基于物理核心素养的概念课教学设计研究*──以“浮力”教学为例

李安发

(广州市花都区秀雅学校 广东 广州 510800)

物理核心素养是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质．物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与社会责任”4个要素构成．发展学生的物理核心素养是当前物理课程改革的新议题，促进学生物理核心素养的形成和发展已成为物理课程的核心目标，如何在物理教学实践中落实物理核心素养已成为物理教学研究的热点问题．

课堂教学向来是培养学生核心素养的主战场，一线教师历来非常重视．本文以人教版初中《物理》第十章第1节“浮力”的教学设计为例，从确立教学目标、趣味导入新课、建构物理观念、激活科学思维、深入科学探究、培养科学态度和责任等方面，探讨如何在物理课堂教学中落实科学素养，促进学生科学品质的形成，提高学生的科学思维能力、科学探究能力和解决问题的能力．

1 分析内容 确立教学目标

1.1 教学内容分析

“浮力”是八年级物理中理解难度和教学难度相对较大的一节课，是对力、二力平衡、压力、液体压强等知识的综合应用．通过学习，学生要了解浮力的概念、浮力的方向、浮力的测量方法、浮力产生的原因及影响浮力大小的因素．本节课运用了多种获得知识的方式，包括观察了解、实验体验、理论推导，都是初中物理中经常使用的学习方式，综合应用可以培养学生的科学思维．

探究浮力产生的原因是本节的难点，教学时用自制的“浮力产生原因演示器”演示同一物体在水中受到水对它向上和向下的压力不同，从而得出浮力产生的原因．探究“影响浮力大小的因素”是本节课的重点．通过学生自主探究，培养学生实验设计、实验操作、归纳总结、表述交流等能力．

1.2 学生学情分析

八年级的学生尽管对物理很好奇，但对现象的认识很多是感性认识，要把有关浮力的认识从感性提高到理性，要综合运用各方面的知识，并通过实验、理论分析和推理判断归纳获得新知识，对初二的学生来说还是较难的．而且学生从日常生活中产生的感性认识有许多是片面的甚至是错误的，例如许多学生认为下沉的物体不受浮力作用，还有学生认为上浮的物体受的浮力大，下沉的物体受的浮力小等等．教学中要转化这些前概念，建构正确的浮力观念．

1.3 确立教学目标

物理观念：知道什么是浮力,了解浮力产生的原因；知道浮力的方向是竖直向上的；会用弹簧测力计测物体在液体中所受的浮力；知道浮力大小与哪些因素有关．

科学思维：能确定并证明浮力的方向；能逻辑清晰地讲述浮力产生的原因；能推导出用称重法测浮力的公式．

科学探究：让学生经历实验探究的过程，体验用控制变量法进行科学探究；用实验探究浮力的方向及浮力产生的原因；用实验探究影响浮力大小的因素．

科学态度与责任：经历观察、实验以及探究等学习活动培养学生尊重客观事实、实事求是的科学态度；同时培养学生对参与物理学习的兴趣，提高学习的自信心；培养学生发现和探索生活中物理现象的兴趣；用饮料瓶自制学具，培养学生的动手能力和环保节约意识．

2 趣味导入 激发学习兴趣

《物理课程标准》明确指出，“义务教育阶段的物理应激发并保持学生的学习兴趣”“要使学生保持对自然界的好奇，发展对科学探索的兴趣”． 在新课开始的阶段，一定要有一个引入新课的过程，而新课的引入必须能吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣．

本节课上课伊始，笔者首先展示了一张人躺在死海上悠闲地看报纸的图片，如图1所示．问学生：这人没有游泳，为什么没有掉入水中？学生说，是由于受到浮力的作用．那为什么在普通池水中的人做不到呢？我们这节课就来探究浮力的奥秘．然后，拿出一大一小两个羊角球，小球的直径和一个常规篮球差不多，大球的直径是小球的2倍，如图2所示．叫一位学生，先后把这两个羊角球压入水中．小球被他轻而易举地压入并浸没在水中了，而大球他却用了九牛二虎之力仍然不能全部压入水中．这个实验，引起了大家极大的兴趣，有很多自认为大力士的学生纷纷上来要试一试大球，结果都铩羽而归．这两个展示和实验，不但引起了学生极大的兴趣，为浮力的学习留下了悬念，也为接下来猜想影响浮力大小的因素做了铺垫．

图1 人自由地躺在死海上漂浮

图2 一大一小的羊角球

3 创设情境 建构物理观念

关于教学情境，德国一位学者有过一句精辟的比喻：将15 g盐放在你的面前，无论如何你难以下咽．但如果将15 g盐放入一碗美味可口的汤中，你早就在享用佳肴时，将15 g盐全部吸收了．情境之于知识，犹如汤之于盐．盐需要溶入汤中，才能被吸收；知识需要溶入情境中，才容易被理解和掌握．

