实施差异教学，提升学生科学探究能力

游天下 柴世科 毛国永

[摘 要]通过“压力作用效果的影响因素”的探究活动来建构“压强”概念是一种有效途径。教材中设置的“压力作用效果的影响因素”探究活动易于操作，能定性得出探究结论，而“压强”是一个用比值来定义的物理量，仅以定性的结论引出不足以让学生深刻理解。文章基于学生个体差异，细分能力培养目标、探究内容、探究任务、探究评价，以分层分类探究模式进行差异化指导，搭建“定性分析”与“定量分析”的思维桥梁，提升学生的科学探究能力。

[关键词]差异教学;科学探究能力;压强

[中图分类号]    G633.98        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2022）02-0093-03

《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》对“压强”课程内容的要求是理解压强的含义。比较不同版本教材，发现均是由“压力作用效果的影响因素”的探究活动来引出“压强”概念的。对该探究活动的处理直接影响学生对“压强”概念的理解。华师大版初中科学教材设置了两个探究活动（如图1和图2），浙教版初中科学教材设置了1个探究活动（如图3）。

两个版本教材设置的探究活动有以下共同点：实验步骤简洁，注重控制变量法的运用，易定性得出压力作用效果的影响因素;探究实验器材单一，没有量化，缺少思维引导。关于“压强”概念的建立有多种主张，有人主张用比值定义法;有人主张用控制变量法;有人认为两者均可;有人认为在探究压力作用效果的影响因素时应采用控制变量法，而在建立“压强”概念时应采用比值定义法;还有人认为没有必要采用控制变量法开展“压力作用效果的影响因素”探究活动。对于此观点，笔者并不赞同。“压力作用效果的影响因素”探究活动不仅应该保留，而且更应该根据学生的个体差异进行分层组织。笔者认为，在引导学生开展此探究活动时，教师应分层制订能力培养目标，指引学生进行差异化探究，并实施差异化评价，帮助学生从不同的角度去理解压力的作用效果，从而有效建立“压强”概念，深刻理解“压强”的本质内涵，最终实现学生科学探究能力的差异化发展。

一、制订能力培养目标，指引差异化探究

（一）总目标

因为学生个体存在差异，所以他们的科学探究能力水平也相应存在一定的差异。根据学生的科学探究能力水平，结合量化测试，将学生分为A（科学探究能力强）、B（科学探究能力中等）、C（科学探究能力弱）三个层次。针对不同层次的学生，分层制订科学探究能力培养目标，并指出重点培养学生的猜想能力，实验及设计能力，解释、检验与评价的能力。

（二）差异化目标

对于重点培养的科学探究能力，笔者制订了差异化目标。例如，对于猜想能力，要求C层次学生能在体验性活动（如图1）的基础上针对一个影响因素提出猜想;要求B层次学生能在体验性活动（如图1）的基础上针对两个影响因素提出猜想;要求A层次学生能根据生活中有关压力的现象，联系力的作用效果对压力作用效果的影响因素做出准确的猜想，并陈述理由。对于实验及设计能力，要求C层次学生能根据教材中提供的实验器材运用控制变量法设计一套实验方案，探究其中一个因素（压力大小或受力面积）对压力作用效果的影響，并在A、B层次学生的帮助下能进一步对另一个因素进行探究;要求B层次学生能使用教材之外的实验器材运用控制变量法设计一套完整的实验方案，并能依照实验方案开展实验探究;要求A层次学生能利用气球等器材设计具有挑战性的实验方案，并能思考、比较在未控制变量的情况下压力的作用效果如何，分析问题本质，搭建从控制变量到比值定义的思维桥梁。对于解释、检验与评价的能力，要求C层次学生能在教师的帮助下对实验结果进行准确描述;要求B层次学生能相互评价多种实验方案的可行性，并通过同伴互助能对实验结果进行准确描述;要求A层次学生能够评价实验的新发现，反思实验过程。总之，教师应制订好各项科学探究能力的差异化培养目标，以更好地引导学生开展差异化探究。

