基于学习进阶理论的课堂教学设计与实践*——以“物体的浮沉条件”为例郑原琛

陈瑞 李宝金 颜国英 张 雄

(云南师范大学物理与电子信息学院 云南 昆明 650500)

物理思维的培养和物理知识的学习是一个循序渐进且逐渐深入的过程.“物体的浮沉条件”这一节内容，课程标准明确列出了要求，学生在学习之前也有一定的认知基础.本文根据课程标准的要求，结合学习进阶理论，制定了基于学习进阶的教学起点和目标，并在此基础之上步步深入教学，通过简单的实验建立学习进阶，层层递进学习深度，逐渐建立学生的物理观念，最终达到课程标准的教学要求.

1 学习进阶理论

学习进阶理论首先在加拿大和美国提出，并在此后逐渐成为西方教育的研究热点问题.美国国家研究理事会(NRC)将学习进阶定义为：学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的假定描述，在一个适当的时间跨度下，学生在学习和探究某一重要的知识或者实践领域时，其思维方式的逐渐进阶[1].其不仅包含对学生思维过程的描述，而且包含在学习进阶中学生对于某种科学技能和思维能力的培养和发展.

学习进阶强调学生的认知过程是循序渐进且螺旋式上升的过程.因此，通过合理的利用学习进阶理论，根据学生的实际情况拟定教学目标并实施循序渐进的教学，实现学生认知的逐步进阶，最终达到课程标准所规定要求的目的.

2 教学设计思考与实践

学生在学习 “物体的浮沉条件”前，脑海中存在着错误的认知，基于打破学生错误认知，实现认知进阶的目的，结合学习进阶理论，笔者对本节内容进行了课堂教学设计.

2.1 教材与学情分析

“物体的浮沉条件”是力学中的重要知识点之一，是在生活经验的基础上，通过观察和实验对浮力和阿基米德原理的深化和应用.因此，在人教版、沪科版等教材中都将“物体的浮沉条件”单独列为一节，并编排在“阿基米德原理”后，由此可以看出编者对本节内容的重视，也体现出将物理知识点深化，并能够运用所学知识解释生活中的现象、处理生活中的相关问题的重要性.

在学习本节课之前，学生已经学习了阿基米德原理和浮力，对浮力的大小和方向有了一定的了解.教学实践表明，学生往往凭借生活经验形成顽固且错误的认知，很多学生的潜意识当中认为重的物体一定下沉，轻的物体一定上浮.因此，教师在教学过程中选用学习进阶的教学模式，有助于逐渐深入破除学生顽固且错误的认知并过渡到正确的认知.此外，学生在本阶段的学习过程当中逻辑能力还不够强，因此，通过直观的实验，能够帮助学生更好地、更直观地理解知识点.

2.2 学习进阶起点与终点

进阶起点是指学生在开始学习某个概念之前就应该掌握的知识和能力的描述[2].在学习本节内容之前，学生已经掌握了浮力的基本内容，对阿基米德原理有了基本的理解，因此，设定学生本节的进阶起点为：知道浮力的定义和计算公式，对阿基米德原理有初步的了解，但对浮力、重力与物体浮沉之间的关系并不明确，不能够用实验说明物体的浮沉与浮力、重力之间的关系，不了解潜水艇的浮沉原理.

进阶终点是学生在学习过程结束后应该达到的进阶目标，即最终期望学生获得的知识或技能.进阶终点通常是由学习者的期望、科学素养的学习目标以及某一学科的学习教育研究确定的[3].根据《义务教育物理课程标准(2011年版)》设定学习进阶的终点为：了解物体的浮沉条件与重力、浮力之间的关系；能够运用物体的浮沉条件说明生产生活中的一些现象；了解潜水艇浮沉的原理[4].

3 教学设计

3.1 新课引入 激发学生学习兴趣

演示实验： 小玩偶在水中的浮沉实验

师：在上课之前，老师想带各位同学做一个小实验，在老师的手上有一个装满水的水瓶，里面装着一个漂浮的小章鱼玩偶(如图1)，老师想变个魔术，让小玩偶能够在水中上下浮动，各位同学觉得这有可能吗？

图1 玩偶浮沉实验

生：不可能！

师(捏水瓶使玩偶能够在水瓶中上下浮动)：我们看到，章鱼小玩偶能够在水中上下浮动，这是为什么呢？带着这个疑问，我们一起进入今天知识的学习.

设计意图：第一次进阶，通过漂浮在水面的浮沉子在水中的上下浮动，破除学生脑海中“重的物体一定下沉，轻的物体一定漂浮”的错误认知，带着疑问和好奇进入新课学习.

