基于物理核心素養(yǎng)的概念課教學設計研究*──以“浮力”教學為例

李安發(fā)

(廣州市花都區(qū)秀雅學校 廣東 廣州 510800)

物理核心素養(yǎng)是指學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關鍵能力和必備品格，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質．物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與社會責任”4個要素構成．發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng)是當前物理課程改革的新議題，促進學生物理核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展已成為物理課程的核心目標，如何在物理教學實踐中落實物理核心素養(yǎng)已成為物理教學研究的熱點問題．

課堂教學向來是培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)的主戰(zhàn)場，一線教師歷來非常重視．本文以人教版初中《物理》第十章第1節(jié)“浮力”的教學設計為例，從確立教學目標、趣味導入新課、建構物理觀念、激活科學思維、深入科學探究、培養(yǎng)科學態(tài)度和責任等方面，探討如何在物理課堂教學中落實科學素養(yǎng)，促進學生科學品質的形成，提高學生的科學思維能力、科學探究能力和解決問題的能力．

1 分析內容 確立教學目標

1.1 教學內容分析

“浮力”是八年級物理中理解難度和教學難度相對較大的一節(jié)課，是對力、二力平衡、壓力、液體壓強等知識的綜合應用．通過學習，學生要了解浮力的概念、浮力的方向、浮力的測量方法、浮力產(chǎn)生的原因及影響浮力大小的因素．本節(jié)課運用了多種獲得知識的方式，包括觀察了解、實驗體驗、理論推導，都是初中物理中經(jīng)常使用的學習方式，綜合應用可以培養(yǎng)學生的科學思維．

探究浮力產(chǎn)生的原因是本節(jié)的難點，教學時用自制的“浮力產(chǎn)生原因演示器”演示同一物體在水中受到水對它向上和向下的壓力不同，從而得出浮力產(chǎn)生的原因．探究“影響浮力大小的因素”是本節(jié)課的重點．通過學生自主探究，培養(yǎng)學生實驗設計、實驗操作、歸納總結、表述交流等能力．

1.2 學生學情分析

八年級的學生盡管對物理很好奇，但對現(xiàn)象的認識很多是感性認識，要把有關浮力的認識從感性提高到理性，要綜合運用各方面的知識，并通過實驗、理論分析和推理判斷歸納獲得新知識，對初二的學生來說還是較難的．而且學生從日常生活中產(chǎn)生的感性認識有許多是片面的甚至是錯誤的，例如許多學生認為下沉的物體不受浮力作用，還有學生認為上浮的物體受的浮力大，下沉的物體受的浮力小等等．教學中要轉化這些前概念，建構正確的浮力觀念．

1.3 確立教學目標

物理觀念：知道什么是浮力,了解浮力產(chǎn)生的原因；知道浮力的方向是豎直向上的；會用彈簧測力計測物體在液體中所受的浮力；知道浮力大小與哪些因素有關．

科學思維：能確定并證明浮力的方向；能邏輯清晰地講述浮力產(chǎn)生的原因；能推導出用稱重法測浮力的公式．

科學探究：讓學生經(jīng)歷實驗探究的過程，體驗用控制變量法進行科學探究；用實驗探究浮力的方向及浮力產(chǎn)生的原因；用實驗探究影響浮力大小的因素．

科學態(tài)度與責任：經(jīng)歷觀察、實驗以及探究等學習活動培養(yǎng)學生尊重客觀事實、實事求是的科學態(tài)度；同時培養(yǎng)學生對參與物理學習的興趣，提高學習的自信心；培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)和探索生活中物理現(xiàn)象的興趣；用飲料瓶自制學具，培養(yǎng)學生的動手能力和環(huán)保節(jié)約意識．

2 趣味導入 激發(fā)學習興趣

《物理課程標準》明確指出，“義務教育階段的物理應激發(fā)并保持學生的學習興趣”“要使學生保持對自然界的好奇，發(fā)展對科學探索的興趣”． 在新課開始的階段，一定要有一個引入新課的過程，而新課的引入必須能吸引學生的注意力，激發(fā)學生的學習興趣．

