蔣蕊 趙寧

摘 要：基于不同版本物理教科書浮力一章內(nèi)容的設(shè)計(jì)，進(jìn)行比較分析，結(jié)合課標(biāo)得到本章節(jié)的邏輯思維進(jìn)階模式.教師依據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行復(fù)習(xí)課的設(shè)計(jì)，根據(jù)學(xué)生思維的進(jìn)階發(fā)展能力開展復(fù)習(xí)課教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，逐步提升學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)、理論分析和推理論證能力.

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;創(chuàng)新;物理核心素養(yǎng);思維

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）18-0015-04

基金項(xiàng)目：寧夏第五屆基礎(chǔ)教育教學(xué)課題“初中物理教學(xué)中創(chuàng)新型教具自制的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JXKT-WL-05-006）.

作者簡(jiǎn)介：蔣蕊（1998-），女，甘肅涇川人，碩士研究生，研究方向：中學(xué)物理教學(xué);

趙寧（1986-），男，寧夏銀川人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

2004年，史密斯（Carol Smith）等學(xué)者針對(duì)美國(guó)教育現(xiàn)狀提出學(xué)習(xí)進(jìn)階，最初應(yīng)用在美國(guó).隨著學(xué)習(xí)進(jìn)階理論在國(guó)外迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，我國(guó)教育研究者開始關(guān)注該教學(xué)策略，由于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)理念與我國(guó)教育改革理念相吻合，21世紀(jì)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論開始逐漸被引用到我國(guó)，眾多學(xué)者開始研究并將進(jìn)階學(xué)習(xí)應(yīng)用到物理課堂教學(xué)之中.眾所周知，物理知識(shí)的學(xué)習(xí)必須循序漸進(jìn)，如果缺乏統(tǒng)籌的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，就會(huì)使學(xué)生學(xué)習(xí)出現(xiàn)斷層和知識(shí)碎片化的現(xiàn)象.這與學(xué)習(xí)進(jìn)階的理念不謀而合，所以利用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，將學(xué)習(xí)進(jìn)階理論與實(shí)際的物理教學(xué)相結(jié)合，在連貫的學(xué)習(xí)過程中不斷落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，可以幫助學(xué)生逐漸深入地理解物理知識(shí)，加深對(duì)物理知識(shí)的思考，有利于發(fā)展學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新能力.本文在對(duì)不同版本的教材進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合課標(biāo)對(duì)“浮力”課程內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，探究學(xué)習(xí)進(jìn)階理論對(duì)于教學(xué)實(shí)踐的具體應(yīng)用.

1 不同版本教材對(duì)比分析

教科書是教師教學(xué)的主要依據(jù)，也是學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的主要工具.教科書的內(nèi)容編排間接影響教學(xué)質(zhì)量.不同版本教材在編制時(shí)的關(guān)注點(diǎn)和邏輯順序有所不同.本文以初中物理八年級(jí)下冊(cè)浮力章節(jié)為例，結(jié)合《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》中課程內(nèi)容的要求（見表1）對(duì)人教版、北師大版、教科版等多個(gè)版本教材中的學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較和分析，并對(duì)教材內(nèi)容的編排是否有效促進(jìn)學(xué)生的進(jìn)階學(xué)習(xí)進(jìn)行多維度對(duì)比.

基于不同版本教材內(nèi)容對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，各版本在浮力章節(jié)內(nèi)容編排思路符合知識(shí)由淺入深、由易到難的邏輯，符合學(xué)生的心理特征、年齡特點(diǎn)及認(rèn)知水平.在浮力部分的學(xué)習(xí)進(jìn)階順序?yàn)椋焊×Φ母拍?、浮力大小和方向、探究浮力大小與哪些因素有關(guān)、得到阿基米德原理、物體的浮與沉、浮力在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.各教材對(duì)浮力這一章節(jié)的思維進(jìn)階基本一致，都遵從以上的思維邏輯順序.教師在教學(xué)過程中應(yīng)該將物理知識(shí)情境化，通過學(xué)生分析問題、解決問題時(shí)表現(xiàn)出來，也通過分析問題、解決問題促進(jìn)其自身發(fā)展，由傳統(tǒng)的低階思維向高階思維轉(zhuǎn)化（見表2）.