3.2 旧知识回顾 进行新课

师：通过上节课的学习我们知道，沉浸在液体中的物体会受到力的作用，根据阿基米德原理我们知道，浸没在液体中的物体会受到向上的浮力，也就是说，当物体浸没在水中时，不仅仅受到竖直向下的重力的作用，同时还受到了向上的浮力作用，那物体的浮沉条件和重力、浮力之间，存在着什么样的联系呢？带着这个疑问我们一起进入今天的学习.

学生跟随教师回顾旧知识.

设计意图：回顾旧知识，为新知识的教学做铺垫.

实验探究:探究不同重力的物体在水中的浮沉条件.

师：在老师手中有3个半径为2 cm的标有数字的乒乓球，在旁边还有一个盛有水的玻璃缸，以及一个天平，首先，我们将小球放入水缸当中，依次观察3个小球在水中的浮沉情况，老师将1号乒乓球放入水中，我们发现1号小球在水中下沉，最终沉到了水底，紧接着，我们将2号小球放入水中，我们发现，2号小球静止悬浮在水中，最后将3号小球放入到水缸当中，我们发现小球上浮，最后漂浮在水面上.我们将3个小球取出并擦干小球上残留的水分之后放到天平上依次称量.根据上节课我们所学习到的浮力的测量公式为

F浮=ρ水gV排

因此，理论上可以得到乒乓球所受到的浮力为

F浮=ρ水gV排=1.0×103kg/m3×10 N/kg×

师：我们发现，1号球的重力大于浮力，因此，将小球放入水中后下沉，最终沉到水底，而2号球的重力等于浮力，因此，放入水中之后小球能够静止的悬浮在水中，而3号球的重力小于浮力，因此，将小球放入水中之后小球上浮，最终漂浮在水面上(如图2).

图2 不同质量的乒乓球在水中的浮沉情况

设计意图：第二次进阶，通过实验让学生感知上浮、悬浮和下沉的现象，从而理解物体的浮沉条件和浮力、重力之间的关系，使学生知道物体能够在水中浮沉不仅只和重力有关，还和浮力有关.

3.3 拓展应用

实验：模拟潜水艇在水中的浮沉

师：我们发现，当浮力大于重力时，物体会上浮，当浮力等于重力时物体会静止的悬浮在水中，当物体的重力大于浮力时，物体则会下沉.而在老师的手中有一个空心的小球，小球上端连接着注射器，下端有一个小孔可以和水缸中的水连通(如图3)，通过用注射器向针筒内打气可以使得水能够排出小球，反之则能使水进入小球，从而改变小球自身的重量，那如果想要让漂浮在水面上的小球下沉，老师应该怎么做？如果想要让沉入水底的小球能够回到水面上，老师又可以怎样做？

图3 模拟潜水艇浮沉实验装置图

生：抽气，使小球充水，增加重量后小球重力大于浮力，下沉；排气，排出小球内部水份，小球重量减轻，重力小于浮力，小球上浮.

师：各位同学的想法很棒，这就是我们生活当中的潜水艇模型，潜水艇能够自由地在水中上浮和下沉，就是依靠改变自身的重力实现的.除了改变重力，各位同学能不能举出一些生活当中改变浮力的例子？

生：轮船.

师：很好，轮船就是一个典型的改变浮力的例子，我们都知道，钢铁的密度比水的密度要重，而轮船为什么能够在水面上漂浮呢？其实，轮船是通过增大物体在水中排开液体的体积，从而增大浮力，使轮船能够在水面上漂浮.

设计意图；第三次进阶，通过讲解潜水艇实验的演示和轮船漂浮的原理，使学生领会潜水艇和轮船与物体浮沉之间的关系.潜水艇是通过改变自身重力，使其自身能够在水中浮沉，而轮船是改变自身所受到浮力的大小从而漂浮在水面上.将第二次进阶中的知识点作了实际应用和升华，提升了学生的认知能力.

3.4 课前实验揭秘 解决问题

师：那各位同学对我们上课之前做的小实验还有印象吗？水瓶当中的小章鱼为什么能够在水中上下浮动呢？它和我们今天所学的哪一个模型类似呢？

生：潜水艇.

师：各位同学回答得非常好，其实，在小玩偶的中部有一段储水仓，就像潜水艇的原理一样，当挤压水瓶时，水进入到玩偶储水仓当中，使得玩偶的重量增加，重力大于浮力，玩偶下沉；当松开手时，玩偶储水仓当中储存的水流出，使得玩偶重量减轻，玩偶的重力小于浮力，玩偶上浮，因此，通过不断的挤压水瓶，能够实现玩偶在水中上下浮动.

设计意图；第四次进阶，通过课前揭秘，引导学生运用所学的知识解释课前实验的原理，真正地实现学生的认知进阶.