基于問題解決的初中物理深度學(xué)習(xí)的思考與實(shí)踐——以“物質(zhì)的密度”為例

顧 健 陸建隆

(1. 西安交通大學(xué)蘇州附屬初級中學(xué),江蘇 蘇州 215021; 2. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

所謂深度學(xué)習(xí),是指在教師引領(lǐng)下,學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程.深度學(xué)習(xí)具有3個(gè)基本特征:注重批判性思維的運(yùn)用;強(qiáng)調(diào)知識的遷移應(yīng)用;面向問題解決．因此問題解決是深度學(xué)習(xí)的一個(gè)重要落腳點(diǎn)．

本文基于問題解決的視角,以蘇科版8年級物理“物質(zhì)的密度”為例,參考教材內(nèi)容的編排,探討初中物理深度學(xué)習(xí)的教學(xué)實(shí)施,提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)．

根據(jù)問題解決的一般過程,立足物理課程標(biāo)準(zhǔn)與教材,結(jié)合深度學(xué)習(xí)的特征,整合信息技術(shù)融入物理教學(xué),精心編排“物質(zhì)的密度”的教學(xué)設(shè)計(jì),培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力．義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中對密度內(nèi)容的要求是“通過實(shí)驗(yàn),理解密度．會(huì)測量固體和液體的密度．解釋生活中一些與密度有關(guān)的生活現(xiàn)象”．本節(jié)內(nèi)容主要完成通過實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生建構(gòu)密度的概念,并能解釋生活中一些現(xiàn)象．筆者以4次辨別區(qū)分物質(zhì)的問題情境貫穿課堂,基于學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)辨別區(qū)分銅塊和木塊,暴露學(xué)生的錯(cuò)誤生活經(jīng)驗(yàn),啟動(dòng)課堂教學(xué);再次計(jì)算密度值辨別銅塊,形成鑒別物質(zhì)的一種常規(guī)方法,初步認(rèn)識密度概念;第三次通過區(qū)分多個(gè)物體的組成成分,培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維,強(qiáng)化科學(xué)方法的應(yīng)用,反思密度概念的建構(gòu)過程;最后結(jié)合圖像及密度值判斷未知物體的物質(zhì)種類,辨證看待利用密度辨別物質(zhì)種類的方法,充分認(rèn)識密度的本質(zhì)特征．

1 引入問題情境,啟動(dòng)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

創(chuàng)設(shè)學(xué)生熟悉的生活情境,聯(lián)系實(shí)際,提升問題解決能力．社會(huì)和全球化的情境,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)社會(huì)的變革與進(jìn)步,拓寬學(xué)生的視野．教材中設(shè)計(jì)“區(qū)分表面被涂成相同顏色的鐵塊和塑料塊”的情境,貼近生活實(shí)際,引起學(xué)生情感上的共鳴．通過教材的“二次開發(fā)”,搭建支架式的情境,剖析學(xué)生已有的密度的錯(cuò)誤前概念．

圖1 等體積的小木塊和小銅塊

情境1:體積相等的小木塊和小銅塊各1個(gè),請學(xué)生加以區(qū)分;情境2:體積相等的包裹的1號小木塊和2號小銅塊(如圖1),請學(xué)生再次區(qū)分;情境3:請一名學(xué)生戴上眼罩,兩手各托一托盤,分別放入一體積很大的木塊(如圖2)和剛才的小銅塊(木塊質(zhì)量遠(yuǎn)大于鐵塊),讓該學(xué)生區(qū)分．

圖2 大木塊

情境1中學(xué)生通過木塊和銅塊的顏色不同的物理屬性來辨別,從表層區(qū)分不同的物質(zhì)．情境2中的物體的顏色未知,學(xué)生根據(jù)物體的質(zhì)量的大小來判斷銅塊和木塊,顯化學(xué)生已有的錯(cuò)誤前概念,忽視物體的體積的因素,僅憑物體的質(zhì)量來區(qū)分．進(jìn)而創(chuàng)設(shè)情境3,直觀的游戲情境引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)錯(cuò)誤前概念引起的巨大反差,由于木塊的質(zhì)量很大學(xué)生單手難以托起,深刻體會(huì)到“質(zhì)量大的是銅塊,質(zhì)量小的是木塊”是錯(cuò)誤的,區(qū)分物質(zhì)時(shí)既要看物體的質(zhì)量,也要看體積．

