大概念引领下的学生自主创新实验①——以“制作更听话的浮沉子”为例

陈菊清 汤金波

(1. 北京亦庄实验中学，北京 100176； 2. 南京师范大学附属中学树人学校，江苏 南京 210036)

钱学森之问拷问着每一位教师：“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”在传统教学中，学生刷题花费了太多的时间和精力，而且在很多时候是被动的、不过脑子的，形成一种“熟练度错觉”，实际上并没有真正理解。习近平总书记在全国教育大会上强调：“要在增强综合素质上下功夫，教育引导学生培养综合能力，培养创新思维。”大概念引领下的学生自主创新实验能够切实培养学生的核心素养。

1 大概念引领下的学生自主创新实验的内涵

1.1 大概念

大概念是联结各种小概念的“概念”，是指有组织、有结构的科学知识和模型，能将分散的知识和技能整合起来，可以对较大范围内的一系列相关现象进行解释和预测，大概念包括学科核心概念和跨学科概念。[1]

1.2 学生自主创新实验

自主即自己做主，创新即抛开旧的、创造新的。学生自主进行创新实验，学生是主体，自主是常态，创新是灵魂，实验是载体。[2]

1.3 大概念引领下的学生自主创新实验

围绕大概念，创设真实情境，引导学生发现问题与分析问题，自主设计和动手实验，去解决实际问题，这就是大概念引领下的学生自主创新实验，它具有以下特性：(1) 创造性。自主创新实验不是教材编制的实验，需要教师创造性地设置情境；(2) 趣味性。 自主创新实验能够激发学生的学习兴趣、思考与行动的热情；(3) 挑战性。 自主创新实验需要学生持续不断地探究才能完成；(4) 实效性。通过自主创新实验能解决实际问题。

2 大概念引领下的学生自主创新实验案例

“压强与浮力”是初中物理的核心概念，通过压力联结成概念体系，压强是表示压力作用效果的物理量，包括固体压强、液体压强和大气压强，浮力是液体或气体对浸在其中的物体施加的压力的合力。在“压强与浮力”的教学中，教师要把设计的学习目标、任务、计划、工具和资源包提前发给学生，并进行简单介绍。教师首先展示已经制作好的容易下沉和上浮的浮沉子，学生会提出问题：浮沉子为什么能下沉和上浮？再展示一个不容易下沉的浮沉子，引导学生提出问题：怎样制作出更“听话”的浮沉子？帮助学生明确“压强与浮力”大概念学习的核心任务，完成相应的学习规划。

学生为了完成核心任务，需在不同课时逐步完成“探究影响压力作用效果的因素”等8个相关的自主创新实验。学生通过自主探究，构建相应的物理概念，进而联结成概念体系。结构化的大概念，有利于学生进行存贮和提取，有利于综合运用。为了运用大概念来完成核心任务——制作出更“听话”的浮沉子，需探究以下问题：怎样制作和使用浮沉子？怎样使浮沉子下沉？怎样使作用在饮用水瓶上的压力更小，撤去压力后，浮沉子能够上浮？

鼓励学生猜想：影响浮沉子下沉所需最小压力的因素有哪些？学生交流自己的猜想：影响因素有浮沉子的质量、浮沉子内空气的体积、浮沉子的体积、浮沉子的放置方式、浮沉子的开口情况、饮用水瓶内空气的体积、压力作用在饮用水瓶上的位置、饮用水瓶的容积、不同品牌的饮用水瓶……

每一个可探究的科学问题中都有因变量、自变量和不变量，在本实验中因变量是作用在饮用水瓶上的压力，测量工具是推拉力计。教师引导学生讨论：怎样确定不变量？怎样控制不变量？在实验1中，自变量为浮沉子的质量，浮沉子的质量需要改变，猜想到的其他量都需要保持不变。如何保持浮沉子内空气的体积不变呢？引导学生通过分析提出实验方案：需提前测出塑料瓶的质量m、总容积V和保险丝的密度ρ，若瓶内空气的体积V0保持不变，取适量保险丝，测出其质量m1，求出保险丝体积V1，再测出小塑料瓶中需加水的体积V2和质量m2、浮沉子总质量m总，只需改变保险丝的质量，就能保持浮沉子内的空气体积不变。

通过讨论确定实验方案后，每一个小组至少领取两个实验任务，全班同学配合完成全部实验，教师提供评价量规(表1)，帮助学生进行自我评价。

表1

在准备台上摆出实验器材有：量程为0～200 N的推拉力计、最大秤量为500 g的电子天平、针筒上标有刻度值的带针头的注射器、刻度尺、保险丝、大小不同的小塑料瓶、烧杯、水、水槽、细线、各种饮用水瓶等。让学生在课外活动时间完成综合性的自主创新实验，记录和处理数据，撰写报告。在学生完成实验后，在班上进行成果展示、交流。

