跳出“学科”学“科学”

叶笛

“物体的浮与沉”是科学教材（上海远东出版社、牛津大学出版社出版）六年级第一学期第4章“物质的粒子模型”中的一节课。在《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）中，对应本节课的学科核心概念是“物质的结构与性质”，对应本节课的学业要求规定为“能比较和分析常见材料在水中的沉浮现象……能利用控制变量的方法设计方案并操作，探究不同材料在水中的沉浮现象”。《上海市初中科学学科教学基本要求》（以下简称“基本要求”）中指出，本节课的学习水平为B级（理解），具体要求为：“①了解一些物体浮沉的知识；②理解物体浮沉与其密度的关系。”基于课程标准和基本要求，传统教学对本节课的处理侧重于让学生知道“密度大小是物体浮与沉的决定性因素”。然而，若以融通式科学教育理念为指导，则需要对教学内容进行颠覆性的重构。

一、解读教材内容，探析教学逻辑的合理性

在教材中，先让学生根据生活中的现象或已有知识，对物体浮沉提出假设：

a.质量小的物体会浮在水面上，质量大的物体会沉入水底。

b.质量大的物体会浮在水面上，质量小的物体会沉入水底。

c.体积小的物体会浮在水面上，体积大的物体会沉入水底。

d.体积大的物体会浮在水面上，体积小的物体会沉入水底。

e.物体在水中浮或沉与物质种类有关。

其中，涉及的因素有质量、体积和物质种类。而后，教师提供8个实心物体和一盆水。这8个实心物体包含4种材质，每种材质有2个物体；每种材质都取1个物体保证质量相同（编号为A、B、C、D），而每种材质的另一个物体都保证体积相同（编号为E、F、G、H）。见表1。

接着，根据假设，选择几个物体放入水中，记录浮沉现象，将实验结果填入表1，而后总结规律。

教材内容依照课程标准的要求，设置了不同物质种类、质量和体积的物体之间的对比实验。然而，对教材内容进行深度剖析，可以发现其中存在难以弥补的缺陷。从罗列的5种假设可见，可能影响物体浮沉的因素有质量、体积和物质种类。根据控制变量法的原则进行对比实验时，必须要做到研究哪个因素，就只在实验组中改变这个因素，其他因素都要与对照组保持一致，这样才有可比性。基于严谨的科学原则，表1中无法找到可以实验的对象。例如，要研究“质量”这个因素会不会影响物体的浮沉，需要找到两个实验对象确保它们只有质量不同，而物质种类和体积都相同。在表1中，对于质量、体积和物质种类这三个因素，根本无法找到“其中一个因素不同，而另外两个因素相同”的实验对象。在实际教学中，学生都只考虑根据某一个因素相同来选择实验对象。最终，他们发现：只要是泡沫塑料和木质的物体都会浮，而铝和铁的物体都会沉，便得出结论：物质种类决定了物体的浮沉，跟质量和体积都无关。其实，仅凭生活经验，学生就能够得到这样的结论，这个并不严谨的对比实验显得有些多余。

二、剖析传统教学，探讨知识传递的合理性

在传统教学中，教师为了让学生体会到“质量和体积都不能决定物体的浮沉”，往往以“一块小石子会沉入水底，而一根大木桩却能浮在水上”这一生活现象引入。而后再以同一物质种类不同大小的物品进行测试，最终学生发现：不是质量越大的物体越容易沉，也不是体积越小的物体越容易浮，而是物质种类决定浮沉。最终，教师解释道：“密度是物质的一种属性，密度=质量/体积。用密度大小可以判断物体的物质种类，进而推断其浮或沉。”在教材中表格的第6列，呈现的是某物体“质量/体积”的数值，即该物质的密度。然而，学生会产生大大的疑问：“为什么是质量除以体积，怎么不是体积除以质量？”“为什么两者做除法，怎么不是乘法、加法或者减法？”对此，教材中没有给出任何解释，只是直白地呈现出密度公式—“质量/体积”。学生也只能被动接受这样的规定，却完全不清楚密度公式的由来。同时，授课教师普遍感到无法真正说服学生，对于“是否真正运用了控制变量法来开展实验”也拿捏不准。由此可见，知识的学习应该追求发现的过程，这样才能让学生欣然接受，而不是表面上做了大量的活动，实际上却生硬地呈现知识点。

三、基于学情实际，联系生活建构认知体系

以融通式科学教育理念重新审视这节课的教学内容，教师需要对教材内容做全面的重构。倘若以课程标准中提到的要求“利用控制变量的方法设计方案”，则不可避免地要涉及“空心物体”，同时还要基于学生的原有认知，才能合理建构认知体系。为此，教师面向全校六年级215名学生展开了一次匿名的、独立回答的学习前测调查。对调查问卷进行数据分析，发现超过3/4的学生认为“质量会影响浮沉”，超过半数的学生认为“物质种类会影响浮沉”，而对于“体积会影响浮沉”的认同人数则不足一半。同时，超过3/4的学生认为“质量越小越容易上浮”，还有超过1/3的学生认为“体积越小越容易上浮”，只有约1/5的学生认为“体积越大越容易上浮”。

而对于“描述容易上浮的物体有哪些特点”这一问题，答案中出现频次较高的词有：密度、质量、轻、物质种类。还有一部分学生已经知道“密度越小，越容易浮”，而且大部分学生强调“质量越小，越容易浮”。

