大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)①
——以“制作更聽話的浮沉子”為例

陳菊清 湯金波

(1. 北京亦莊實(shí)驗(yàn)中學(xué)，北京 100176； 2. 南京師范大學(xué)附屬中學(xué)樹人學(xué)校，江蘇 南京 210036)

錢學(xué)森之問拷問著每一位教師：“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生刷題花費(fèi)了太多的時(shí)間和精力，而且在很多時(shí)候是被動(dòng)的、不過腦子的，形成一種“熟練度錯(cuò)覺”，實(shí)際上并沒有真正理解。習(xí)近平總書記在全國教育大會(huì)上強(qiáng)調(diào)：“要在增強(qiáng)綜合素質(zhì)上下功夫，教育引導(dǎo)學(xué)生培養(yǎng)綜合能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維?！贝蟾拍钜I(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚯袑?shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵

1.1 大概念

大概念是聯(lián)結(jié)各種小概念的“概念”，是指有組織、有結(jié)構(gòu)的科學(xué)知識(shí)和模型，能將分散的知識(shí)和技能整合起來，可以對(duì)較大范圍內(nèi)的一系列相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行解釋和預(yù)測(cè)，大概念包括學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念。[1]

1.2 學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

自主即自己做主，創(chuàng)新即拋開舊的、創(chuàng)造新的。學(xué)生自主進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，學(xué)生是主體，自主是常態(tài)，創(chuàng)新是靈魂，實(shí)驗(yàn)是載體。[2]

1.3 大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)

圍繞大概念，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題與分析問題，自主設(shè)計(jì)和動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，去解決實(shí)際問題，這就是大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，它具有以下特性：(1) 創(chuàng)造性。自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不是教材編制的實(shí)驗(yàn)，需要教師創(chuàng)造性地設(shè)置情境；(2) 趣味性。 自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、思考與行動(dòng)的熱情；(3) 挑戰(zhàn)性。 自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)需要學(xué)生持續(xù)不斷地探究才能完成；(4) 實(shí)效性。通過自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芙鉀Q實(shí)際問題。

2 大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)案例

“壓強(qiáng)與浮力”是初中物理的核心概念，通過壓力聯(lián)結(jié)成概念體系，壓強(qiáng)是表示壓力作用效果的物理量，包括固體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)，浮力是液體或氣體對(duì)浸在其中的物體施加的壓力的合力。在“壓強(qiáng)與浮力”的教學(xué)中，教師要把設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)目標(biāo)、任務(wù)、計(jì)劃、工具和資源包提前發(fā)給學(xué)生，并進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。教師首先展示已經(jīng)制作好的容易下沉和上浮的浮沉子，學(xué)生會(huì)提出問題：浮沉子為什么能下沉和上?。吭僬故疽粋€(gè)不容易下沉的浮沉子，引導(dǎo)學(xué)生提出問題：怎樣制作出更“聽話”的浮沉子？幫助學(xué)生明確“壓強(qiáng)與浮力”大概念學(xué)習(xí)的核心任務(wù)，完成相應(yīng)的學(xué)習(xí)規(guī)劃。

學(xué)生為了完成核心任務(wù)，需在不同課時(shí)逐步完成“探究影響壓力作用效果的因素”等8個(gè)相關(guān)的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。學(xué)生通過自主探究，構(gòu)建相應(yīng)的物理概念，進(jìn)而聯(lián)結(jié)成概念體系。結(jié)構(gòu)化的大概念，有利于學(xué)生進(jìn)行存貯和提取，有利于綜合運(yùn)用。為了運(yùn)用大概念來完成核心任務(wù)——制作出更“聽話”的浮沉子，需探究以下問題：怎樣制作和使用浮沉子？怎樣使浮沉子下沉？怎樣使作用在飲用水瓶上的壓力更小，撤去壓力后，浮沉子能夠上浮？

鼓勵(lì)學(xué)生猜想：影響浮沉子下沉所需最小壓力的因素有哪些？學(xué)生交流自己的猜想：影響因素有浮沉子的質(zhì)量、浮沉子內(nèi)空氣的體積、浮沉子的體積、浮沉子的放置方式、浮沉子的開口情況、飲用水瓶內(nèi)空氣的體積、壓力作用在飲用水瓶上的位置、飲用水瓶的容積、不同品牌的飲用水瓶……