本節(jié)課上課伊始，筆者首先展示了一張人躺在死海上悠閑地看報紙的圖片，如圖1所示．問學生：這人沒有游泳，為什么沒有掉入水中？學生說，是由于受到浮力的作用．那為什么在普通池水中的人做不到呢？我們這節(jié)課就來探究浮力的奧秘．然后，拿出一大一小兩個羊角球，小球的直徑和一個常規(guī)籃球差不多，大球的直徑是小球的2倍，如圖2所示．叫一位學生，先后把這兩個羊角球壓入水中．小球被他輕而易舉地壓入并浸沒在水中了，而大球他卻用了九牛二虎之力仍然不能全部壓入水中．這個實驗，引起了大家極大的興趣，有很多自認為大力士的學生紛紛上來要試一試大球，結果都鎩羽而歸．這兩個展示和實驗，不但引起了學生極大的興趣，為浮力的學習留下了懸念，也為接下來猜想影響浮力大小的因素做了鋪墊．

圖1 人自由地躺在死海上漂浮

圖2 一大一小的羊角球

3 創(chuàng)設情境 建構物理觀念

關于教學情境，德國一位學者有過一句精辟的比喻：將15 g鹽放在你的面前，無論如何你難以下咽．但如果將15 g鹽放入一碗美味可口的湯中，你早就在享用佳肴時，將15 g鹽全部吸收了．情境之于知識，猶如湯之于鹽．鹽需要溶入湯中，才能被吸收；知識需要溶入情境中，才容易被理解和掌握．

物理觀念的建構，同樣離不開情境的創(chuàng)設．為了建構浮力的概念，筆者先播放了我國首艘國產(chǎn)航空母艦山東號的視頻，相當于一棟20層的高樓的航空母艦能安穩(wěn)地浮在海面上，場面相當震撼．學生可以感受到浮力的巨大力量．然后，再讓他們說說生活中哪些地方還體現(xiàn)了浮力．有人說浮在水上的鴨子，有人說江面上的竹筏，有人說江上的輪船，有人說浮在水面的湯圓，有人說水上樂園浮在水上的大球，還有人說廣場上放飛的氫氣球、飛艇、熱氣球等等．由這些豐富的情境，我們可以總結出浮力的概念：浸在液體或氣體中的物體受到的向上托的力就叫浮力．

4 問題導向 激活科學思維

著名物理學家勞厄說過：“對學習而言，重要的不是獲得知識，而是發(fā)展思維能力．教育無非是將一切已學過的東西都遺忘時所剩下來的東西．”對物理教學來說，這種剩下來的東西就是科學的思維方式、科學的探究方法、科學態(tài)度與價值取向等．科學思維是一種隱含在科學知識和科學探究過程中的東西，這種隱性的東西恰恰是物理核心素養(yǎng)的重要體現(xiàn)．科學思維能力是衡量物理核心素養(yǎng)的重要標志．物理教學中，教師要設置合理的問題情境，為學生的思維發(fā)展搭建平臺，讓學生在獲取知識的同時獲得思維與能力的訓練．本節(jié)課，筆者多次設置問題情境，從以下幾方面培養(yǎng)學生的科學思維．

4.1 建構模型

物理學家費曼有句名言：“你能認出真理，因為它既美又簡單．”模型思維法就是對研究對象加以合理的簡化，突出主要因素忽略次要因素，從而解決問題的方法．

在學習浮力時，筆者提出問題：“浮力是怎么產(chǎn)生的？”為了幫學生搭建思維的腳手架，筆者制作了浮力產(chǎn)生原理的演示模型．在一個圓筒的兩端各蒙上一個橡皮膜．當圓筒水平放入水中時，如圖3所示，橡皮膜的凹陷程度相同，但凹陷方向相反，左側的向右，右側的向左．說明同一深度物體左右兩邊受到液體的壓力大小相等，方向相反．而當圓筒豎直放時，如圖4所示，下面橡皮膜的凹陷程度明顯大于上面橡皮膜的凹陷程度，而且凹陷方向相反．這說明圓筒下表面受到的液體壓力大于上表面受到的液體壓力，上表面受的液體壓力向下，下表面受的液體壓力向上．于是，我們把物體的受力示意圖畫出來，如圖5所示．這幾個模型，很形象地把浮力產(chǎn)生的原因展示出來了：液體在物體兩側對物體的壓力相互抵消了，而物體上下表面受到的液體壓力卻不相等，有一個壓力差，浮力就是物體上下表面受到的液體的壓力差，即F浮=F向上-F向下．