2 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)模型設(shè)計(jì)（見表3）

在初中階段的浮力相關(guān)知識(shí)中，浮力的概念是基礎(chǔ)，阿基米德原理和物體的浮沉條件是解題關(guān)鍵，考題多以浮力結(jié)合密度等相關(guān)的知識(shí)考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握程度.在教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)以浮力的概念為出發(fā)點(diǎn)，以浮力的規(guī)律為聚焦點(diǎn)，以受力分析和幾何關(guān)系等幾個(gè)要點(diǎn)為突破點(diǎn)，逐個(gè)擊破浮力這一章的難點(diǎn).所謂突破點(diǎn)也就是學(xué)習(xí)進(jìn)階的節(jié)點(diǎn)，在學(xué)生的思維發(fā)展過程中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生突破這幾個(gè)關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而提高學(xué)生理解、運(yùn)用浮力知識(shí)的能力.

3 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的復(fù)習(xí)課設(shè)計(jì)

筆者基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論設(shè)計(jì)了“浮力”復(fù)習(xí)課.在進(jìn)階過程中，教師在復(fù)習(xí)課中引導(dǎo)學(xué)生聚焦科學(xué)思維和邏輯，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展;讓學(xué)生基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問題、對(duì)實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)論進(jìn)行交流評(píng)估;讓學(xué)生掌握科學(xué)的物理觀念并在正確理解物理規(guī)律的基礎(chǔ)之上解決生活中的實(shí)際問題;通過趣味實(shí)驗(yàn)解釋生活中的現(xiàn)象，逐步讓學(xué)生形成探索自然的內(nèi)在動(dòng)力、持之以恒的科學(xué)態(tài)度.

3.1 創(chuàng)設(shè)情景，激發(fā)興趣，讓學(xué)生感受浮力的奧妙

問題：如何不觸碰樹葉，也能讓樹葉沉到水里呢？

方法：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，有學(xué)生提出，可以用一個(gè)口徑比樹葉大的玻璃杯，杯口向下將葉子按壓下去.有的同學(xué)立刻提出相反的意見：在操作的過程中，水會(huì)全部灌進(jìn)杯中，葉子會(huì)漂浮到杯子的底部，是不可能將葉子沉到水底的.

驗(yàn)證：在不觸碰葉子的前提下，用杯子罩著樹葉用力向下按，發(fā)現(xiàn)樹葉慢慢被按到水底.為了得到普遍規(guī)律，將樹葉換成一個(gè)不規(guī)則的能夠漂浮在水上的物體，比如家中常見的塑料玩具、瓶蓋等.

質(zhì)疑：在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)有趣的現(xiàn)象.

（1）將杯口向下按壓時(shí)需要很大的力量.

（2）水平移動(dòng)杯子，塑料玩具會(huì)隨著杯子移動(dòng).

（3）塑料玩具的上表面是干燥的，沒有沾上水滴.

為驗(yàn)證在樹葉沉底的狀態(tài)下，樹葉的表面沒有沾上水是因?yàn)橛锌諝獾拇嬖?，學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)器材，用家里常用的瓶蓋模擬樹葉，在瓶蓋上方放置淀粉（淀粉遇水則成為粘稠狀）進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

實(shí)驗(yàn)過程如圖1、圖2、圖3、圖4所示.

圖1模擬樹葉漂浮在水上，圖2中瓶蓋完全沉底，在放大的圖3中可見淀粉仍處于干燥狀態(tài)，可知淀粉上方有空氣的存在.圖4中向上移動(dòng)玻璃杯，瓶蓋隨之移動(dòng).

交流分享：玻璃杯罩在水面上，當(dāng)用力向下壓玻璃杯時(shí)，玻璃杯中空氣對(duì)瓶蓋的壓力和手作用在玻璃杯上向下的力的合力大于瓶蓋受到的浮力，因此水上漂浮的物體被壓到水底.