每一個(gè)可探究的科學(xué)問題中都有因變量、自變量和不變量，在本實(shí)驗(yàn)中因變量是作用在飲用水瓶上的壓力，測(cè)量工具是推拉力計(jì)。教師引導(dǎo)學(xué)生討論：怎樣確定不變量？怎樣控制不變量？在實(shí)驗(yàn)1中，自變量為浮沉子的質(zhì)量，浮沉子的質(zhì)量需要改變，猜想到的其他量都需要保持不變。如何保持浮沉子內(nèi)空氣的體積不變呢？引導(dǎo)學(xué)生通過分析提出實(shí)驗(yàn)方案：需提前測(cè)出塑料瓶的質(zhì)量m、總?cè)莘eV和保險(xiǎn)絲的密度ρ，若瓶內(nèi)空氣的體積V0保持不變，取適量保險(xiǎn)絲，測(cè)出其質(zhì)量m1，求出保險(xiǎn)絲體積V1，再測(cè)出小塑料瓶中需加水的體積V2和質(zhì)量m2、浮沉子總質(zhì)量m總，只需改變保險(xiǎn)絲的質(zhì)量，就能保持浮沉子內(nèi)的空氣體積不變。

通過討論確定實(shí)驗(yàn)方案后，每一個(gè)小組至少領(lǐng)取兩個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)，全班同學(xué)配合完成全部實(shí)驗(yàn)，教師提供評(píng)價(jià)量規(guī)(表1)，幫助學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)。

表1

在準(zhǔn)備臺(tái)上擺出實(shí)驗(yàn)器材有：量程為0～200 N的推拉力計(jì)、最大秤量為500 g的電子天平、針筒上標(biāo)有刻度值的帶針頭的注射器、刻度尺、保險(xiǎn)絲、大小不同的小塑料瓶、燒杯、水、水槽、細(xì)線、各種飲用水瓶等。讓學(xué)生在課外活動(dòng)時(shí)間完成綜合性的自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，記錄和處理數(shù)據(jù)，撰寫報(bào)告。在學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)后，在班上進(jìn)行成果展示、交流。

讓學(xué)生像科學(xué)家那樣進(jìn)行真實(shí)問題的探究，在探究的過程中他們會(huì)發(fā)現(xiàn)新的問題，可以尋求教師幫助。在實(shí)驗(yàn)中，有學(xué)生發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：在浮沉子沉底后松手，浮沉子不能浮上來。但擰松飲用水瓶蓋時(shí)，浮沉子又會(huì)上浮，這是為什么呢？筆者讓他們提出猜想，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析討論。他們終于找到了原因：蓋上飲用水瓶的瓶蓋后，就把瓶內(nèi)外的空氣隔開了，在擰緊瓶蓋的過程中，瓶蓋不斷下移壓縮瓶內(nèi)空氣，使瓶內(nèi)空氣的壓強(qiáng)不斷增大。在擰松瓶蓋的過程中，瓶內(nèi)空氣的壓強(qiáng)就不斷地減小，浮沉子中的空氣就不斷膨脹，當(dāng)浮沉子所受浮力大于重力時(shí)，就上浮了。他們發(fā)現(xiàn)和解答這個(gè)問題后，特別興奮。

在實(shí)驗(yàn)中利用打火機(jī)和尖嘴鉗將浮沉子密閉，分別測(cè)出浮沉子粗端和尖端朝下時(shí)所需的最小壓力。學(xué)生觀察到與想象不一致的現(xiàn)象：密閉浮沉子粗端朝下時(shí)，使浮沉子下沉所需的最小壓力明顯要小些。這是為什么呢？筆者和學(xué)生一起討論，如果是由形狀引起的，細(xì)端朝下時(shí)，更接近流線形，所受阻力更小，應(yīng)該是更容易下沉。根據(jù)帕斯卡定律可知：當(dāng)壓力作用在飲用水瓶上時(shí)，浮沉子對(duì)應(yīng)部分因此而增加的壓強(qiáng)相等，增加的壓力相等，增加的壓力的合力為零。在浮力與重力大小相等時(shí)，浮沉子所受的合力為零，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不改變，可把浮沉子看作一點(diǎn)，在飲用水瓶內(nèi)水中的相對(duì)位置不變。浮沉子尖端和粗端的勁度系數(shù)不同，當(dāng)粗端朝下時(shí)，粗端更容易變形，會(huì)使浮沉子中的水面上升，而浮沉子的重心在飲用水瓶內(nèi)水中的相對(duì)位置保持不變，浮沉子要下移。當(dāng)尖端朝下時(shí)，尖端不容易變形，就不會(huì)出現(xiàn)粗端朝下時(shí)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。所以浮沉子粗端朝下時(shí)，使浮沉子下沉所需的最小壓力更小些。