二、设计差异化探究，理解“压强”概念

（一）器材准备

为了更好地开放实验过程，笔者为学生准备了多种可选择的实验器材：一个矿泉水瓶、一个完整的易拉罐、一个去底的易拉罐、适量的水、一个玻璃器皿、一根橡皮筋、一张白纸、一个尖脚的正方形小木凳、一块海绵、一盒钩码、两个长方体大铁块、四个相同的长方体小铁块、一盒图钉、一张硬纸板、五个气球、一支小型充气筒、一把刻度尺。

（二）基础性探究

本课设计的基础性探究主要是让学生利用简单的实验器材探究压力作用效果的影响因素。通过基础性探究，学生体会到了控制变量法和转换法的应用价值，提升了自身的科学探究能力。例如，在基础性探究中，A层次学生很容易就能对压力作用效果的影响因素做出准确的猜想，甚至还想到了受压物体表面材料对压力作用效果的影响。而B、C层次学生借助图1的体验性活动和结合生活经历，也能提出“压力”“受力面积”影响压力作用效果的猜想。学生的猜想能力得到了很好的培养。在探究前，让C层次学生结合教材实验插图对探究过程进行描述，提示他们注意对变量的控制，培养其严谨的探究意识。在探究过程中，让C层次学生独立设计实验探究方案，并依照方案完成实验探究，其间让A、B层次学生对实验过程进行观察并提供帮助，使C层次学生能够顺利完成对两个影响因素的探究。对于B层次学生，则让他们利用矿泉水瓶进行实验设计，如往矿泉水瓶中装不等量的水，然后把矿泉水瓶正放在同一块海绵上，观察海绵的凹陷程度，以此研究压力对压力作用效果的影响;将装有部分水的矿泉水瓶分别正放、倒放在同一块海绵上，观察海绵的凹陷程度，以此研究受力面积对压力作用效果的影响。A层次学生能想到利用易拉罐进行实验设计，他们先将完好的易拉罐和去底的易拉罐分别正放在平整的细沙上，然后在两个易拉罐的顶部放上等质量的钩码，比较易拉罐在细沙中的下陷程度，而后增加去底易拉罐顶部的钩码质量，再比较去底易拉罐在细沙中的下陷程度与所放钩码质量的关系。除此之外，还可以鼓励学生利用四个长方体小铁块来进行实验，主要是改变它们在同一块海绵上的放置方式（如图4）。选择不同的实验器材设计实验，难易程度不同，可让学生的实验及设计能力得到有效提升。在交流评议阶段，以组间评议的形式，把对应难度的基础性探究留给相应层次的学生进行交流阐述，提升学生的解释、检验与评价的能力。这样，通过猜想引导、活动分层、评价分层，深化了学生对压力作用效果影响因素的认识，也提升了学生的科学探究能力。

（三）深度探究

在基础性探究中，学生对压力作用效果的影响因素已有清晰的认识，为了深化学生的理解，活跃课堂气氛，笔者引导学生利用提供的实验器材进行深度探究。先提出探究问题：气球扎到钉子容易破裂，这是一种常见现象，那么能否让气球置于图钉尖上，再在气球上放上科学课本，而气球也不破呢？这种认知上的冲突，让学生的实验探究具有一定的挑战性。在基础性探究中，对于“受力面积”这一影响因素，学生在实验设计时更多的是一种定向的选择，所以较容易想到如何改变受力面积。而深度探究把任务聚焦于如何想到改变受力面积以及如何改变受力面积，从理解到应用，要求更高，难度更大。在进行实验设计时，观察A、B、C三层次学生的思维表现，重在发展A层次学生的实验及设计能力。若发现学生遇到实验设计瓶颈，可降低探究难度，实施差异化指导，如引导其关注在压力一定时改变受力面积可改变压力的作用效果。待实验设计方案达成共识后，可请部分学生上台演示实验。这样，学生在实验过程中就有满满的成就感，其解释、检验与评价的能力也相应得到了提升。

