彰显实验功能的物理教学设计——以“物体的浮与沉”为例

孙 娟

(福州时代中学,福建 福州 350007)

培养学生核心素养是当今教育教学改革最重要的任务.实验素养是物理学科核心素养重要的内容,是学生科学素养的重要组成部分.实验是物理教学的重要方法与手段,是落实物理课程目标,提高学生科学探究能力的关键途径.笔者以“物体的浮与沉”为例,通过比较、分析、整合4种不同版本(人教版、沪科版、苏科版、北师大版)教材的课堂实验设置,实施了彰显实验功能的课堂教学.

1 不同版本教材的实验设置比较

表1 不同版本教材的实验设置比较

续表

2 不同版本教材中实验功能的评析

2.1 实验的感知功能

建构主义理论认为,学生学习新知识时,并不是空着脑袋进入学习,他们会从自己的前概念出发对新知识赋予意义的理解.而错误的前概念对学生学习物理产生严重的障碍,直接影响了学生对物理概念的正确理解.这就要求教师要准确地把握学生原有的认知结构.

“物体的浮与沉”新课前,学生往往认为重的物体下沉,轻的上浮;浮力大的上浮,小的下沉.为破除这错误的前概念,要求感知要引发学生的认知冲突——实验现象与前概念不相符合.利用实验揭示认知上的错误,激发学生求知的渴望.基于此,探究浮沉条件前,进行如图1、2的实验: ① 把重与轻的两个物体(学生事先并不知道分别是什么物体)浸没水中,松手,观察现象,如图1; ② 把封闭的两个相同的瓶子(配重不同),浸没水中,松手,观察现象,如图2.学生惊讶地发现,实验现象与原有的认知相矛盾,冲击其原有的物理图式,打破原有图式平衡,[1]从而引发思维.图2的瓶子是透明的,学生很容易发现它们重力不同,此设计也为学生的猜想提供暗示,降低了猜想的难度.

图1 重的上浮 轻的下沉

图2 沉底的浮力大 漂浮的浮力小

除苏科版外的其他3种版本的实验主要利用物体的浮沉条件解决问题.苏科版的设计充分体现了实验的感知功能:学生通过操作,观察提供的物体的浮沉情况,再想办法改变物体的浮沉.旨在通过体验、观察,归纳出浮沉条件及改变浮沉的方法.但提供的物品中,哪些会沉哪些会浮,学生都很熟悉,并不能引发学生的认知冲突,实验的目的演变为归纳浮沉条件.而学生在没有任何理论支撑下猜想浮沉条件、操作改变浮沉状态明显具有盲目性,体验变成了按经验进行,容易强化学生错误的前概念.

2.2 实验的探究功能

建构主义理论认为,学生只有经历自主建构,才能获得知识与技能.这个观点确定了学生的主体地位.实验探究的过程,学生通过自主观察、比较、思考、质疑、分析,促使其认知上升到一个新的平衡,实现自主建构.由于课时所限,不可能在每次探究活动中各个要素都面面俱到.一次探究活动可以侧重某些探究要素.[2]笔者根据课题特点,突出经历“设计实验”与“评估”两个要素.

2.2.1 设计实验

无论是演示实验还是学生实验,都尽量让学生明确实验目的,明确实验原理.[2]设计方案前,要明确实验要探究的问题,或要测量的物理量.通过观察图1、2的实验现象引导学生进行理论思维——物体运动状态改变是由物体的受力情况决定,自然想到要对物体进行受力分析.这给猜想浮沉条件提供了有力的依据.这一过程,把观察实验现象与己有的理论知识有机地结合起来分析,从而明确实验需要测量的是重力和浸没时的浮力.