圖3 水平放的圓筒

圖4 豎直放的圓筒

圖5 浮力產(chǎn)生的原理圖

4.2 科學推理

科學推理能力是科學思維的重要組成部分．學生需要把物理公式的來龍去脈推導出來，才能真正理解公式的內涵，才不至于靠死記硬背學物理．例如，為了給“探究影響浮力大小的因素”做準備，筆者提問：“我們應該怎樣來測量浮力大小呢？”先讓學生用繩子系一個小石塊，手提細繩將物體浸沒在水中，讓學生分析石塊的受力情況，并畫出石塊的受力示意圖，如圖6所示．根據(jù)物體受力平衡可知，在豎直方向上，向上的力大小之和等于向下的力，即F浮+F拉=G，變形可得F浮=G-F拉，這就是測浮力的公式．

圖6 用稱重法測浮力的受力分析

4.3 科學論證

科學論證是促進學生概念理解和概念轉變的必由之路．學生在物理學習過程中，新的概念會與原有經(jīng)驗發(fā)生沖突，學生要經(jīng)歷澄清認識、理清思路、修正認識等一系列的認知過程方可將新概念納入其知識體系．在這個過程中，學生可以打破錯誤的前概念，重新建構科學的物理概念．

在研究浮力的方向時，筆者提問：“浮力的方向是豎直向上的還是斜向上的？”接下來用細繩分別系住一個乒乓球和一個小鐵球．如圖7所示讓兩個球靜止在水中，結果從正面看兩根繩子重合(側面看兩繩子平行)．然后將水缸傾斜，從正面看兩根繩子依然重合(側面看依然平行)，如圖8所示．由此可見，浮力和重力的方向在同一直線上，而重力永遠是豎直向下的，所以浮力方向永遠是豎直向上的．

圖7 水缸水平放時的浮力方向

圖8 水缸傾斜時的浮力方向

為了讓學生對浮力有全面的認識，筆者提問：“下沉的物體受不受浮力？”馬上叫學生思考．有的說下沉的物體不受浮力，因為浮力是向上的；有的說下沉的物體也受浮力，因為他去游泳時越往深處走，感覺身體越輕．為了探究這個問題，筆者讓學生用橡皮筋系住一個小石塊，然后測量一下放入水中前和放入水中后橡皮筋的長度，結果放入水中后，橡皮筋變短了．這樣學生就都知道了，原來下沉的物體也會受到浮力．

5 自主實驗 深入科學探究

學生學習物理，不是靠老師教會的，而是通過他們自身的認知活動學會的．有效的物理教學，是指教師能夠激起學生的探究欲望，并能促使他們運用已有知識，通過實驗、分析、推理，去主動建構新知識．在物理教學設計中，教師應注重科學探究，這對培養(yǎng)學生的探究能力和科學態(tài)度有重要意義． 本節(jié)課，學生的探究實驗按以下步驟進行．

5.1 問題與猜想

提出問題：影響浮力大小的因素有哪些呢？先讓學生回顧引入新課時在死海上看報紙的圖片和按羊角球的實驗，說說自己的猜想．為了讓大家對按壓物體進入水中有直接體驗，每組學生都用飲料罐做了如圖9所示的實驗．猜想階段，有學生猜想浮力與液體密度有關，因為死海含鹽量高，海水密度大，所以浮力大；有的說飲料罐越往下壓阻力越大，所以猜想浮力與深度有關；還有說越往下按，排出的水越多，猜想浮力與排開液體的體積有關；有的說與物體密度有關，與物體體積有關，還有的說與物體的輕重有關等等．

圖9 浮力與排開液體體積的關系體驗

5.2 設計與探究

面對學生這么多的猜想，教師先肯定大家的積極思考，然后安排各小組分工，有的探究浮力與液體密度的關系，有的探究與排開液體體積的關系，有的探究與物體輕重的關系，有的探究與物體密度的關系，還有探究與深度的關系．為了應對學生可能有的猜想，教師事先要準備齊全足夠的實驗器材供學生探究．同時提醒學生，做實驗時，要用控制變量法進行探究，用稱重法測量浮力大小．