2 分析問題表征,設(shè)計(jì)問題解決方案

教材中設(shè)計(jì)“探究質(zhì)量與體積的關(guān)系”,尋找物體的質(zhì)量與體積之間的關(guān)系．針對教材文本的理解,筆者認(rèn)為研究主題分為探究同種物質(zhì)的不同物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系或者探究不同物質(zhì)的不同物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系．根據(jù)控制變量法的內(nèi)涵,實(shí)驗(yàn)過程中改變物體體積不同,測量物體的質(zhì)量,尋找兩者存在的關(guān)系,從而研究對象應(yīng)選擇同種物質(zhì)構(gòu)成的不同物體．筆者提供體積不等的長方體鐵、鋁、木各3個(gè),不選擇液體是因?yàn)閷W(xué)生尚未學(xué)習(xí)使用量筒測量液體的體積,容易造成額外的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān),組織學(xué)生進(jìn)行小組合作實(shí)驗(yàn)．

情境:如圖3所示,已知一枚硬幣的體積為V,質(zhì)量為m,依次得出2枚、4枚、n枚硬幣的體積和質(zhì)量．學(xué)生感性認(rèn)識成倍增加的硬幣的質(zhì)量與體積,進(jìn)行合理猜想．

圖3 硬幣的質(zhì)量與體積

實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)計(jì)系列問題驅(qū)動(dòng)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),問題1:需要直接測量哪幾個(gè)物理量?問題2:用什么儀器來測量?問題3:測量中需要記錄哪些數(shù)據(jù)?(表格設(shè)計(jì))問題4:回顧提出的猜想:同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積可能成正比．如何處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),尋找物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系呢?聯(lián)系數(shù)學(xué)中學(xué)生已學(xué)的正比例函數(shù),使用比值法處理數(shù)據(jù),完善表格設(shè)計(jì)．應(yīng)用EXCEL采集學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),求得質(zhì)量與體積的比值,分析單個(gè)表格的數(shù)據(jù)得到同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積成正比的結(jié)論．引導(dǎo)學(xué)生綜合比較鐵、鋁和木的數(shù)據(jù)表格,得到不同物質(zhì)的質(zhì)量與體積一般不同的結(jié)論,反映不同物質(zhì)的物理屬性,建構(gòu)密度概念,理解其內(nèi)涵與外延．學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究,閱讀教材自主建構(gòu)密度的概念,理解密度的定義、公式和單位．筆者測量2號小銅塊的質(zhì)量和體積編制例題,要求學(xué)生計(jì)算2號物體的密度為8.9 g/cm3,并查閱課本密度表,確定構(gòu)成該物體的物質(zhì),揭開2號物體的外殼加以驗(yàn)證．密度表中銅的密度是8.9×103kg/m3,發(fā)現(xiàn)單位之間是可以相互轉(zhuǎn)換的．根據(jù)密度表篩選信息,基于數(shù)據(jù)的解釋,第二次辨別區(qū)分物質(zhì),培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識,形成鑒別物質(zhì)種類的方法,強(qiáng)化密度概念的認(rèn)識．

3 整合學(xué)生知識,實(shí)現(xiàn)思維深度加工

教材選擇比值法處理數(shù)據(jù),沒有選擇圖像法,筆者認(rèn)為是通過3組質(zhì)量與體積的數(shù)據(jù)描點(diǎn)作圖,難以尋找物理量之間的關(guān)系．若超過3組物體,需要較長的實(shí)驗(yàn)時(shí)間,而本節(jié)課的重點(diǎn)是建構(gòu)密度的概念,使用天平測量物體的質(zhì)量,在前面內(nèi)容中已完成教學(xué)要求．但是教材的課后習(xí)題中要求學(xué)生利用圖像法畫出蠟塊和干松木的質(zhì)量隨體積變化的圖像,分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論．

