人教版“物体的浮沉条件及应用”进阶教学中科学思维的培养

李才义

威宁彝族回族苗族自治县麻乍第二中学 （贵州省毕节市 553105）

1 引言

在现实生活中，初中生相较于高中阶段的学生，科学思维能力比较薄弱，因此在物理学习过程中，面对清晰直观的实验现象时，要转而过渡到抽象的思维理论分析，具有一定的难度。因此，在初中物理的教学过程中，教师注重培养学生的科学思维以帮助其进行深度的学习，促进全面发展至关重要。本文从人教版初中物理“物体的浮沉条件及应用”入手，分析教学实践，探讨教学过程中如何培养学生的科学思维。

2 初步判断分析，关联“物体浮沉变化”与“力和运动关系”

在教学时，若教师给学生展示“物体浮沉变化”现象时，会发现学生在观察过程中很难将该现象与以前学习过的“力和运动的关系”、“二力平衡条件”等物理规律联系起来。这时，教师应从学生的日常生活体验着手，引导学生运用学过的相关知识来分析物体在空气中运动时的状态变化，进而分析判断物体在水中的运动状态。这使学生有了一个从感知到判断，再到分析的正向迁移思维过程，在构建“物体浮沉与变化”与“力和运动的关系”的逻辑联系的过程中，使受力分析的思维方式得到巩固。

比如教师首先可以运用下面的图片想学生提问：

提问1：如图1，该静止在水平桌面上的物体将如何运动？

图1

提问2：物体的运动状态发生改变的原因是什么？

接着教师可以为学生演示以下现象：1.气球在空气中上浮；2.鸡蛋在水中下沉；3.乒乓球在水中上浮。然后向学生提问：

提问3：以上物体在运动过程中的受力情况是怎样的，请分析并画出受力示意图。

提问4：根据力和运动的关系，分析判断F浮与G物之间的大小关系。

提问5：说说物体都有哪几种浮沉状态？其中平衡状态有哪些？非平衡状态有哪些？

提问6：分析“物体浮沉变化”与“力和运动关系”之间的逻辑关系是怎样的？

从这个教学过程来看，教师在教学中从学生学习过的概念入手来导入新课，通过创设情境让学生从从熟悉的旧知识过渡到新知识，并设计层层问题一步步引导学生从物理的表象中发现物理规律的实质，思维有了层层递进，从现象中抽象、概括出关于上浮、漂浮、平衡状态、非平衡状态、下沉、沉底等概念的实质，从而反映出物理运动中浮沉状态的本质，如图2所示：

图2

3 模型的构建，通过力的示意图概括、抽象出物体的浮沉条件

模型是对真实事物的表征，作为科学发展的一个重要元素，是科技人员不断进行创造和探索的基础。物理建模过程是充分运用物理语言和研究方法，通过对物理问题进行抽象、假设、推理来刻画物理量之间的关系，形成物理模型[1]。构建模型是学习物理过程中所必须具备的一个环节，教师在教学中要让学生明白这一点，同时还要引导学生借助实验器材，亲自动手，经历建模的过程，增加学生的体验感。在学习“物体的浮沉条件及应用”时，物体的浮沉状态就是一种物理模型。上一轮教学环节中，学生经过学习已经对物体的浮沉状态的知识有了直接性的体验和经验，了解到了物体所受重力和浮力的大小关联着物体浮沉状态，物体浮沉状态的变化，其本质就是在于物体运动状态变化的原因。教师在引导学生构建模型时，可先让学生充分发挥科学的洞察力和想象力，自主分析该浮沉装置，通过初步判断，抽象出液体、容器、浮沉物的模型，接着帮助学生去分析浮沉的物体在浮沉状态中的受力情况并画出受力示意图，这样就把复杂的物体或经历现象完整地简化了，在其中抽象出了这一物体或现象中最主要的元素，一个正确简单的物理模型就被构建出来了。比如以下通过以下教学片段引导学生构建出物体浮沉条件的物理模型：

首先教师利用教学资源将一些物体如鸡蛋、塑料瓶、薄金属片、土豆等浸没在水中，松开手之后让学生观察它们的浮沉状态的变化过程，然后进行提问：

提问1：物体浮沉状态的变化是怎样的？请描述出来，并用力的示意图描述出各个物体浮沉状态变化过程中的受力情况，初步构建物理模型。

提问2：请从力和运动的关系的角度出发，归纳分析出物体的浮沉条件。

提问3：请从平衡状态与非平衡状态的角度出发，归纳分析出物体浮沉状态的物理模型之间有什么逻辑关联。

由于八年级的学生正处于直觉形象思维到抽象推理概括的过渡阶段，因此在学习过程中建立模型的能力、勾画示意图的能力以及归纳分析物理模型的能力比较欠缺，所以教师在教学中要有针对性地启发学生回想与物体浮沉状态有关的知识和经验，通过铺垫来让学生更好地建立相关物理模型。同时也要引导学生充分利用科学的想象力，分析比较，更加有效地建立物理模型。其思维过程如图3 所示：

