指向深度学习的“问题串”设计——以初中物理“物体的浮沉条件及应用”为例

文｜王鹤敏

物理学科深度学习的定义是指“在教师引领下，学生围绕具有挑战性的物理学习主题，全身心参与以生活实际情境和物理实验为主的多种探索活动及情境互动，从形成物理观念的视角，运用物理模型建构、推理论证等科学思维方法，解决真实问题，体验成功，获得物理学科核心知识，理解物理学习过程，形成积极的学习动机、正确的态度与价值观，在物理学科核心素养方面获得全面发展”。实践发现，实现深度学习的有效策略之一就是将物理核心知识融入问题串中，以问题串为载体，实现学生思维进阶。

下面以人教版物理八年级下册第十章第3 节“物体的浮沉条件及应用”为例，给出指向深度学习的“问题串”设计教学案例。

一、情境铺垫

演示实验：分别把“石块”“花生”放入水中

问题1：两者都受到浮力了吗？依据是什么？

问题2：两者浮力大小一样吗？哪个更大？依据是什么？

（设计意图：以问题为导向来激活学生已有的认知结构，回顾前面章节所学相关知识，为进一步综合应用知识、进行思维进阶做好铺垫。）

二、概念建构

问题1：联系生活，把不同物体放入水中，会出现哪些情况呢？

生：有的沉下去，有的沉不下去，会浮起来。

师：我们把物体沉下去的这个过程称之为“下沉”，物体沉不下去，而是向上浮起来的过程称之为“上浮”。

问题2：生活中最常见的两种情况：花生在水中会上浮，石头在水中会下沉。请同学们发扬刨根问底的精神问问自己，为什么花生会上浮？而石头却下沉呢？尝试从受力的角度思考分析。（学生回答不出时，教师引导：花生在水中受到浮力了吗？那石头在水中受到浮力了吗？都受到了浮力，为什么一个上浮一个下沉呢？）

生：花生受到的浮力比自身重力大，所以向上运动；石头受到的浮力比自身重力小，所以向下运动。

（设计意图：引导学生联系生活思考物理问题，培养学生探寻科学本质的学科素养，建立学生运用受力分析方法解决物体运动状态的物理模型。）

问题3：不同物体放入水中，只可能存在这两种情况吗？有没有第三种情况存在呢？

生：也有可能受到的浮力和重力刚好相等，静止在那。

师：当浸没在水中的物体受到的浮力和重力相等，保持静止时，我们把这种情况称之为“悬浮”。

教师演示：装水的气球，放入滴有酒精的水中，刚好处于悬浮。

（设计意图：引导学生合理推理，得出物体在水中的三种情况，培养学生严谨的科学思维。合理推理后，进行实验验证，使学生了解科学探究的方法。）

学生画图：教师引导学生打开课本第57 页，画出图10.3-1 三个小方块的受力分析图。

总结归纳：作图后，请学生再次根据作图情况，归纳总结三种受力情况，强调受力情况决定物体运动状态，建构上浮、悬浮、下沉三种状态与受力情况之间的关系模型。

三、问题探究

挑战性任务：你能让沉入水底的塑料小鱼瓶浮起来吗？

学生进行分组实验探究：

桌面器材：一包盐；一根搅拌棒；一个装有水的烧杯，且底部沉有一个塑料小鱼（即小鱼形状的寿司酱油瓶，里面装有浓盐水，沉入水底。特别说明：要准备两种“小鱼”：一种是装满浓盐水的胖小鱼，一种是装了半瓶盐水，但挤出了扁鱼里面所有的空气）。

