数字化赋能探究实验改进的实践探索——以“探究浮力大小与哪些因素有关”实验设计为例

刘展鸥

(上海市民办新复兴初级中学,上海 200081)

1 方案辨析

初中必做实验之一“探究浮力大小与哪些因素有关”,在课标示例中仅要求“用水、盐水、金属块、弹簧测力计等,探究金属块所受浮力与哪些因素有关”,[1]但实验结论“浮力大小F浮与浸入液体体积V浸和液体密度ρ液有关”与阿基米德原理尚有差距.若直接给出阿基米德原理,则与课标倡导的“基于证据得出结论并作出解释”[1]的要求相悖.为此文献[2]也希望实验可以拓展为探究F浮是否与V浸成正比及F浮是否与ρ液成正比,并给出了活动建议.

现行诸多初中教材也均对此作出优化设计,以人教版为例,就在第10章中设置了两个探究实验,如图1和图2所示.[3]

图1 实验1:探究浮力大小与哪些因素有关

图2 实验2:探究浮力大小跟排开液体所受重力的关系

对于教材方案,大量文献基于认知理论做了研究.例如文献[4]认为实验原理不够显性,且不能动态地展示出F浮与G排的关系,实验增加了学生的认知负荷.文献[5]认为探究的各阶段学生被“强势引导”,且实验线索太多,应为学生搭建认知的“脚手架”.

诸多文献基于问题改进了实验方案,大致可分为三类.第一类是文献[6][7]的方案:通过改造测力计的刻度板,学生可在测力计上直接读出F浮和G排,如图3所示.第二类是文献[4][8]的方案:回避测量F浮和G排,如图4和图5所示.第三类是文献[1][2][9]的方案:学生可通过改变浸入液体的小球个数或调节量筒下方的小型升降台精确控制V浸,如图6所示.

图3 改造弹簧测力计

图4 直接测m砝码和m排

图5 杠杆恢复平衡证明F浮=G排

图6 精确控制V浸

上述方案有着共同的目标:减少测量次数,整合实验步骤,降低认知负荷;精确控制V浸,支撑探究活动.能否利用力传感器可以清零及数字化平台擅长记录和分析数据的优势达成这一目标呢?对此文献[10]～[12]均做了积极的尝试,但方案普遍存在传感器连线复杂和悬挂装置不稳定的缺点,且均为教师引导,未有学生自主探究的数字化活动方案.“学习活动方式越复杂,所引起的外在认知负荷越大,学习的效率越低.”[4]若呈现在学生面前数字化实验器材连线过于复杂,则他们的注意力资源会被无谓地消耗.若学生面对的软件界面不甚友好,则他们需要对相关信息进行额外的认知加工,难以“使学习者的认知资源用于直接从事更高级的认知加工”.[4]

2 实验设计

为了充分发挥数字化实验的优势,使之能有效服务于课堂教学,应尽量降低数字化器材的学习成本.因此本方案的传感器应具有数显模块,学生可实时观察数据变化(如图7).传感器数据应无线传输至学生端和教师端(如图8),省去复杂的连线,快速地分享数据,可以“实现一对多,多对多的课堂互动,让更多的学生思维活动可视化,被分享,被关注”.[13]

图7 学生端通过扫码与传感器建立连接

图8 学生记录数据同步显示在教师端

在数字化配套设施改进的支撑下,循着众多文献的实验方案思路,笔者进行了实践研究.在猜想阶段,部分学生会猜想F浮可能与“物体面积”“物体形状”“物体长度”等有关,对于这类猜想可以改变橡皮泥制成物体的形状,先后浸没在液体中,发现F浮不变,即可排除F浮与这些因素的关系.更多的学生基于情境与体验会猜想F浮可能与V浸、V排或G排有关,或基于前概念猜想F浮可能与深度h、液体密度ρ液有关.

对于深度h,笔者赞同文献[14]的观点:“我们可以很容易通过物体浸没后,改变深度,浮力不变的现象得出浮力大小与深度无关.”完全不必和学生纠缠“浸没前深度”和“浸没后深度”.