经过上述的探究，学生对压力作用效果的影响因素的认识更加清晰、深刻，这对“压强”概念的建构是极为有利的。对此，笔者继续提出探究问题：“如果在同一块海绵上分别立放小铁块和平放大铁块，海绵的凹陷程度会怎么样？”B、C层次学生大多数不会比较，理由是没有控制好变量。A层次学生能做出正确的判断，但不能说出个所以然。对此，笔者让每一小组中的C层次学生进行实验，并描述实验现象，以此提高C层次学生的探究参与度。尝试让B、C层次学生分析本质问题：两铁块压力不同、受力面积也不同，没有控制好变量，能否从中寻找相同的要素进行比较？海绵每一单位受力面积上产生的形变实则反映了铁块对其压力的整体作用效果。因此，可从中进行求同比较，即比较单位面积的形变程度;再进行求异分析，即海绵的形变程度不同是因为单位受力面积上所受的压力不同。取单位受力面积分析，因为小铁块更高，所以它对单位面积的海绵压力更大，因此小铁块对海绵的压力作用效果更明显。可见，要比较压力的作用效果可以比较其单位面积所受到的压力。

那么上述的定性分析能否转换成定量分析呢？指导学生在上述实验的基础上进行定量分析。例如，A、B层次学生在图4实验中用刻度尺测量甲、丙在同一块海绵上的凹陷深度，比较海绵凹陷深度是否与压力大小成正比。鉴于材料本身的特性，该实验虽难以定量完成，但经历这样的实验设计，亲历这样的探究过程，学生无疑对科学本质的认识更清晰，对“压强”概念的理解更深刻。

三、实施差异化评价，实现差异化发展

（一）自选化评价

自选化评价，即允许学生用自己擅长的方式表达探究结果、完成探究任务，以激发学生的探究兴趣。本课的自选化评价的内容包括探究方法的选择，探究的注意事项，探究步骤、现象、结论的表述，其中表述的方式可多样化。如允许学生用语言表述探究方案和探究结論，其间重在观察其是否注意到对控制变量法的运用;允许学生用简图表达探究方案设计，关注其简图是否科学简洁;鼓励学生选择性地评价同伴的实验方案的可行性，能将科学方法、注意事项融入各个实验方案中。

（二）自省化评价

自省化评价，即在探究活动告一段落后，鼓励学生通过反思的方式，评价探究结果以及自己在整个探究活动中的表现，从而促进学生得到最大限度的发展。本课的自省化评价的内容主要是对探究活动的反思。C层次学生重在反思通过探究所得到的收获，A、B层次学生重在反思探究方案的可行性和局限性。如C层次学生评价自己在探究活动中的表现，在哪些环节通过积极参与、积极思考有新的收获，对压力作用效果和压强有什么新的认识。A、B层次学生在上述探究之后有了这样的反思：（1）上述用刻度尺测量的定量实验为什么没有达到预期效果？因为材料本身的特性，海绵的形变与所受压力不成正比例关系，这正是刻度尺测量的定量实验难以达到预期效果的原因。（2）如果选择桌面作为受力物体，适合探究吗？为什么？虽然桌面不适合用于探究“压力作用效果的影响因素”，但是桌面承受的压强依然存在，结合对单位受力面积的分析，可让学生更好地区分压力作用效果与压强的关系，深刻理解压强概念。

基于学生的个体差异，通过“压力作用效果的影响因素”的探究活动来建构“压强”概念是一种有效途径。“压强”虽不等同于“压力作用效果”，但在探究中根据目标的差异化，选择差异化探究内容是符合学生的认知发展规律的。教师进行差异化教学设计，由基础性探究到深度探究，将压力作用效果合理地过渡至压强概念，以此突破压强概念建构的难点。该探究活动的开展符合差异教学理论的观点：从个体差异出发，开展有差异的教学，最终实现学生差异化发展，提升学生的科学探究能力。

[   参   考   文   献   ]

[1]  中华人民共和国教育部.义务教育初中科学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]  袁运开.义务教育教科书·科学：八年级上册[M].上海：华东师范大学出版社，2017：37-38.

[3]  朱清时.义务教育教科书·科学：八年级上册[M].杭州：浙江教育出版社，2013：117-118.

[4]  郑渊方.压强概念的辨析与教学设计[J].物理教师，2014（12）：32-34.

[5]  毛国永. 开放过程，实施差异教学：以《阿基米德原理》一课为例[J].中学教学参考，2014（8）：119-120.

（责任编辑 黄春香）

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