基于学生真实的前认知基础，以融通式科学教育理念为导向，教师需要对教学进行合理化再设计。既然学生普遍认为“质量会影响浮沉”，那么教师就不必武断纠正，而应顺势利导，让学生产生“物体浮沉不仅与质量有关，还与其他因素有关”的认同感。由于学生对体积与浮沉关系的认识还不够清晰，教师需要带领学生重新温习旧知识，把“体积增大会让物体漂浮”这一知识点强化落实到位。部分学生已经知道密度决定物体浮沉，但依然只停留在陈述科学事实层面，无法解释密度为何会决定物体浮沉。教师需引导学生从“重力与浮力的关系”出发，关注“质量”，进而关注“单位体积下的质量”（即密度），顺理成章地实现学生思维的渐进。基于上述分析，教师重构教材内容，优化探究活动，形成如下教学流程（见图1）。

1. 导入环节

教师通过泰坦尼克号沉没事件引发学生思考：“为什么船舱进水会导致船体沉没？”师生共同开展对“物体的浮沉与什么因素有关”的探索。

2. 活动一

回顾自然教材（上海远东出版社出版）二年级第一学期中的“漂浮和下沉”内容，归纳出“物体的浮沉与物质种类有关”的道理。教师呈现“能沉入水底的木头”和“会漂浮的石头”两个特例来说明“不能仅仅通过物质种类来判断物体的浮沉”，而后引导学生回顾自然教材（上海远东出版社、牛津大学出版社出版）五年级第一学期中“浮力”一课的内容：物体的重力小于浮力时，物体会上浮。进而继续推导：物体的重力大小是由其质量所决定的，物体的浮沉会与质量有怎样的关系呢？

教师给每组学生提供A、B、C三个不同的立方体，让学生小组合作，通过对比实验来探究物体的质量与浮沉有怎样的关系（见表2）。

实验得出的结论是：

由于学生选择的实验对象不同，最终得出的结论也各不相同。选择A和B实验的小组，得出“物体的质量越小，越容易浮”的结论；选择B和C实验的小组，得出“物体的浮沉与质量无关，可能与物质种类有关”的结论；选择A和C实验的小组，得出“物体的浮沉与质量无关，可能跟体积或者物质种类有关”的结论。教师引导学生对实验方案进行分析，请各小组阐述自己选择实验对象的理由。经过讨论交流，大家发现：按照控制变量法的原则，每个小组选择的实验对象都是不严谨、不科学的。因此，所得出的实验结论都是不可靠的。最终，在教师的引导下，学生设计出更加科学的实验方案—用同种材料制作两个体积相同而质量不同的物体，一个是实心的，另一个是空心的（可把空心部分的空气忽略不计，假想成真空）。于是，教师展示提前用橡皮泥制作好的符合学生方案要求的两个立方体进行演示实验。学生观察实验现象后总结出规律：物体的浮沉与质量有关，在同物质种类、等体积条件下，质量越小，越容易浮。

3. 活动二

通过之前的实验，学生普遍认为“物体的浮沉还应该与体积有关”。教师以玻璃针筒为例，让学生通过拉长推柄进入空气的方式改变玻璃针筒的体积来观察其浮沉现象。学生通过实验，得出规律：物体的浮沉与体积也有关，在同物质种类、等质量条件下，体积越大，越容易浮。

4. 活动三

学生尝试根据两个实验得出的结论来归纳决定物体浮沉的关键性因素。他们发现：物体的下沉与质量成正比例关系，而与体积成反比例关系。由此想到：在等体积的情况下，比较质量大小就可以判断物体的浮沉了。在教师的引导下，学生将物体放入水中，将物体的密度与水的密度进行比较，得出“物体密度小于水的密度，物体就上浮；物体密度大于水的密度，物体就下沉”的结论。

5. 巩固练习

教师提供一个由特殊材料制成的“X立方体”，让学生尝试运用所学知识，在不把它放入水中的前提下，预判出它的浮沉情况。学生小组合作，利用直尺测量“X立方体”的长、宽、高，计算出体积，再用电子天平测量“X立方体”的质量，而后用密度公式算出“X立方体”的密度，再跟水的密度做比较，得出推断：“X立方体”会浮在水面上。最后，学生将“X立方体”放入水槽中测试，验证了推断是正确的。

6. 课堂小结

教师引导学生尝试运用所学知识解释“泰坦尼克号船舱进水后沉没的原因”。学生能够从比较船体的密度与海水的密度的角度，解释为什么一开始船能够漂浮在海面上，而船舱进水后船会沉没。学生深刻理解了“密度”公式的由来，开始认同“物体的密度决定浮沉”这一科学规律。

这样的教学重构打破了传统教学中以学科知识为中心来创设活动的一贯做法，在承认学生学习新知识前头脑并非“一张白纸”的前提下，将学生已有的生活经验作为学习新知识的起点。本节课教学内容若以学科为本位，则始终强调让学生记忆“物体的密度决定浮沉”；而跳出学科，以学生为中心，则更关注学生的前认知，联系生活实际，强调“物体的密度决定浮沉”。即使物体是空心的，依然可以通过计算其“平均密度”来判断浮沉。

融通式科学教育理念摒弃了传统教学中简单粗暴的“否定式”思维（如质量、体积与物体的浮沉无关），倡导更加有意义的“肯定式”思维（如质量和体积都会影响物体的浮沉），从而令学生冲破二元对立的惯性思维的禁锢，逐步养成一种关注事物之间联系的良好习惯。其实，科学领域中的新发现大多基于事物之间的内在联系。青少年需要具备一双善于寻找关联的慧眼，需要提升建立事物之间联系的意识，更需要学会从纷繁复杂的事物中探寻抽丝剥茧的方法，这便是融通式科学教育所倡导的核心理念。

[作者系上海市三新学校（松江东部分校）师训处主任、教科研负责人，上海市特级教师，正高级教师]

责任编辑：赵继莹