3.2 自主探究，總結(jié)規(guī)律，體驗(yàn)身邊的浮力

趣味小實(shí)驗(yàn)：為什么變質(zhì)的雞蛋會(huì)漂?。?/p>

有些學(xué)生留意到正常雞蛋在投入燒杯水中之后會(huì)沉底，變質(zhì)的雞蛋卻會(huì)漂浮.學(xué)生用手輕微搖晃雞蛋，發(fā)現(xiàn)浮出水面的部分是空心的，而新鮮沉底的雞蛋是實(shí)心的.學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，探究原因，測(cè)定雞蛋的密度.

實(shí)驗(yàn)器材：彈簧測(cè)力計(jì)，水，溢水杯，小桶，變質(zhì)的雞蛋，針，質(zhì)量可忽略不計(jì)的網(wǎng)兜.

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1）首先用彈簧測(cè)力計(jì)懸掛網(wǎng)兜及變質(zhì)的雞蛋靜止在空氣中，讀出測(cè)力計(jì)的示數(shù)F.

（2）用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出空小桶的重力為F1.

（3）將變質(zhì)的雞蛋浸在裝滿水的溢水杯中，用針將雞蛋慢慢浸入到溢水杯中，直到雞蛋完全浸沒，用小桶接溢水杯溢出的水。用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出此時(shí)小桶和水的總重力為F2.此時(shí)計(jì)算得到雞蛋的體積等于排開水的體積.

（4）通過計(jì)算得到變質(zhì)雞蛋的密度.

交流分享：學(xué)生查閱相關(guān)資料得知，雞蛋中75%都是水分，可以通過氣孔蒸發(fā).隨著放置時(shí)間變長(zhǎng)，水分的蒸發(fā)，雞蛋的密度就會(huì)減小，就會(huì)出現(xiàn)空心的感覺.所以不新鮮的雞蛋就會(huì)懸浮在水中或漂浮在水面.這個(gè)簡(jiǎn)單的趣味實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)學(xué)生探究的欲望，讓學(xué)生從生活走向物理，從物理走向社會(huì).

3.3 自制模型，理論分析，培養(yǎng)學(xué)生探索自然的內(nèi)在動(dòng)力

在學(xué)生的前認(rèn)知中，物理規(guī)律是抽象而且深?yuàn)W的.教師需要設(shè)置實(shí)驗(yàn)，通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)和定量的分析幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)前概念的誤區(qū)并且改正.

在這個(gè)階段，筆者選擇制作“蛟龍?zhí)枴睗撍У母×?shí)驗(yàn).教師為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生小組合作動(dòng)手制作“蛟龍?zhí)枴睗撍?，探究潛水艇的浮沉條件.

第一小組自制的潛水艇模型如圖6所示，A是容積為V的玻璃廣口瓶，B是軟木塞，C是排水管，D是進(jìn)氣管，這套裝置放置在圓柱形盛水容器中.當(dāng)向瓶中吹氣或者吸氣的時(shí)候，潛水艇模型可以運(yùn)動(dòng)到液面下任意深度處.水的密度為ρ水.其中軟木塞B，細(xì)管C、D的體積和重力以及瓶中的空氣重力都可以忽略不計(jì).

教師針對(duì)學(xué)生所做潛水艇模型提出問題.

問題1：同學(xué)們是如何實(shí)現(xiàn)潛水艇模型上浮或下沉的？

學(xué)生回答：若通過細(xì)管D向瓶中通入空氣，就可以實(shí)現(xiàn)潛水艇模型的上浮;吸出瓶中的空氣，潛水艇模型就可以下沉.

問題2：其他小組的同學(xué)來解釋潛水艇模型的原理.