(甲)

(乙)

设计实验时，要明确如何探究提出的问题或测量需要的物理量的方法.设计时，要从学生的认知结构中选取一个合适的生长点,建立新知识新方法与己有认知结构的联系,把实验设计的难度置于学生的最近发展区.“物体的浮与沉”是在学习了阿基米德原理,认识了浮力的基础上,从知识应用的角度进行学习的.基于此学情,笔者给学生提供了仪器,设置半开放情景,“让学生跳一跳摘到果子吃”.课堂提供的器材有:天平、弹簧测力计、量筒、刻度尺、溢水杯、小桶、烧杯、针筒、细针、布、细线……;提供的研究对象有:石头、蜡块、土豆、带盖的瓶子.让学生根据自己的设计,选择合适的器材,分别测量研究对象上浮、下沉、悬浮时浮力与重力的大小.学生亲身经历各种测量方法,既达到理解、巩固旧知识的目的,又开拓了思维.

设计测量方案时,采用图式讨论,如图3甲、乙.对于不同的测量方案,笔者都给学生提供了机会与充分的展示时间.让学生就自己的探究过程进行展示和评价是探究教学的重要因素.[3]展示交流过程,锻炼了学生的语言表达能力,也使学生对自己方案的优缺点能够得到及时的反馈,提高了实验设计能力.展示交流体现了科学探究中的交流要素,也为评估的实施打好了基础.

苏科版的设计很好地体现了学生的主体地位,也能激发学生的探索热情,但学生的实验探究毕竟不能等同于科学家的科学探索.实验探究没有明确的指向性,缺乏指导,学生容易胡乱探究.人教版通过受力分析,由力与运动的关系,通过理论推导直接得出浮沉条件.这种设计没有把理论与实验相结合,学生没有亲身体验,不能留下深刻的印象.沪科版的探究味道最浓.在“力是改变物体运动状态原因”的理论指导下,猜想了浮沉条件.探究时,只改变重力,观察运动情况,并做出受力分析,从而总结归纳出浮沉条件.学生进行探究前,目的性强,方向明确,通过交流与讨论,很容易得到结论,且为改变浮沉的实验做了铺垫.不足之处在于: ① 实验设计不够开放.只改变了重力而没有改变浮力,不能很好地培养学生的创新能力; ② 没有定量测量.在学生的能力允许的范畴,要让学生亲身参与测量,得到数据,会比定性实验更让学生信服且印象深刻.

2.2.2 评估

学生交流评估反馈的过程,实质是学生对自己的探究行为进行了反思.学生便理解了要从哪些方面、如何修正会做得更好.这有助于培养学生养成良好的科学态度且有效地促进探究能力的发展.本节课学生通过交流评估,从3个方面提出建议.

尽量减小误差建议: ① 选择合适的测量工具.如测量蜡块重力时,由于其重力太小,故要选择天平间接测量.② 注意测量顺序.若先测量浮力,

再测重力,物体会沾上水,使重力偏大,故要先测量重力.③ 注意测量细节.如把石头浸没测拉力时,不要把弹簧测力计浸入水中,不然会使浮力增大,也会腐蚀弹簧测力计.

提高可操作性建议: ① 测量蜡块体积时,量筒中的水在蜡块浸没后不超量程情况下,要尽量多装些,不然用细针够不着把蜡块压下.② 选择压力差测浮力只适用于规则物体,建议不用此方法.

图4 漂浮时浮力与重力相等

意外生成:有学生为验证漂浮时浮力与重力相等,设计了如图4实验:溢水杯装满水,天平平衡;往杯里放蜡块,等排开的水流完以后,天平又恢复平衡.学生们饶有兴趣地很快完成了这额外的实验,并得到了验证.学生们还一起分析、归纳了本实验运用了等效的思想及转换法.全班不约而同地响起掌声!为意外的精彩!意外的收获!

2.3 实验的理解应用功能

把知识应用于生活与生产,体现了“从物理走向社会”的新课程理念.实验在知识与应用间架起了一座桥梁,起着承上启下的重要作用.将“浮沉条件”用于实际情境的判断,就是为学生提供在实际情境中体验的机会,使之自我理解物理现象以达到知识的内化,[4]同时也为浮沉条件的应用提供了情境基础.

人教版的鸡蛋实验体现了运用浮沉条件解释现象的功能.沪科版的橡皮泥实验、北师大版的鞋油袋实验,不仅体现了知识的情境体验,更是构建了知识与生活、生产之间的联系.本着“物尽其用”的原则,在学生探究出浮沉条件后,笔者在原有器材基础上添加了盐和铝箔,以铝箔、土豆、带盖瓶子为研究对象,实施了如图5的课堂教学.