对于V浸、V排两者的辨析,笔者也认可文献[14]的研究成果:就是应在学生认知结构中具备认知同化的条件后再做处理,所以先引导学生分析V排与G排的关系,自然地归并V排和G排两项猜想.最后综合文献[14][15]的研究成果,基于“认知发展的探究模型”,学生活动可分别探究F浮与G排、F浮与V浸、F浮与ρ液的关系.在器材准备上只需满足可直接测量F浮,精准改变V浸,精确测出G排,且液体种类可供选择,即可满足学生多元化的探究需求.

2.1 装置初探

基于上述分析,笔者设计了两个实验装置.如图9所示,力传感器下挂圆柱体后清零,直接测出F浮.如图10所示,上方力传感器测出F浮的同时,下方已清零的电子天平可直接测出物体排开液体的质量m排.

图9 探究F浮与V浸装置

图10 探究F浮与G排装置

然而课堂实践暴露了上述装置的缺点:学生可以通过调节升降支架改变量筒的上下位置,从而改变V浸,但拧动螺丝调节支架高度时,为避免量筒晃动,需另一位学生摁住支架的底部.若改为调节悬挂传感器的十字夹,则操作更为繁复.电子天平可直接测出m排,但需要学生计算得出G排后再与F浮比较,多了一层认知加工.

2.2 探究F浮与V浸的关系

为了进一步简化操作,需要设计实验专用的支架.如图11所示,通过旋转支架上的旋钮可以精准地调节V浸.现在的学生不愧是数字化时代的原住民,实测包含实验器材熟悉过程,他们测量4组数据仅耗时4～6 min.如图12所示,学生的数据可以通过屏幕实时展示,随着课堂活动推进,学生利用学生端平台绘制出F浮随V浸变化的图像.

图11 探究F浮与V浸升降支架

图12 探究F浮与V浸的实验数据与分析过程

2.3 探究F浮与G排的关系

如图13是探究F浮与G排关系的实验装置,其测量浮力的方法与图11装置相同.实验前加水至溢水杯的溢水口,然后将两个力传感器均清零.物体浸入液体后,物体排开液体流入溢水杯下方的烧杯中,下方的力传感器可直接测出G排.实测学生完成5组实验仅耗时3～4 min,如图14所示,两个传感器示数基本相同,可得出F浮=G排的实验结论.

图13 探究F浮与G排升降支架

图14 探究F浮与G排的实验数据

2.4 探究F浮与ρ液的关系

教师依据学生的猜想提供给他们不同种类的液体.除了水之外,曾提供过饱和食盐水,但实验尚未开始,盐晶体就开始析出,实验效果并不佳.采用酒精和煤油效果很明显,但是这些液体都易燃且有气味,不适合学生活动.最终采用了饱和硫酸铜溶液达成了预期,如图15所示.

图15 采用不同种类液体小组的F浮与V排关系图像

经历了实验探究,学生做好了“认知同化”的准备,最后分析得出V浸=V排.“在定量探究中将V排和G排与F浮先后建立关联后”,[15]路径直指浮力大小的本质探究——“F浮与V排成正比”和“F浮=G排”这两个结论是否存在关联?学生思考后推导得出F浮=G排=m排g=ρ液V排g,两个结论殊途同归!本方案在一节课中充分 “发挥学生的积极性和主动性,给学生留出了恰当的时间和空间,让学生在不断探索中发展核心素养”.[2]

3 策略与反思

3.1 教具设计制作策略

自制升降支架为学生基于可靠证据得出完整的结论提供了支撑.为了便于学生坐姿读数,支架的高度设计为51 cm,为避免晃动,圆柱体与测力计之间不能有悬线,这就要求量筒高度不能超过15 cm.如此一来实验室测量范围超过25 mL的量筒均不能使用.而5 mL与10 mL的量筒口径仅有1.2～1.5 cm,导致圆柱体必须做得细长,上下调节范围变小.最后才找到一款口径4 cm、高10 cm的塑料量筒,并依据量筒口径制作了圆柱体.

