微實(shí)驗(yàn)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

黃躍峰

【摘 要】 本文以“水的浮力”教學(xué)為例，借助微實(shí)驗(yàn)，結(jié)合教學(xué)進(jìn)階理論從“教材—學(xué)生—教師”出發(fā)，圍繞“學(xué)什么、怎么學(xué)、學(xué)到什么程度、怎么教、怎么測”5個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。教師通過提供素材、提出問題，讓學(xué)生設(shè)計(jì)或參與微實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論。

【關(guān)鍵詞】水的浮力 微實(shí)驗(yàn) 科學(xué)教學(xué) 教學(xué)進(jìn)階

現(xiàn)代教育學(xué)家波利亞指出，學(xué)習(xí)任何知識的最佳途徑都是自己發(fā)現(xiàn)、探索、研究，因?yàn)檫@種發(fā)現(xiàn)最深刻，也最容易把握內(nèi)在規(guī)律、性質(zhì)和聯(lián)系。在教學(xué)中，如何讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)、探索、研究，最基本的方法就是實(shí)驗(yàn)。教師在教學(xué)中通過選擇取材廣泛、步驟簡潔、時(shí)間短、綠色環(huán)保、學(xué)生主體體驗(yàn)性強(qiáng)的微實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生獲得認(rèn)知發(fā)展。筆者以“水的浮力”教學(xué)為例進(jìn)行說明。

一、學(xué)什么—教材分析

“水的浮力”是《科學(xué)》八年級上冊第一章第三節(jié)“水”主題下的綜合單元。從知識基礎(chǔ)看，在前期的課程中，學(xué)生學(xué)習(xí)了地球上的水和水的組成，了解了地球上水體的分布、水的循環(huán)，“水的浮力”是從另外一個(gè)視角來研究浮力問題，在教學(xué)內(nèi)容上起到承上啟下的作用。在本節(jié)課的教學(xué)中，教師從微實(shí)驗(yàn)入手，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。這樣的設(shè)計(jì)符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，可以讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感性到理性、從形象到抽象、從實(shí)踐到理論的進(jìn)階。

二、怎么學(xué)—學(xué)情分析及學(xué)法指導(dǎo)

1. 學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)

“浮”是學(xué)生熟悉的科學(xué)現(xiàn)象。對于為什么能“浮”及什么情況下有“浮力”，初中生受生活經(jīng)驗(yàn)負(fù)遷移和認(rèn)識片面性的影響，對浮力知識的了解還停留在表面，常常會認(rèn)為下沉的物體沒有受到浮力。因?yàn)榇嬖谡J(rèn)知沖突，學(xué)生有掌握浮力深層知識的渴望。

2. 學(xué)生的思維特點(diǎn)

初中生有強(qiáng)烈的求知欲和探索欲，思維結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)造性和批判性日益明顯，思維方式由形象思維向抽象思維過渡，表現(xiàn)為對新學(xué)習(xí)的科學(xué)事實(shí)有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)愿望，思維的主動(dòng)性、創(chuàng)造性、片面性、表面性并存，這是互動(dòng)的思維基礎(chǔ)。在概念建構(gòu)方面，教師需要借助實(shí)驗(yàn)等提供形象思維基礎(chǔ)，進(jìn)而發(fā)展運(yùn)用原理解決問題的具象思維與抽象思維。

3. 學(xué)生的身心特點(diǎn)

好動(dòng)與熱情是初中生科學(xué)知識學(xué)習(xí)的性格起點(diǎn)。學(xué)生對“浮”這種現(xiàn)象本身，有直覺的操作興趣；對“力”背后的因果關(guān)系，有抽象的認(rèn)識興趣。這可以引導(dǎo)學(xué)生把對科學(xué)現(xiàn)象的表層興趣轉(zhuǎn)化為對原理探究的持續(xù)興趣。

結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知、思維、身心特點(diǎn)，教師確定“自主、合作、探究”的學(xué)法指導(dǎo)，讓學(xué)生經(jīng)歷“問題—實(shí)驗(yàn)—結(jié)論—應(yīng)用”的過程。