學(xué)生思考原因，并用浮力的知識(shí)解釋現(xiàn)象：向廣口瓶中吹入空氣之后，瓶中水向外排出，根據(jù)浮沉條件可知，此時(shí)浮力大于重力，潛水艇模型上浮.合理的情境創(chuàng)設(shè)可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，用物理知識(shí)解釋生活中的各種現(xiàn)象.同學(xué)們還可以通過查閱資料進(jìn)一步了解蛟龍?zhí)柕母〕量刂?，使學(xué)生在學(xué)習(xí)課本知識(shí)的同時(shí)了解祖國(guó)海事方面的前沿科技，激發(fā)學(xué)生的愛國(guó)主義情感.

在學(xué)生經(jīng)歷了對(duì)浮力的感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)知過程，糾正了前概念，掌握浮力基本規(guī)律之后，進(jìn)行發(fā)散性思維進(jìn)階，培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等能力.

3.4 思維進(jìn)階，舉一反三，從特殊到一般建構(gòu)模型

學(xué)習(xí)進(jìn)階的過程不應(yīng)該只局限于局部學(xué)科知識(shí)，應(yīng)該貫穿于學(xué)生的終身學(xué)習(xí)中.在初中階段通過實(shí)驗(yàn)探究影響浮力大小的因素有兩個(gè)，液體的密度和物體排開液體的體積.其研究對(duì)象為規(guī)則的特殊模型，比如正方體、長(zhǎng)方體、圓柱體物體.它們的體積都滿足棱柱體積計(jì)算方法，即：V=Sh.對(duì)于一般的不規(guī)則物體，它排開液體的體積如何計(jì)算呢？在高中階段我們會(huì)學(xué)習(xí)到微積分，在大學(xué)學(xué)習(xí)了流體力學(xué)的知識(shí)后，會(huì)應(yīng)用微積分來證明阿基米德原理.從特殊到一般培養(yǎng)學(xué)生的高階思維.

根據(jù)流體力學(xué)部分知識(shí)可知，流體作用于接觸表面壓力的合力即物體所受的浮力.

如圖7所示，物體表面面元dS受到的力等于ρghdS，其中ρ為流體的密度.所有作用于面元上的力沿豎直方向分力之和即浮力，故浮力等于：

積分遍及物體和流體的接觸面.式中等于面元dS在水平面上的投影，hcosαdS等于dS上方以cosαdS為底的柱體的體積dV.因此上式積分變?yōu)椋?/p>

積分遍及物體排開的流體的體積.積分正好等于物體排開流體所受的重力用G排表示，則有：F=G排，即阿基米德原理.

4 教學(xué)評(píng)估與反饋

在復(fù)習(xí)課的設(shè)計(jì)中，首先通過精心創(chuàng)設(shè)的情景，讓學(xué)生感受浮力的奧妙，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.接著通過學(xué)生自主測(cè)定雞蛋密度的實(shí)驗(yàn)，將所學(xué)的物理規(guī)律應(yīng)用到生活中，再用自制“蛟龍?zhí)枴睗撍?，從改變潛水艇重力大小的角度分析潛水艇浮沉條件，在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的過程中，學(xué)生的能力得到進(jìn)一步的提升.依托趣味實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過小組合作、討論找到規(guī)律、得出結(jié)論，從而多角度培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理與科學(xué)論證的能力，在實(shí)驗(yàn)過程中逐層實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的進(jìn)階.從特殊到一般，最后運(yùn)用流體力學(xué)、微積分的知識(shí)證明阿基米德原理，進(jìn)而提升學(xué)生的思維能力，思維得到發(fā)散，力求達(dá)到學(xué)習(xí)進(jìn)階的更高層級(jí).

根據(jù)初中生的特點(diǎn)，在課中設(shè)置了不同的情景，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，分階段實(shí)現(xiàn)進(jìn)階學(xué)習(xí)，讓學(xué)生充分理解所學(xué)知識(shí)，達(dá)到用知識(shí)去解決生活中實(shí)際問題的目的，并能將所學(xué)知識(shí)遷移創(chuàng)新，最終達(dá)到提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的效果.

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（收稿日期：2021-05-25）