级概念。两个概念图的绘制有共通之处，也呈现了不同，尤其表现在物体的沉浮条件与浮力大小，学生针对物体沉浮条件为什么可以只通过浮力与重力的关系来判断，为什么将重力与浮力的关系、物体密度与液体（气体）密度的关系一起作为物体沉浮判断的论证，提出概念图划分的方法与依据，引导学生重视证据的解释、评价。在论证、评价交流中反复验证或解释自己对科学概念及其关系的理解，运用证据支持或反驳他人观点等，有助于促进批判性思维的发展，也利于学生对概念和规律的深层理解与学习。

3 以科学史与科学探究，促进对科学是什么的认识

科学课程是体现科学本质的课程，认识科学本质有助于促进学生科学认知、科学探究能力与科学情感态度等方面的发展，有助于促进学生科学素养的提升。“什么是科学”这个问题的追问一直以来是科学教育实践中努力践行、试图回答与解决的问题，也是国际科学教育界长久关注与研究的方向。伴随着科学本质理解逐渐成为“表述最普遍的科学教育目标之一”（Kimball， M.E.， 1967—1968）[8]，也因此提出“科学是什么”的不同内涵与理解，突显了科学本质的核心内涵，包括人类对科学的认识是一个发展的过程，科学是基于证据的，科学是基于社会文化的，科学家发现科学的过程中蕴含着一定的主观性，科学发现的过程有诸多的科学方法等。

科学教学中如何促进学生对这些科学本质内涵的理解，呈现了科学史哲[9]与科学探究[10]在教学中的价值。“浮力”相关的科学定律发现的过程也蕴含着丰富的科学史，尤其凸显了对阿基米德科学定律发现的历史的关注。通过对科学史情境的创设与科学定律发现史过程的关注，引导学生思考为什么不是其他的科学家而是阿基米德发现了这一科学定律，阿基米德定律为什么是正确的（证据有哪些）等，让学生在理解概念的基础上促进科学思维与态度的发展，也让学生知道：认识科学是基于证据的；科学发现是一个过程；这个过程受科学家思想价值观等影响。经历阿基米德定律的发现史可以让学生感知知识产生的过程，理解知识产生的特点，理解科学定律发现与社会需求的关系。在认识科学定律的发现过程后，“浮力”的教学中要引导学生经历与科学家相似的探究过程，通过探究活动来理解浮力大小、方向与哪些因素有关，所设计的探究活动体现了哪些科学方法与思想，进而思考是否可以利用现实的实验器材进行浮力大小、方向与哪些因素有关，如浮力与液体的密度、排开液体的体积、物体的重力、物體的体积、物体的形状、深度等的探究。探究方案的设计、数据的收集与分析，不同探究活动过程的交流、论证，结果的检验等，有助于学生区分数据与证据的区别，理解科学家探究过程中科学方法的多样性，科学是基于证据的、可验性等。

参考文献：

[1]林崇德. 21世纪学生发展核心素养研究[M]. 北京：北京师范大学出版社，2016：3.

[2]Posner G.J， Strike， K.A.， Hewson P.W.， Gertzog， W. A.， Accommodation of a Scientific Conception： Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education[J].1982，66：211-227.

[3][6]教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中课程标准修订组.普通高中物理课程标准（征求意见稿）[R]. 2017：3-4.

[4]教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中课程标准修订组.普通高中化学课程标准（征求意见稿）[R]. 2017：3-4.

[5]教育部基础教育课程教材专家工作委员会，普通高中课程标准修订组.普通高中生物课程标准（征求意见稿）[R]. 2017：3-4.

[7]OECD.PISA 2015 Results（Volume1） Excellence and Equity in Education[M].2016.12.

[8]M.E.Kimball.Understanding the Nature of Science： a Comparison of Scientists and Science Teachers. Journal of Research in Science Teaching[J].1967，5（2）：110-120.

[9]M.R.Matthews. Science Teaching： the Contribution of History and Philosophy of Science[M]. Routledge； 2 edition （August 28， 2014）

[10]J.S. Lederman， N，G. Lederman，S.A. Bartos，SL Bartels， A.A. Meyer.Meaningful assessment of learners' understandings about scientific inquiry - The views about scientific inquiry （VASI） questionnaire， Journal of Research in Science Teaching[J].2014， 51（1）：65-83.

（栏目编辑 赵保钢）