图3

4 数理推导，推理分析出浮力与密度之间的物理关系

在学生构建出物体浮沉条件的物理模型的基础上，教师可继续引导学生进行深度思考，启发学生不断加深对知识的理解和想象，首先引导学生通过观察物理表象判断悬浮和漂浮之间的区别和联系；接着让学生根据现有的现象和数据，推导出物体浮沉条件中ρ物与ρ液的关系；最后启发学生的数理思维，继续进行公式推导，从刚才的ρ物与ρ液的关系的角度概括出物体的浮沉条件。比如以下教学过程：

教师将一只鸡蛋置于盐水中，逐渐往杯中加入清水，这时鸡蛋由漂浮状态逐渐变为悬浮状态。

提问1：通过刚才的观察，请说出漂浮和悬浮之间的区别和联系。

将鸡蛋、塑料瓶、薄金属片、土豆、清水、盐水等物体的密度表展示出来。

提问2：观察密度表，结合已观察到的浮沉现象，说出物体的浮沉条件还与什么因素有关。

提问3：假设物体均为实心体，请结合学过的阿基米德原理、力和运动的关系原理等有关知识论证你的猜想。

往盐水中加清水后，鸡蛋由漂浮变为悬浮，引发学生猜想物体的浮沉状态变化可能与液体的密度有关；接着在对物体和液体的密度表以及浮沉现象的比较中，启发学生进一步提出质疑，并猜想物体的浮沉条件不仅可以从物体和液体的密度角度思考，还可以从G物与F浮之间的大小的角度进行思考，使学生的科学思维进一步过渡到对复杂的事实数据的逻辑推理。这个过程引导学生充分利用了已有的认知，对漂浮和悬浮这一对易混淆概念做出了辨析，不仅巩固了原有知识，还运用了原有知识去进行数理推导，比较物体在不同浮沉状态下该物体和液体之间密度的大小，从而从多个角度去判断物体的浮沉条件。其思维过程如图4 所示：

图4

5 迁移联想，构筑实验原理模型与实际应用之间的关联

高阶思维的标志特征是迁移应用，评价创造、抽象概括，能对所探究的问题进行方案的设计与表达，选择合适的器材，制定严谨的步骤，逐步运用系统思维去认识和解决问题[2]。在这一阶段，教师可在教学环节中帮助学生将学生已有的碎片化的知识信息加以整理，构建完整的知识体系，同时引导学生突破常规的思维，不断进行联想、猜测、推理，将实验探究活动与STS 实际应用联系起来，进一步训练学生的发散性思维和科学思维。

在这一教学片段中，教师可将外形相同的鸡蛋在盐水中分别保持漂浮、悬浮、沉底状态，如图5 所示：

图5

提问1：请猜想，鸡蛋在同样的液体中，为什么会呈现出漂浮、悬浮、沉底三种不同的状态？

组织学生自主活动：利用不同的物体和器材改变物体的浮沉状态。

学生交流讨论：归纳出改变物体浮沉状态的方法并进行评价。

迁移联想：找出实际应用的实验原理模型。

带领学生了解关于密度计、轮船、潜水艇是浮力的应用。

教师展示：同一个鸡蛋在盐水中为漂浮状态，在清水中为悬浮状态；外形相同的三个鸡蛋在同一杯盐水中分别为漂浮、悬浮、沉底状态；将金属片折成船行后漂浮在水面。

提问2：在分析对比，联想迁移之后，说出浮力应用的实际例子与实验原理模型中的哪一个相对应？

这一环节通过不同的学生活动，引导学生思考影响物体浮沉状态的因素是G物与F浮，并且二者的改变可导致物体浮沉状态的改变。根据公式F浮=ρ液gV排，可通过改变ρ液和V排两种途径来改变物体的浮力。在带领学生实验和观察的时候，教师要引导学生突破固有的思维定式，启发学生科学地运用联想、猜测、想象等将实验现象和物理规律联系起来，结合它们之间的本质规律所体现出来的相关特性、因果逻辑关系，构筑实验原理模型与实际应用之间的关联，帮助学生加深对抽象规律、概念的理解，搭建起实际应用与实验原理模型的阶梯，促进思维的创造性、开放性、发散性发展。思维过程如图6 所示：

图6

6 结论

一堂好课不是看教师教得多么精彩，而是看学生是否以主人的身份全程参与课堂，是否学得主动、快乐、有效，这些都能从学课堂各环节、各要素、各细节的表象中反映出来[3]。素质教育理念提出以来，要求在课程教学中培养学生的创新精神和实践能力，具备创新精神和时代的位置才能适应当下社会的发展需要[4]。在人教版“物体的浮沉条件及应用”的教学设计中，教师要注意从科学思维的角度出发，不断引导学生进行思考、猜测、质疑和创新，在需学生思维训练当中，要善于发现其中存在的思维障碍并提炼出来作为教学素材。同时教师也可以让学生运用常规的思维方法如归纳、抽象、概括、分析、推理、综合、论证等，将科学思维贯穿其中，让学生在传统中发展出科学思维，培养学生的综合能力，促进学生全面发展。