物理观念的建构，同样离不开情境的创设．为了建构浮力的概念，笔者先播放了我国首艘国产航空母舰山东号的视频，相当于一栋20层的高楼的航空母舰能安稳地浮在海面上，场面相当震撼．学生可以感受到浮力的巨大力量．然后，再让他们说说生活中哪些地方还体现了浮力．有人说浮在水上的鸭子，有人说江面上的竹筏，有人说江上的轮船，有人说浮在水面的汤圆，有人说水上乐园浮在水上的大球，还有人说广场上放飞的氢气球、飞艇、热气球等等．由这些丰富的情境，我们可以总结出浮力的概念：浸在液体或气体中的物体受到的向上托的力就叫浮力．

4 问题导向 激活科学思维

著名物理学家劳厄说过：“对学习而言，重要的不是获得知识，而是发展思维能力．教育无非是将一切已学过的东西都遗忘时所剩下来的东西．”对物理教学来说，这种剩下来的东西就是科学的思维方式、科学的探究方法、科学态度与价值取向等．科学思维是一种隐含在科学知识和科学探究过程中的东西，这种隐性的东西恰恰是物理核心素养的重要体现．科学思维能力是衡量物理核心素养的重要标志．物理教学中，教师要设置合理的问题情境，为学生的思维发展搭建平台，让学生在获取知识的同时获得思维与能力的训练．本节课，笔者多次设置问题情境，从以下几方面培养学生的科学思维．

4.1 建构模型

物理学家费曼有句名言：“你能认出真理，因为它既美又简单．”模型思维法就是对研究对象加以合理的简化，突出主要因素忽略次要因素，从而解决问题的方法．

在学习浮力时，笔者提出问题：“浮力是怎么产生的？”为了帮学生搭建思维的脚手架，笔者制作了浮力产生原理的演示模型．在一个圆筒的两端各蒙上一个橡皮膜．当圆筒水平放入水中时，如图3所示，橡皮膜的凹陷程度相同，但凹陷方向相反，左侧的向右，右侧的向左．说明同一深度物体左右两边受到液体的压力大小相等，方向相反．而当圆筒竖直放时，如图4所示，下面橡皮膜的凹陷程度明显大于上面橡皮膜的凹陷程度，而且凹陷方向相反．这说明圆筒下表面受到的液体压力大于上表面受到的液体压力，上表面受的液体压力向下，下表面受的液体压力向上．于是，我们把物体的受力示意图画出来，如图5所示．这几个模型，很形象地把浮力产生的原因展示出来了：液体在物体两侧对物体的压力相互抵消了，而物体上下表面受到的液体压力却不相等，有一个压力差，浮力就是物体上下表面受到的液体的压力差，即F浮=F向上-F向下．

图3 水平放的圆筒

图4 竖直放的圆筒

图5 浮力产生的原理图

4.2 科学推理

科学推理能力是科学思维的重要组成部分．学生需要把物理公式的来龙去脉推导出来，才能真正理解公式的内涵，才不至于靠死记硬背学物理．例如，为了给“探究影响浮力大小的因素”做准备，笔者提问：“我们应该怎样来测量浮力大小呢？”先让学生用绳子系一个小石块，手提细绳将物体浸没在水中，让学生分析石块的受力情况，并画出石块的受力示意图，如图6所示．根据物体受力平衡可知，在竖直方向上，向上的力大小之和等于向下的力，即F浮+F拉=G，变形可得F浮=G-F拉，这就是测浮力的公式．

图6 用称重法测浮力的受力分析

4.3 科学论证

科学论证是促进学生概念理解和概念转变的必由之路．学生在物理学习过程中，新的概念会与原有经验发生冲突，学生要经历澄清认识、理清思路、修正认识等一系列的认知过程方可将新概念纳入其知识体系．在这个过程中，学生可以打破错误的前概念，重新建构科学的物理概念．

在研究浮力的方向时，笔者提问：“浮力的方向是竖直向上的还是斜向上的？”接下来用细绳分别系住一个乒乓球和一个小铁球．如图7所示让两个球静止在水中，结果从正面看两根绳子重合(侧面看两绳子平行)．然后将水缸倾斜，从正面看两根绳子依然重合(侧面看依然平行)，如图8所示．由此可见，浮力和重力的方向在同一直线上，而重力永远是竖直向下的，所以浮力方向永远是竖直向上的．

图7 水缸水平放时的浮力方向

图8 水缸倾斜时的浮力方向

为了让学生对浮力有全面的认识，笔者提问：“下沉的物体受不受浮力？”马上叫学生思考．有的说下沉的物体不受浮力，因为浮力是向上的；有的说下沉的物体也受浮力，因为他去游泳时越往深处走，感觉身体越轻．为了探究这个问题，笔者让学生用橡皮筋系住一个小石块，然后测量一下放入水中前和放入水中后橡皮筋的长度，结果放入水中后，橡皮筋变短了．这样学生就都知道了，原来下沉的物体也会受到浮力．