让学生像科学家那样进行真实问题的探究，在探究的过程中他们会发现新的问题，可以寻求教师帮助。在实验中，有学生发现了一个奇怪的现象：在浮沉子沉底后松手，浮沉子不能浮上来。但拧松饮用水瓶盖时，浮沉子又会上浮，这是为什么呢？笔者让他们提出猜想，进行实验，分析讨论。他们终于找到了原因：盖上饮用水瓶的瓶盖后，就把瓶内外的空气隔开了，在拧紧瓶盖的过程中，瓶盖不断下移压缩瓶内空气，使瓶内空气的压强不断增大。在拧松瓶盖的过程中，瓶内空气的压强就不断地减小，浮沉子中的空气就不断膨胀，当浮沉子所受浮力大于重力时，就上浮了。他们发现和解答这个问题后，特别兴奋。

在实验中利用打火机和尖嘴钳将浮沉子密闭，分别测出浮沉子粗端和尖端朝下时所需的最小压力。学生观察到与想象不一致的现象：密闭浮沉子粗端朝下时，使浮沉子下沉所需的最小压力明显要小些。这是为什么呢？笔者和学生一起讨论，如果是由形状引起的，细端朝下时，更接近流线形，所受阻力更小，应该是更容易下沉。根据帕斯卡定律可知：当压力作用在饮用水瓶上时，浮沉子对应部分因此而增加的压强相等，增加的压力相等，增加的压力的合力为零。在浮力与重力大小相等时，浮沉子所受的合力为零，运动状态不改变，可把浮沉子看作一点，在饮用水瓶内水中的相对位置不变。浮沉子尖端和粗端的劲度系数不同，当粗端朝下时，粗端更容易变形，会使浮沉子中的水面上升，而浮沉子的重心在饮用水瓶内水中的相对位置保持不变，浮沉子要下移。当尖端朝下时，尖端不容易变形，就不会出现粗端朝下时所呈现的现象。所以浮沉子粗端朝下时，使浮沉子下沉所需的最小压力更小些。

学生通过交流、讨论，总结出制作更“听话”的浮沉子的方法：

(1) 用相同塑料瓶制成的浮沉子，质量应尽量大些，但必须保证浮沉子的平均密度小于水的密度，还需保证松手后，浮沉子能上浮，多次实验的经验表明：浮沉子的平均密度在0.95 g/cm3左右比较合适。浮沉子内空气的体积应尽量大些，所以加到浮沉子中的配重需选用密度较大的材料。

(2) 如果是制作开口的浮沉子，可以选用开口较大的小玻璃瓶、小塑料瓶来制作，或者用吸管等可弯折的管状物来制作。

(3) 如果是制作密闭的浮沉子，可以使用小塑料瓶，粗端朝下时它更“听话”。

(4) 需选用形状规则、劲度系数合适、容积较小的饮用水瓶。

(5) 饮用水瓶内空气的体积应尽量小，可以装满水。

(6) 压力作用在饮用水瓶侧壁上部的位置。

3 案例反思

教学实践表明：解决较复杂的实际问题需要运用大概念，本案例需要综合运用组成大概念体系中的压力、压强、液体压强、大气压强、阿基米德原理、物体的浮沉条件等，能帮助学生更好地理解各个概念之间的关联，促进学生对大概念的深入理解，有利于大概念的迁移创新，大概念引领下的综合性学生自主创新实验能更好地提高学生的核心素养，主要体现在以下几个方面。

3.1 提高学习效能

实验看起来比刷题费时，却是一种高效能的学习方式。真实有趣的问题驱使学生综合运用大概念深入探究，各小组同学按照制订的规则交流合作，眼、耳、口、手、脑多器官参与，能让学生维持较长时间的兴奋，加强神经元突起之间的回路联系，发展学生的科学思维，形成物理观念，增强学生解决实际问题的能力。学生运用大概念解决较复杂的实际问题，对大概念理解的深度是无法通过刷题达到的，所获得的成就感是无法通过刷题体会到的，这种成就感能激发学生的内驱力，促进学生自主学习。

3.2 增强学生的合作交流能力

学生通过亲身经历能体会到：在运用大概念进行探究的过程中，小组成员必须分工配合，齐心协力，才能更快、更好地完成任务。实验在课外完成，学生以实验小组为单位在课堂进行展示交流。成员A进行实验设计汇报，成员B负责进行操作展示，成员C进行数据和实验结论展示，组长进行实验评估和回答其他组同学的提问，回答问题时组内其他同学可以补充。在交流中，提问和回答的环节最精彩，学生热情最高。

3.3 促进学生的个性发展

利用评价量规帮助学生进行自我评价和反思，尊重学生的个性差异。基础薄弱的学生可以选择其中的简单问题进行探究，可以寻求同学帮助。基础扎实的学生可以进行较复杂问题的探究，在探究过程中会不断发现新的问题，促使他们深入思考和持续探究。

3.4 培养学生的科学态度

通过对真实问题的综合探究，有利于培养学生严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度。利用现代装备和技术，快速获取更精确的数据，便于得到准确的实验结论。学生会发现出乎意料的现象，能够尊重事实，深入探究。

总之，大概念引领下的学生自主创新实验，能实现从以教为中心到以学为中心的变革，实现从做题到做事的转变，提高学生的核心素养。