三、學(xué)到什么程度—教學(xué)目標(biāo)的確定

筆者分以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)目標(biāo)的確定?？茖W(xué)觀念：感受浮力的存在，用測力計(jì)測出浮力的大小，知道影響浮力大小的因素，了解阿基米德原理；科學(xué)思維：能通過分析與綜合、歸納與演繹、實(shí)驗(yàn)與探究等基本思維方法，歸納浮力大小跟哪些因素有關(guān)，并概括出阿基米德原理，讓學(xué)生具有初步的思維創(chuàng)新能力；探究實(shí)踐：掌握觀察、實(shí)驗(yàn)、測量、推理、解釋等基本科學(xué)方法，形成科學(xué)探究的意識，具有初步的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)能力；態(tài)度責(zé)任：通過微實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與使用，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)探究態(tài)度和保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。

四、怎么教—教學(xué)流程

1. 創(chuàng)設(shè)情境，激趣引入—用“太空第一課中的浮力消失”引課

2021年12月9日，太空第一課的“天宮課堂”上，王亞平將乒乓球放在盛有水的杯子中，用小棒把乒乓球壓入水中任意深度，發(fā)現(xiàn)乒乓球“停留在水中，不再上浮”“浮力消失了”，請做出合理的解釋。在失重環(huán)境下，水沒有重力，也就沒有對乒乓球產(chǎn)生上下壓力差（壓強(qiáng)差）。浮力的本質(zhì)是上下壓力差，上下壓力差消失，浮力也就消失了。

教師引導(dǎo)學(xué)生看完“太空第一課”的視頻后，和學(xué)生一起在教室里重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

微實(shí)驗(yàn)1：先用乒乓球重復(fù)實(shí)驗(yàn)—模擬太空實(shí)驗(yàn)，但乒乓球始終不會停留在任意深度，產(chǎn)生認(rèn)知沖突。

微實(shí)驗(yàn)2：用空礦泉水瓶做實(shí)驗(yàn)。每位學(xué)生都積極參與，產(chǎn)生普遍認(rèn)知，體驗(yàn)浮力的存在，而且該實(shí)驗(yàn)取材方便，每位學(xué)生都可以參與。

微實(shí)驗(yàn)3：教師補(bǔ)充一個(gè)實(shí)驗(yàn)，即展示一個(gè)乒乓球，拍兩下，請學(xué)生思考這個(gè)乒乓球能浮嗎？學(xué)生異口同聲回答：“能浮?！卑阉湃爰羧テ康椎牡怪玫V泉水瓶中，瓶蓋打開，結(jié)果乒乓球并沒有浮起來。堵住瓶口，過一會兒乒乓球又浮起來了，引發(fā)學(xué)生的思考 。

此時(shí)學(xué)生的興趣既有源于太空的，也有源于模擬參與的，能激發(fā)學(xué)生的深度思考，充分暴露出學(xué)生的前概念、迷失慨念。

2. 實(shí)驗(yàn)探究，獲取新知—如何研究浮力的大小、方向

上述實(shí)驗(yàn)中用到了浮力的知識，教師請學(xué)生舉出生活中浮力的例子。那么浮力的方向是怎樣的呢？

（1）感知浮力方向的微實(shí)驗(yàn)

微實(shí)驗(yàn)4：乒乓球用一段細(xì)線固定在容器底部，注入水后和細(xì)線一起浮在水中。容器邊上固定一重錘，直觀地展示重力的方向。由于乒乒球的浮力對細(xì)線產(chǎn)生拉力，拉力的方向就是細(xì)繩子的方向—豎直向上。什么是豎直向上呢？旁邊放著一個(gè)重錘，兩者進(jìn)行直觀對比。教師慢慢傾斜小燒杯，讓學(xué)生觀察浮力的方向與杯底的關(guān)系，不再垂直，但仍和水（平）面垂直，再次和重錘進(jìn)行對比。

利用微實(shí)驗(yàn)直觀展示浮力的方向是豎直向上，豎直向上與垂直向上很容易混淆，再次利用同一套裝置，直觀地展示豎直是各水平面垂直，而垂直向上是和支撐面的關(guān)系。利用類比，展示兩者的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，加深了理解，學(xué)生的思維得到進(jìn)階。