通過對教材的認(rèn)識,筆者設(shè)計(jì)利用圖像法拓展學(xué)生對密度知識的應(yīng)用,創(chuàng)設(shè)第3次區(qū)分物質(zhì)的情境．選取學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的鐵、鋁和木各3個(gè),將其包裹后編號1-9,提問如何區(qū)分出該9個(gè)物體?學(xué)生提出相同體積的物體,比較它們的質(zhì)量加以區(qū)分;還有提出計(jì)算9個(gè)物體的密度等．由于同種物質(zhì)的質(zhì)量與體積的關(guān)系已探究得出結(jié)論,使用EXCEL對9個(gè)物體,以體積為橫坐標(biāo)、質(zhì)量為縱坐標(biāo),模擬描點(diǎn)作圖,呈現(xiàn)圖像法在物理問題解決過程中的應(yīng)用,如圖4．融合信息化技術(shù)手段,使用取消隱藏的功能,將各個(gè)點(diǎn)逐個(gè)顯示,動(dòng)態(tài)展示作圖過程．借助圖像,依次呈現(xiàn)4個(gè)臺階式問題,滿足不同層次的學(xué)生的認(rèn)知需求．問題1:請將這9個(gè)物體進(jìn)行歸類,并說明分類依據(jù);問題2:請判斷圖像中3種物質(zhì)的密度大小關(guān)系;問題3:查閱密度表,確定物質(zhì)的種類,引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識密度是物質(zhì)的一種物理屬性．

圖4 9個(gè)物體的質(zhì)量與體積的關(guān)系

學(xué)生通過圖像,獲取相關(guān)信息,顯示圖5,作出物體X的質(zhì)量與體積的關(guān)系,設(shè)計(jì)問題4:根據(jù)鐵、鋁、木的密度值,請判斷物體X的密度范圍．將隱藏的物體X的質(zhì)量與體積的數(shù)值顯示,判斷結(jié)果的正確性,判斷物體X可能是有什么物質(zhì)組成的,發(fā)現(xiàn)既可能是煤油,也可能是酒精．通過問題解決的過程,深度理解密度概念的本質(zhì),提升高階思維能力,培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)地解釋數(shù)據(jù)與證據(jù)的能力．

圖5 物體X的質(zhì)量與體積的關(guān)系

4 合理遷移應(yīng)用,評價(jià)深度學(xué)習(xí)效果

學(xué)生在遷移與應(yīng)用知識的過程中,將所學(xué)知識轉(zhuǎn)化解決問題的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識．密度表是反映物質(zhì)的物理屬性的工具,能夠科學(xué)地解釋生活中的一系列現(xiàn)象,同種物質(zhì)的不同狀態(tài)的物體的密度不同,如冰和水,解釋冬天工作人員將水管包裹避免破裂的現(xiàn)象,使得學(xué)習(xí)活動(dòng)不是封閉的環(huán)節(jié),而是走向生活社會(huì),展現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果．

在課后評價(jià)學(xué)習(xí)反饋時(shí),取出班級學(xué)生在運(yùn)動(dòng)會(huì)上取得的“金牌”,要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案辨別“金牌”的材質(zhì),評估實(shí)驗(yàn)方案的可行性,為后面學(xué)習(xí)測量固體和液體的密度奠定基礎(chǔ)．“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代的教育時(shí)代,為學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)帶來了便利,掃一掃二維碼,觀察微視頻“雞尾酒”的調(diào)制,出現(xiàn)如圖6的現(xiàn)象,解釋其中的物理原理,嘗試調(diào)制簡易的雞尾酒,提升科學(xué)地解釋現(xiàn)象的能力．

圖6 雞尾酒