如图16所示,传感器下挂圆柱体后总质量120 g左右,加装数显模块后,左右长足有30.3 cm,为避免支架倾倒,下方有机玻璃底座设计为长24 cm、宽13 cm.

图16 实验支架设计

关于教具制作,文献[16]提出利用生活中诸如棉绳、塑料碗等低成本物品作为原材料.但是成品缺乏工业级的可靠性,仅可用于教师演示,不太适合批量的学生实验探究活动.

文献[17]采用现代加工技术提升了自制教具水平,但是需要教师具有初步的设计绘图能力,也需要3D打印、激光切割等设备.

笔者认为一线普通教师制作活动类教具的最佳策略应是寻求与专业人员的合作.例如:支架的尺寸等细节,如何调整高度等需求应由教师基于活动去设计,而制作加工则由专业人员完成.

3.2 数据偏差应对策略

力传感器的示数精确到0.01 N,也精准地反映出了一些系统误差.圆柱体最先用尼龙加工而成,其直径仅比量筒小0.1 cm,且不与水浸润.如表1所示,当柱体V浸小于10 cm3时,测得F浮与理论值差异很大.可能是受表面张力影响,也可能是圆柱体和量筒内壁发生了触碰.最后通过反复测算,笔者采用了直径为3 cm的圆柱体,综合考虑了材料成本和防锈两方面因素,圆柱体采用金属铝制成.

表1 V浸较小时F浮的偏差

在最初的实践中,G排总比F浮略小0.02～0.04 N,如表2所示,在排除了其他原因后,笔者最终把问题锁定在图17所示的溢水杯A上,溢水杯A虽然有一个直径1.5 cm的管状溢水口,但是每次流速会迅速变慢,然后一部分水残留在管口呈水滴状.通过查阅文献[18]得知,溢水杯A的溢水口可被定义为“孔口”,而图18所示的溢水杯B的溢水口被定义为“管嘴”.相同情况下,“管嘴出流大于孔口出流的流量”.[18]且溢水杯B的水流充盈整个溢水口,受到气流影响很小,溢口向下倾斜,液体残留非常少.

表2 G排比F浮略小

图17 溢水杯A

图18 溢水杯B

更换为溢水杯B后,情况立刻得到了改善,但它也有缺点,就是最后3～4滴排出的液体需经2～3 s方能全部滴完,此时测出的F浮和G排才恰好相等.如果学生未等液体全部滴完就记录数据,则仍会出现测得的G排小于F浮的情况.

对上述两种情况,不少教师的应对策略是增大实验用物体体积,文献[19]正是基于这一思路,提出了增大物体体积和自制大溢水杯的实验方案.因为同一个溢水杯每次残留的排开液体重力ΔG排是基本不变的,增大物体体积可以增大G排,进而使相对误差ΔG排/G排变小.笔者认可文献[19]的辛勤付出,但若不去掩饰误差,而是与学生一起分析误差的成因则更有利于科学态度的养成.例如在课堂实践中,教师请学生回忆实验操作过程,分析误差成因,同组学生立刻回忆起数据记录员点击“记录”按钮时,溢水口还有水在滴落.教师也立刻肯定了该小组成员实事求是的态度和敢于质疑的精神.

而对于前述表1中存在明显问题的数据,则可以通过图像法分析后予以剔除,这也是学生习得数据分析与处理方法的良好素材.当然这些课堂资源的生成依赖于数字化实验的精准和快速.

数字化平台和器材的改进为学生提供了简洁且丰富的探究活动空间,为他们预留了积极思考、充分交流的时间.但是数字化实验只是“赋能”而非“全能”,一节好课仅有教学资源是不够的,还需要单元视角下的课堂活动去推动,数字化器材方可真正赋能课堂教学,为教学减负增效.[13]因而基于本节课的教学设计探索则是另外一个重要的研究课题.