（2）測量浮力大小的微實(shí)驗(yàn)

教師將乒乓球改成彈簧測力計(jì)即可，分別測出小石塊在空氣中的重力和小石塊在水中的讀數(shù)。兩者示數(shù)的差值就是小石塊在水中受到的浮力。從力的三要素（方向、大小、作用點(diǎn)）來看承接非常順暢，有利于學(xué)生延續(xù)探究的熱情。在微實(shí)驗(yàn)4的基礎(chǔ)上，只變動(dòng)了一樣小東西，做好了情景、器材、思維的鋪墊，降低了難度。利用兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出測量浮力大小的一類方法，針對問題情境，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)得出了可解釋的數(shù)據(jù)。教師追問：這類方法是否適用所有物體？學(xué)生回答：僅適合下沉的物體。教師追問：我們是否就能夠據(jù)此得出物體在液體中有浮力呢？我們應(yīng)該多取幾種液體，用酒精、煤油等其他幾種液體重做實(shí)驗(yàn)，得出普遍規(guī)律，加深理解，而且在氣體中，物體也受到了浮力，也就是說物體浸在流體都受到了浮力。實(shí)驗(yàn)探究是指學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程，是科學(xué)的本質(zhì)特征，讓學(xué)生在思考、經(jīng)歷中學(xué)習(xí)與體驗(yàn)。

3. 分析歸納，獲得結(jié)論—研究浮力大小的影響因素

教師從微實(shí)驗(yàn)中提出問題：請分析一下影響浮力大小的因素有哪些？小石塊浸入水中體積增大，彈簧測力計(jì)的示數(shù)變小，是否與浸入的深度有關(guān)？完全浸入后彈簧測力計(jì)示數(shù)不變，分析歸納出浮力的大小與浸入的深度無關(guān)，與排開液體的體積有關(guān)。小石塊浸入水中和浸入酒精中示數(shù)不同，分析歸納出浮力的大小與排開液體的密度有關(guān)。引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考，浮力的大小與排開液體的什么科學(xué)量有關(guān)?？赡艿牟孪胧求w積、質(zhì)量、重力。我們知道浮力是力學(xué)科學(xué)量，應(yīng)該與重力的單位是一致的，據(jù)此排除體積與質(zhì)量，那么就應(yīng)該是重力。事實(shí)是否如此？我們分別測量一下浮力與排開液體重力的大小。設(shè)計(jì)探究阿基米德實(shí)驗(yàn)。

4. 學(xué)以致用，鞏固提升—用浮力知識解釋生活中的簡單現(xiàn)象

科學(xué)源于生活，用于生活。教師利用生活化的事例，拉近了學(xué)生間的距離，體現(xiàn)學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的理念，也滲透了STEM理念。教科書中抗洪搶險(xiǎn)中的竹筏就是一個(gè)生活化的例子，激發(fā)學(xué)生興趣，產(chǎn)生解決問題的動(dòng)力。

教師最后設(shè)問：回應(yīng)太空第一課中的浮力現(xiàn)象，乒乓球?yàn)槭裁礇]有浮起來？浮力是如何產(chǎn)生的？我們下一課時(shí)再來學(xué)習(xí)。前后呼應(yīng)，也為后面課時(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)埋下了伏筆。

五、怎么測—作業(yè)布置

作業(yè)布置是為了檢測學(xué)得怎么樣。如何檢測呢？筆者認(rèn)為應(yīng)該設(shè)計(jì)更多的實(shí)踐性、綜合性作業(yè)。本節(jié)課后布置學(xué)生安排制作浮力稱，然后思考如何讓浮力稱量更廣，測量精度更大。這樣設(shè)計(jì)既是對阿基米德原理的運(yùn)用，也為后續(xù)浮沉條件的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 姚建欣，郭玉英.為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展建模：學(xué)習(xí)進(jìn)階十年研究回顧及展望[J].教育學(xué)報(bào)，2014，10（5）：35-42.

[2] 林絢鈺.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的初中物理概念建構(gòu)策略研究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（14）：6-8.

（作者單位：浙江省金華市義烏市稠江中學(xué)）

責(zé)任編輯：李莎