5 自主实验 深入科学探究

学生学习物理，不是靠老师教会的，而是通过他们自身的认知活动学会的．有效的物理教学，是指教师能够激起学生的探究欲望，并能促使他们运用已有知识，通过实验、分析、推理，去主动建构新知识．在物理教学设计中，教师应注重科学探究，这对培养学生的探究能力和科学态度有重要意义． 本节课，学生的探究实验按以下步骤进行．

5.1 问题与猜想

提出问题：影响浮力大小的因素有哪些呢？先让学生回顾引入新课时在死海上看报纸的图片和按羊角球的实验，说说自己的猜想．为了让大家对按压物体进入水中有直接体验，每组学生都用饮料罐做了如图9所示的实验．猜想阶段，有学生猜想浮力与液体密度有关，因为死海含盐量高，海水密度大，所以浮力大；有的说饮料罐越往下压阻力越大，所以猜想浮力与深度有关；还有说越往下按，排出的水越多，猜想浮力与排开液体的体积有关；有的说与物体密度有关，与物体体积有关，还有的说与物体的轻重有关等等．

图9 浮力与排开液体体积的关系体验

5.2 设计与探究

面对学生这么多的猜想，教师先肯定大家的积极思考，然后安排各小组分工，有的探究浮力与液体密度的关系，有的探究与排开液体体积的关系，有的探究与物体轻重的关系，有的探究与物体密度的关系，还有探究与深度的关系．为了应对学生可能有的猜想，教师事先要准备齐全足够的实验器材供学生探究．同时提醒学生，做实验时，要用控制变量法进行探究，用称重法测量浮力大小．

5.3 结论与交流

实验结束后，要安排学生上台展示自己组的实验过程和实验结论．展示浮力与液体密度及排开液体体积关系的小组获得了大家的一致认同，展示浮力是否与物体轻重有关的小组的结论却遭到了其他小组的反对．第一个小组认为浮力与物体重力有关，第二个小组却认为浮力与物体重力无关．大家一起分析原因，原来是第一小组没有控制物体的体积相同，导致结论错误．在研究浮力与深度的关系的小组之间也出现了不同的意见，有的说浮力与深度有关，有的说浮力与深度无关．为了解开大家的疑惑，教师在讲台上演示了这个实验，通过投影，展示给大家，如图10所示．往杯中逐渐加水，先让大家观察物体浸没前弹簧测力计的示数变化，再观察物体浸没后弹簧测力计的示数．虽然深度一直在增大，但浸没前示数变小，说明浮力逐渐增大，浸没后，示数不变，说明浮力不变了．再让学生思考这其中的原因．很快有学生发现，浸没前，深度越深，排开液体的体积越大，所以浮力越大，浸没后深度增加，排开液体的体积却不变，所以浮力不变，归根结底，是排开液体的体积在影响浮力的大小．

图10 浮力与深度关系的探究

6 学以致用 培养科学态度和责任

在核心素养4个要素中，科学态度和责任是必备品格，但也恰好是我们教学中最容易忽视的环节．在教学活动中，我们要不失时机地渗透科学本质、科学态度和社会责任的教育．要让学生形成学习和研究物理的好奇心与求知欲；主动与他人合作，实事求是，不迷信权威，能基于证据和推理发表自己的见解；理解科学、技术、社会和环境的关系，热爱自然，具有保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感．

例如，在学习了浮力产生的原因后，笔者给学生变了个魔术，先把一个木块放入水中，木块漂浮在水面．然后拿出一个有魔法的玻璃箱，先把木块放在箱底，用手先压着木块，然后往里面加水，等水浸没木块后，松开手，木块却并没有浮上来，而是稳稳地停在水底，如图11所示．再让学生往大箱里加水，当大箱的水位升高到一定水位时，木块很快就浮上来了．学生都觉得很新奇．笔者让学生思考其中的原理，为魔术揭密．思考后，有很多学生踊跃举手．原来，这个魔术箱由大小两个玻璃箱组成．小的放在大的里面，小箱底部钻了一个和木块底面积差不多大的孔，往小箱加水时，木块底部并未受到水向上的压力，所以并没有产生浮力．当往大箱里加水后，木块底部也受到了水的压力，于是就产生了浮力．学生学以致用，能为魔术揭密，都有满满的成就感，对物理学习的兴趣更浓了．

图11 魔术：浮与不浮都听话的木块

在展示浮力的应用时，笔者播放了我国第一艘国产航空母舰山东舰的宣传视频，如图12所示．山东舰雄伟壮观的气势把学生深深地吸引住了，他们为祖国强大的科技和军事实力感到自豪．在谈感想时，学生表示，要努力学习科学知识，将来为祖国的繁荣昌盛做出自己的贡献．

图12 我国第一艘国产航母山东舰

7 结束语

物理学科核心素养的培育是物理教学的终极目标，让学生通过物理学习形成必备的品格和关键能力是每一位物理教师的责任和使命．我们要不断研究物理教学内容，深入挖掘其中的育人价值，能够围绕核心素养制定出每一节课的教学目标和教学设计方案，这样才能实现物理教学从注重学科知识本位向关注学生核心素养发展的有效转变．