學(xué)生通過交流、討論，總結(jié)出制作更“聽話”的浮沉子的方法：

(1) 用相同塑料瓶制成的浮沉子，質(zhì)量應(yīng)盡量大些，但必須保證浮沉子的平均密度小于水的密度，還需保證松手后，浮沉子能上浮，多次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)表明：浮沉子的平均密度在0.95 g/cm3左右比較合適。浮沉子內(nèi)空氣的體積應(yīng)盡量大些，所以加到浮沉子中的配重需選用密度較大的材料。

(2) 如果是制作開口的浮沉子，可以選用開口較大的小玻璃瓶、小塑料瓶來制作，或者用吸管等可彎折的管狀物來制作。

(3) 如果是制作密閉的浮沉子，可以使用小塑料瓶，粗端朝下時(shí)它更“聽話”。

(4) 需選用形狀規(guī)則、勁度系數(shù)合適、容積較小的飲用水瓶。

(5) 飲用水瓶內(nèi)空氣的體積應(yīng)盡量小，可以裝滿水。

(6) 壓力作用在飲用水瓶側(cè)壁上部的位置。

3 案例反思

教學(xué)實(shí)踐表明：解決較復(fù)雜的實(shí)際問題需要運(yùn)用大概念，本案例需要綜合運(yùn)用組成大概念體系中的壓力、壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)、阿基米德原理、物體的浮沉條件等，能幫助學(xué)生更好地理解各個(gè)概念之間的關(guān)聯(lián)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)大概念的深入理解，有利于大概念的遷移創(chuàng)新，大概念引領(lǐng)下的綜合性學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)芨玫靥岣邔W(xué)生的核心素養(yǎng)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 提高學(xué)習(xí)效能

實(shí)驗(yàn)看起來比刷題費(fèi)時(shí)，卻是一種高效能的學(xué)習(xí)方式。真實(shí)有趣的問題驅(qū)使學(xué)生綜合運(yùn)用大概念深入探究，各小組同學(xué)按照制訂的規(guī)則交流合作，眼、耳、口、手、腦多器官參與，能讓學(xué)生維持較長時(shí)間的興奮，加強(qiáng)神經(jīng)元突起之間的回路聯(lián)系，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，形成物理觀念，增強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生運(yùn)用大概念解決較復(fù)雜的實(shí)際問題，對(duì)大概念理解的深度是無法通過刷題達(dá)到的，所獲得的成就感是無法通過刷題體會(huì)到的，這種成就感能激發(fā)學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。

3.2 增強(qiáng)學(xué)生的合作交流能力

學(xué)生通過親身經(jīng)歷能體會(huì)到：在運(yùn)用大概念進(jìn)行探究的過程中，小組成員必須分工配合，齊心協(xié)力，才能更快、更好地完成任務(wù)。實(shí)驗(yàn)在課外完成，學(xué)生以實(shí)驗(yàn)小組為單位在課堂進(jìn)行展示交流。成員A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)匯報(bào)，成員B負(fù)責(zé)進(jìn)行操作展示，成員C進(jìn)行數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論展示，組長進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估和回答其他組同學(xué)的提問，回答問題時(shí)組內(nèi)其他同學(xué)可以補(bǔ)充。在交流中，提問和回答的環(huán)節(jié)最精彩，學(xué)生熱情最高。

3.3 促進(jìn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展

利用評(píng)價(jià)量規(guī)幫助學(xué)生進(jìn)行自我評(píng)價(jià)和反思，尊重學(xué)生的個(gè)性差異。基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可以選擇其中的簡(jiǎn)單問題進(jìn)行探究，可以尋求同學(xué)幫助。基礎(chǔ)扎實(shí)的學(xué)生可以進(jìn)行較復(fù)雜問題的探究，在探究過程中會(huì)不斷發(fā)現(xiàn)新的問題，促使他們深入思考和持續(xù)探究。

3.4 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度

通過對(duì)真實(shí)問題的綜合探究，有利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度。利用現(xiàn)代裝備和技術(shù)，快速獲取更精確的數(shù)據(jù)，便于得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)出乎意料的現(xiàn)象，能夠尊重事實(shí)，深入探究。

總之，大概念引領(lǐng)下的學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，能實(shí)現(xiàn)從以教為中心到以學(xué)為中心的變革，實(shí)現(xiàn)從做題到做事的轉(zhuǎn)變，提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。