学生分享本组方案，教师设计如下“问题串”：

方案1.我们组的方案是把小鱼瓶里的水倒掉。

师：把瓶里的水倒掉，是想改变小鱼的什么物理量呢？

生：小鱼的重力。

师：小鱼的重力满足什么条件可上浮？

生：重力小于浮力可上浮。

方案2.我们组的方案是向烧杯里的水中加盐。

师：加盐的目的是什么？

生：改变液体的密度。

师：液体密度改变，意味着小鱼的哪个物理量会改变呢？（手指黑板的受力分析图，引导大家思考）

生：浮力变了。

师：浮力变得怎么了？

生：浮力变大了。

师：非常好！浮力变大，而小鱼自身重力没有变化，最终我们使小鱼所受浮力大于重力，所以上浮了，很棒的方案！

除了以上两种方案，还有别的方案吗？（有一定难度，恰当引导）

方案3.打开瓶盖使空气进去，扁的鱼肚鼓起来。

引导过程：

师：是什么决定物体的浮沉状态？

生：物体所受重力和浮力的大小关系。

师：我们刚刚方案1 把小鱼瓶里的水倒掉，是改变了什么？

生：小鱼所受重力。

师：我们刚刚方案2 向烧杯里的水加盐，最终改变了什么？

生：小鱼所受浮力。

师：我们进一步思考，改变浮力只能通过密度来改变吗？除了ρ液影响浮力，还有什么会影响浮力呢？

生：V排。

师：细心的同学会发现，每组桌面上的两条鱼不太一样，其中有一条鱼肚子扁扁的，这条鱼你还能想到别的办法让他浮起来吗？

生：打开盖子，让空气进去，使鱼肚子鼓起来，增大V排。

（设计意图：通过师生引导式对话，以“问题串”的形式使学生将不同操作方法逐一归纳出浮沉的物理本质，即改变物体的浮力或自身重力，从而使小鱼浮起来。）

四、应用实践

问题1：假如烧杯里的水多到汪洋大海，烧杯里的鱼是一条特制的大鱼，你有办法使这条大鱼可以受我们控制，自由的上浮、下沉吗？这条特制的大鱼其实就是潜水艇。

“我是小小设计师”——设计一艘潜水艇

“问题串”设计如下：

师：吸水、排水的方法就像塑料挤出小鱼肚子里的水。除了这种方法，你们还想到其他方法了吗？

生：加盐。

师：大家觉得这种方案怎样？

生：不可行，那得加多少盐啊！

师：还有办法吗？

生：改变体积。

师：大家评价一下这个方案怎么样？

（提示：潜水艇通常要在深海作业，所以潜水艇的材料会有特殊要求，你们知道吗？）

生：抗压能力强，坚硬！

师：所以改变潜水艇的形状容易吗？

生：不容易。

教师演示：潜水艇模型

（设计意图：驱动学生寻找解决问题的方法，培养学生解决实际问题的能力。）

视频播放：蛟龙号潜水艇

师：大家留意到蛟龙号总设计师是谁吗？

生：徐芑南。

师：请大家铭记这位老人，六十多岁接到潜艇立项任务，义不容辞，整整花了十年的时间，终于使中国载人潜艇在海下7062 米试海成功。这就是我们中国的科学家，历史与使命，责任与担当。

（设计意图：学生经历“设计潜艇—观察潜艇模型—观看蛟龙号”，使学生理解物理知识从理论设计到模型制作，最后到生产应用的过程，知道物理对于社会发展的价值所在，培养学生的科学责任感。）

五、迁移创新

问题1：我们研究的小鱼或潜水艇，都是在液体里，那么，物体除了在液体中会受到浮力，其他地方会受到浮力吗？师：大家坐在这里，有受到浮力吗？

生：有！

师：为什么大家没有浮起来呢？

生：因为人太重了！

师：对，因为人所受重力远远大于所受浮力，所以浮不起来，沉入了大气层的底部，也就是地面。

问题2：大家试想一下，假如在空气的海洋中也有一条大鱼（图片：飞艇），你们可以想办法让它浮起来吗？（对比沉入水底的小鱼进行思考）

学生先思考，后小组讨论，最后班级分享：

要减小飞艇的重力，可以排出飞艇里面的空气，但是排出空气，同时飞艇就会瘪下来，浮力也就变小了，还是无法上浮。

增大空气的密度，不现实。

增大排开的体积，同时就会增加飞艇重力，也不可行。

（设计意图：将人类对浮力的应用从液体扩展到大气，以解决实际问题“如何使飞艇升空”引出新的认知冲突，当用所学方法无法解决新问题时，可以尝试回归问题本质，找到新的解决方法，即通过理论分析找出密度关系，以此培养学生分析问题、解决问题的能力。）

“问题串”设计如下：

师：把解决小鱼上浮的方法用到飞艇上升，似乎进入了死胡同，怎么办呢？遇到这种情况我们还是回到问题的本质：受力情况决定物体的运动状态，比较F浮与G物。

分析：

师：因为飞艇浸没在大气层中，所以V排=V物，又因为g 相同，所以，决定F浮与G物大小关系的因素是什么呢？

生：由ρ空与ρ物的大小决定。

师：因此，物体是上浮还是下沉的最终决定性因素是什么呢？

生：ρ空与ρ物的大小。

教师带领学生一起归纳三种浮沉状态的密度大小关系。

师：请大家继续思考飞艇上升的问题，现在你们找到了解决问题的办法了吗？

生：飞艇里面充入比空气密度小的气体，飞艇就能上升了。

师：密度比空气小的气体有什么呢？

生：氢气、氦气。

师：还有吗？空气可以吗？

生：不行，因为空气密度和飞艇外面空气密度一样，不能升起来。

师：空气在什么情况下，密度会发生变化呢？动脑筋想一想。

生：热胀冷缩。

师：空气受热会膨胀，遇冷会收缩。所以热空气的密度会变——

生：变小。

趣味实验：电吹风吹泡泡

师：你们留意过平时吹的肥皂泡泡么，吹出后往哪里飞？假设当时是无风环境。

生：向下。

师：如果不用嘴巴吹，改用电吹风吹热风呢？泡泡会向哪里飞呢？我们一起来看看吧。请同学们边观察边思考实验现象背后的物理原理。

生：电吹风吹的是热风，即泡泡里面是热空气，热空气密度小于外面的空气，所以泡泡向上升。

（设计意图：通过一个趣味“吹泡泡”游戏，让学生对比观察到常温空气和热空气的泡泡，浮沉情况果然不同，以此培养学生从理论分析到实验验证的物理学科思维。）

本节课以“深度学习走向核心素养”为理念，实施过程中，物理核心知识通过“问题串”形式递进式推进，使学生在思考与解决问题的过程中，从对核心知识的浅显理解走向内化核心知识承载的物理学科思维，提升学生解决综合实际问题的能力，更有利于培养学生物理学科的关键能力和必备品格。