芻議“影響浮力大小因素”的教學設計

趙洪慧+石堯

摘 要：針對學生在影響浮力大小因素中存在的有關(guān)前概念，我們立足學生本位觀，以學生大腦中固有的前概念作為教學流程設計的出發(fā)點，以科學探究的方式作為教學設計的邏輯主線，希冀對該內(nèi)容教學及學生學習困難的破解有所裨益.

關(guān)鍵詞：物理教學；浮力；前概念；學習困難

1 問題的提出

《浮力》是初中物理教學的重、難點之一，對學生的抽象思維和邏輯推理有著較高的要求，期間包含著許多容易被忽略的細節(jié)，給學生造成了沉重的認知負荷.進一步研究發(fā)現(xiàn)，《浮力》教學中能否使學生合理地猜想到“影響浮力大小的因素”，并做出科學正確的假設，是設計探究實驗，得出阿基米德原理的關(guān)鍵.然而在“影響浮力大小因素”內(nèi)容的教學中，干擾學生正確認識形成的外因很多，僅憑教師講解傳授抑或?qū)嶒炑菔径紵o法克服學生頭腦里的錯誤觀念.

在現(xiàn)實教學中，有些教師習慣于使用“手按壓易拉罐”的學生實驗，即隨著易拉罐浸入水中體積的增大，學生將由觸覺體驗到浮力在逐漸增大，同時由視覺感知到排開的水也在逐漸增多，從而直接得出浮力大小與排開液體體積有關(guān)的結(jié)論.雖然這一實驗能夠幫助學生建立正確的認識，但卻不能徹底摒除學生錯誤的前概念，從根本上解決學生學習困難的問題，大腦中錯誤的前概念勢必會在今后的學習中混亂學生的認知結(jié)構(gòu)，可謂“只立而不破”.此外，該實驗的思維過程較為復雜，同時涉及觸覺和視覺兩處感官認知，對尚處于具體運算階段的初中生而言，實在難以統(tǒng)籌兼顧.

前概念是指學生在進入課堂學習之前，通過長期的經(jīng)驗積累與辨別式的學習，對日常生活中所感知的現(xiàn)象、事物等的非本質(zhì)認識，學生意識中的前概念多與科學相悖.因此，在教學過程中撥亂反正，輔助學生形成正確的物理概念至關(guān)重要.由于錯誤的物理前概念具有超前性、廣泛性、頑固性和反復性等特點，因而使它們徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W的概念并非易事.鑒于此，我們立足破除學生前概念的教學理念，以科學探究為教學設計的主線，對本節(jié)課的教學內(nèi)容展開系統(tǒng)研究.

2 探究影響浮力大小因素的教學流程

因初中生初涉物理領(lǐng)域，他們對物理現(xiàn)象充滿了好奇， 因此本節(jié)教學內(nèi)容是進行探究性學習的良好載體.即從探究影響浮力大小的因素入手，讓學生依次經(jīng)歷提出問題、猜想假設、制訂計劃、收集證據(jù)、分析論證、交流合作等探究環(huán)節(jié)，最終得到浮力大小與液體密度和物體浸入液體體積有關(guān)，而與物體體積、物體密度、浸入液體中深度等無關(guān)的結(jié)論，繼而為引入和學習《阿基米德原理》打下堅實基礎(chǔ).

首先，我們根據(jù)教學經(jīng)驗，編制了相關(guān)調(diào)查問卷，以便勘測學生大腦中的相關(guān)前概念.經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計可知，在影響浮力大小的因素中所涉及的學生前概念主要有物體質(zhì)量、物體浸入液體體積、物體體積、物體密度、物體浸入液體深度及液體密度六個（如下表1所示），以此作為之后開展科學探究的材料.

研究表明，理論演繹對保持學生思維的嚴密性和一貫性有著不可替代的作用，是指引人們行為的風向標[1].因此在實際探究開始之前，教師可引導學生對影響因素進行理論辨析，觀察各因素之間有無包含關(guān)系，進而將其拆解到其他因素的探究中.在此，結(jié)合所學知識，學生大都會發(fā)現(xiàn)，由于質(zhì)量等于密度與體積的乘積，如果浮力大小與物體體積有關(guān)，肯定與物體質(zhì)量有關(guān)；同時如果浮力大小與物體密度有關(guān)，也肯定與物體質(zhì)量有關(guān).于是便把質(zhì)量這一因素拆解到體積和密度的探究之中.這樣，通過對影響因素的理論辨析，就可以減少不必要的操作程序，為接下來的實驗探究理清方向.

基于教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論[2]，將教學過程可以看作是學生認知系統(tǒng)從被組織階段向自組織階段轉(zhuǎn)變的過程.在被組織階段，教師的示范與引導扮演著重要的角色，因此在學生提出可探究的問題及猜想后，教師就應先帶領(lǐng)學生一起設計實驗，使其大腦中形成理想的實驗設計模板及規(guī)范的科學探究流程.從而為后續(xù)自組織階段學生探究實驗的開展做好充足的準備.

比如，教師可以探究浮力與物體浸入液體體積大小是否有關(guān)為例，帶領(lǐng)學生一起尋找實驗中的控制量、自變量與因變量.在此，為直觀而清晰地理清實驗中的各種變量，可以采用填寫表格（如表2所示）的形式.