5.3 結論與交流

實驗結束后，要安排學生上臺展示自己組的實驗過程和實驗結論．展示浮力與液體密度及排開液體體積關系的小組獲得了大家的一致認同，展示浮力是否與物體輕重有關的小組的結論卻遭到了其他小組的反對．第一個小組認為浮力與物體重力有關，第二個小組卻認為浮力與物體重力無關．大家一起分析原因，原來是第一小組沒有控制物體的體積相同，導致結論錯誤．在研究浮力與深度的關系的小組之間也出現(xiàn)了不同的意見，有的說浮力與深度有關，有的說浮力與深度無關．為了解開大家的疑惑，教師在講臺上演示了這個實驗，通過投影，展示給大家，如圖10所示．往杯中逐漸加水，先讓大家觀察物體浸沒前彈簧測力計的示數(shù)變化，再觀察物體浸沒后彈簧測力計的示數(shù)．雖然深度一直在增大，但浸沒前示數(shù)變小，說明浮力逐漸增大，浸沒后，示數(shù)不變，說明浮力不變了．再讓學生思考這其中的原因．很快有學生發(fā)現(xiàn)，浸沒前，深度越深，排開液體的體積越大，所以浮力越大，浸沒后深度增加，排開液體的體積卻不變，所以浮力不變，歸根結底，是排開液體的體積在影響浮力的大小．

圖10 浮力與深度關系的探究

6 學以致用 培養(yǎng)科學態(tài)度和責任

在核心素養(yǎng)4個要素中，科學態(tài)度和責任是必備品格，但也恰好是我們教學中最容易忽視的環(huán)節(jié)．在教學活動中，我們要不失時機地滲透科學本質、科學態(tài)度和社會責任的教育．要讓學生形成學習和研究物理的好奇心與求知欲；主動與他人合作，實事求是，不迷信權威，能基于證據(jù)和推理發(fā)表自己的見解；理解科學、技術、社會和環(huán)境的關系，熱愛自然，具有保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)展的責任感．

例如，在學習了浮力產(chǎn)生的原因后，筆者給學生變了個魔術，先把一個木塊放入水中，木塊漂浮在水面．然后拿出一個有魔法的玻璃箱，先把木塊放在箱底，用手先壓著木塊，然后往里面加水，等水浸沒木塊后，松開手，木塊卻并沒有浮上來，而是穩(wěn)穩(wěn)地停在水底，如圖11所示．再讓學生往大箱里加水，當大箱的水位升高到一定水位時，木塊很快就浮上來了．學生都覺得很新奇．筆者讓學生思考其中的原理，為魔術揭密．思考后，有很多學生踴躍舉手．原來，這個魔術箱由大小兩個玻璃箱組成．小的放在大的里面，小箱底部鉆了一個和木塊底面積差不多大的孔，往小箱加水時，木塊底部并未受到水向上的壓力，所以并沒有產(chǎn)生浮力．當往大箱里加水后，木塊底部也受到了水的壓力，于是就產(chǎn)生了浮力．學生學以致用，能為魔術揭密，都有滿滿的成就感，對物理學習的興趣更濃了．

圖11 魔術：浮與不浮都聽話的木塊

在展示浮力的應用時，筆者播放了我國第一艘國產(chǎn)航空母艦山東艦的宣傳視頻，如圖12所示．山東艦雄偉壯觀的氣勢把學生深深地吸引住了，他們?yōu)樽鎳鴱姶蟮目萍己蛙娛聦嵙Ω械阶院溃谡劯邢霑r，學生表示，要努力學習科學知識，將來為祖國的繁榮昌盛做出自己的貢獻．

圖12 我國第一艘國產(chǎn)航母山東艦

7 結束語

物理學科核心素養(yǎng)的培育是物理教學的終極目標，讓學生通過物理學習形成必備的品格和關鍵能力是每一位物理教師的責任和使命．我們要不斷研究物理教學內容，深入挖掘其中的育人價值，能夠圍繞核心素養(yǎng)制定出每一節(jié)課的教學目標和教學設計方案，這樣才能實現(xiàn)物理教學從注重學科知識本位向關注學生核心素養(yǎng)發(fā)展的有效轉變．