图5 浮沉条件的应用

在已知浮沉条件下,通过不同的实验,学生分析、归纳了改变浮沉的方法,有效地训练了控制变量这一科学方法,达到通过自我理解物理现象使知识内化的目的.同时把这些现象分别应用于生活与生产,提高了学生应用知识解决问题的能力.再布置相应的课外实验,加强学生动手操作技能.最后通过列举我国劳动人民发挥聪明才智在浮沉方面的具体实例,加强对学生进行爱国主义的思想教育.

3 彰显实验功能的教学设计

3.1 “物体的浮与沉”教学逻辑

综上所述,“物体的浮与沉”的教学逻辑如图6所示.

图6 “物体的浮与沉”教学设计

3.2 教学过程应注意的问题

3.2.1 充分发挥实验的功能

实验能激发学生学习的兴趣,能引导学生探究并获取知识,能有效地突破教学难点,是物理教学重要的组成部分.教师要根据具体的课题,依据教学目标,遵循学生的认知发展规律,有针对性地合理地规划实验设计,要富有启发性、思维性、开放性等,从而有效促进学生核心素养的提高.

3.2.2 关注课堂生成

进行改变浮沉实验时,有学生发现:土豆刚漂浮后,若继续往水中加盐,土豆会不断上浮(溶液饱和前).抓住这个契机,师生不仅解释了原因,同时领悟到了密度计测液体密度的原理、轮船从河里开到海里的问题等.正是这意外的生成,提醒笔者临时调整了土豆实验的步骤要求,如图5.又如图4的实验也是课堂意外生成的.

实验教学中,学生的思路特别活跃,课堂最容易“无序”.如图1、2实验中,松手后,对于物体下沉过程浮力不变,

学生从浮力的影响因素分析很

图7 上浮过程浮力变化

容易理解.对于上浮过程浮力大小的变化,当几乎所有学生都认为应该是如图7所示时,有一位学生提出了不同的意见.他认为浮力先不变后变小,小于重力,然后又变大,不断反复变化,最后才与重力相等,静止漂在水面上.对这突如其来的质疑,全班自发地展开了热烈的讨论:有的建议把上浮过程录下再放慢回放;有的建议实验时选的物体最好是比较长的;有的认为可能与弹簧把球弹起运动类似;有的从图7上浮过程浮力变化械能角度讨论……最后大家形成共识,认为图7的浮力变化图像是错误的,浮力的变化可描述为:物体露出水面前,浮力大小不变;露出水面后,浮力变化;最终浮力与重力大小相等,物体漂浮在水面上.至于露出水面后,浮力如何变化,鉴于学生的认知水平,不做硬性要求.这意外的“无序”,收获的关键不是知识本身,而是给了学生质疑的勇气,让学生学会了研究问题的方法,也促进个别有能力的学生后续的研究.

每一位学生都是独一无二的,对同一问题可能会有不同的解读,会出乎教师的“预设”,造成课堂的“无序”.关注这种“无序”正体现了以人发展为本的新课程理念,突出学生的主体地位,鼓励学生个性化思维的发展.这种“无序”让学生敢于质疑,增强学习能力与创新能力,让学生对学习充满信心,让课堂焕发生命的活力!教师要尊重这种“无序”,重视课堂的生成,不拘泥于教案,不能因为学生扰乱自己的教学思路,为了完成课堂进度对学生的独到见解视而不见,造成能力培养和个性发展的落空,让课堂留下尴尬和遗憾.

1 王精国.基于认知发展理论的物理演示实验教学设计[J].物理教师,2015(10):9-11.

2 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[M].北京:北京师范大学出版社,2011.

3 阴瑞华,朱文军,秦丹.物理教学设计方法与案例[M].北京:北京师范大学出版社,2016.

4 张月兰.用实验干预学生前概念的教学探讨[J].物理教师,2014(3):29-30.