隨后，教師引導學生設法對這些變量進行控制.譬如，用同一物體做實驗可以保證物體的體積、密度一樣，將物體浸入水中能夠確保液體密度相同，然而怎樣才能使物體浸入深度相同，浸入體積不同呢？可謂本實驗設計的難點，這就需要選擇特定的物體作為實驗對象，這里我們使用的是長方體物塊，將長方體三個不同側(cè)面依次浸入水中，以某一浸入深度為準，在其他側(cè)面做出相應的標記.

在此，教師要演示實驗操作，并帶領(lǐng)學生設計實驗表格，敘述實驗步驟，記錄實驗數(shù)據(jù).值得強調(diào)的是，教師一定要注意操作的規(guī)范性，并用語言強調(diào)諸如“不要使物體接觸杯底或杯壁”等操作事項，從而幫助學生大腦中形成直觀的表象，為后面自行實驗奠定良好的基礎(chǔ).最終通過學生對數(shù)據(jù)的分析歸納，得出“浮力大小與物體浸入液體體積有關(guān)，物體浸在液體中的體積越大，浮力越大”的結(jié)論.

接下來的教學過程將進入由被組織向自組織轉(zhuǎn)變的過程，屆時教師要將其他因素的探究“放權(quán)”于學生.鑒于課堂時間有限，其余四個猜想因素的驗證不可能由一組設計完成，因此將任務進行分配，每組研究一個因素.在這期間教師由教學設計者瞬間變身為課程設計者，悉心為學生安排相應的實驗儀器，如在探究浮力大小與液體密度關(guān)系實驗中，提供密度較大的硫酸銅溶液和密度較小的酒精溶液；在探究浮力大小與物體密度關(guān)系實驗中，給學生準備了體積相同的銅塊和鐵塊等.

由此，各組學生從實驗設計到數(shù)據(jù)收集，再到分析論證，一以貫之.最后各組選派一名代表匯報實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果，進而匯總得到實驗結(jié)論——浮力大小與物體自身體積、密度及浸入液體深度無關(guān)，而與液體密度和物體浸入液體體積有關(guān).為以后的阿基米德原理的得出做好鋪墊

3 思考與啟示

3.1 學生親身體驗，糾正錯誤概念endprint

物理概念是物理學的基礎(chǔ)和核心，而錯誤的前概念則可謂物理概念學習的絆腳石，如果不能進行有效的概念轉(zhuǎn)變，物理概念的學習便會退化為死記硬背的機械學習，使學生喪失學習興趣.然而錯誤前概念的轉(zhuǎn)變，不能采用說教式地強行灌輸，而應設法巧妙地融入到整個教學過程之中.因而我們立足學生本位觀，以學生大腦中固有的前概念作為教學流程設計的出發(fā)點，使學生親歷知識的形成過程.當學生在實驗探究中發(fā)現(xiàn)，客觀事實與自己的相異構(gòu)想產(chǎn)生了沖突，就會暴露出其錯誤的前概念，造成認知結(jié)構(gòu)的失衡，從而使之正確看待自己原有的生活經(jīng)驗，進行對比性反思，最終促成原有知識結(jié)構(gòu)的順應，用科學概念替換原有的錯誤概念，實現(xiàn)錯誤前概念的有效轉(zhuǎn)變.

3.2 教師以身作則，學生模仿操作

科學探究屬于一種特殊的技能，既涉及操作層面，又涉及心智層面，其掌握對于初中學生而言有著不小的困難.因此教師的示范作用與學生的主觀能動要配合得當，才能取得預想的效果.如何處理好這二者的辯證關(guān)系，既發(fā)揮教師在課堂上的主導地位，又能夠體現(xiàn)學生在課堂中的主體意識呢？在此，我們以教學過程的自組織轉(zhuǎn)變理論為理論依托，將本節(jié)課劃分成被組織過程與自組織過程兩個階段，在被組織階段，教師從教學論角度，充分發(fā)揮其示范作用，而在自組織階段，教師從課程論角度為學生籌備實驗器材，為其提供學以致用的機會，從而促使學生大腦中“生成“科學探究的操作程序，使學生在今后的探究中無需搜腸刮肚，便能迅速找到研究問題的有效途徑.

3.3 使用具體事物，克服想象困難

大量一線教學經(jīng)驗表明，很多學生對于物體浸入液體體積（V排）的理解都不盡如人意，而更傾向于物體浸入液體體積（V浸）的理解.這是因為物體排開液體體積不如物體浸入液體體積直觀，需要借助想象思維才能充分理解.所謂想象思維是指根據(jù)現(xiàn)有知識和事實，發(fā)揮高度的抽象和聯(lián)想能力，超脫現(xiàn)實，設想未知的變化過程[3]，是形式運算階段所應具有的思維能力.而初中生大都處于具體運算水平，想象力較弱，對外界事物的理解難以具體事物的支持.因此，在因素猜想中選用了具體而易觀察的物體浸入體積，并在后續(xù)教學中，鑒于“V浸易于觀察，難于測量；V排不易觀察，易于測量，難于理解”的研究結(jié)論[4]，再借助體積守恒的思想，用“排水法”完成由V浸到V排的合理過渡.

參考文獻：

[1][4] 石堯.蠡測阿基米德原理教學的邏輯[J].課程教學研究，2016（10）：63～66.

[2] 邢紅軍.自組織表征理論：一種物理問題解決的新理論[J].課程·教材·教法，2009，29（4）：60～64.

[3] 邢紅軍. 中小學思維教學的深化研究[J].課程·教材·教法，2016，36（7）：33～39.endprint