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        旨向初中學(xué)生核心素養(yǎng)的“浮力”教學(xué)

        2017-12-21 00:10:45謝昱圣
        物理教學(xué)探討 2017年11期
        關(guān)鍵詞:科學(xué)思維浮力

        謝昱圣

        摘 要:伴隨著“學(xué)生核心素養(yǎng)”的提出,面向科學(xué)教學(xué)的“科學(xué)核心素養(yǎng)”得以關(guān)注與踐行。論文立足于浙江省綜合科學(xué)教學(xué)實踐,以初中科學(xué)核心概念“浮力”為例,提出旨在促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的科學(xué)教學(xué)應(yīng)該關(guān)注學(xué)生原有認(rèn)知,開展科學(xué)觀念顯性教學(xué);以概念圖教學(xué),凸顯科學(xué)思維;利用科學(xué)史與科學(xué)探究,促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)是什么的認(rèn)識。

        關(guān)鍵詞:科學(xué)觀念;科學(xué)思維;科學(xué)態(tài)度與責(zé)任;科學(xué)史與科學(xué)探究

        中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1003-6148(2017)11-0012-4

        2016年9月,我國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究成果發(fā)布。學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的總體框架以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心,分為文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會參與三個方面[1]。針對具體的學(xué)科教學(xué),提出了“學(xué)科核心素養(yǎng)”,如物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。物理核心素養(yǎng)的提出對物理教學(xué)提出了新的要求,需要對教學(xué)進(jìn)行頂層設(shè)計,關(guān)注學(xué)生的差異,緊扣科學(xué)本質(zhì),為學(xué)習(xí)設(shè)計教學(xué)。由于“浮力”是物理核心概念,也是學(xué)生常出現(xiàn)前概念與難以轉(zhuǎn)化理解的內(nèi)容,因而在此以“浮力”教學(xué)為例,分別從科學(xué)觀念、科學(xué)思維與科學(xué)是什么的認(rèn)知等方面闡述,旨向初中學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

        1 關(guān)注原有認(rèn)知,開展科學(xué)觀念顯性教學(xué)

        科學(xué)觀念包括物質(zhì)觀、運動觀、能量觀、相互作用觀等要素,科學(xué)觀念的凸顯需要立足于學(xué)生原有認(rèn)知基礎(chǔ)上的科學(xué)概念學(xué)習(xí),明確學(xué)生學(xué)習(xí)的起始分析能力和已經(jīng)形成的背景知識與原有認(rèn)知,在前概念的轉(zhuǎn)化過程中進(jìn)行科學(xué)觀念的顯性教學(xué)。如“浮力”是初中的核心概念,初中學(xué)生往往在生活體驗與小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)后容易產(chǎn)生前概念,即浮在液面的物體受到的浮力大,沉入液體中的物體受到的浮力小,往往還理不清楚浮力與物體密度、液體密度、液面深度、物體體積等物理量的關(guān)系?;诟×Ξa(chǎn)生的原因“流體對物體向上的壓力與向下的壓力形成的壓力差”,“浮力”概念教學(xué)中蘊含著“運動觀”(可以從物塊在液體中受到的浮力與物塊重力的關(guān)系來判斷物體的沉浮情況——懸浮、漂浮、上浮還是下沉等)。

        依據(jù)概念學(xué)習(xí)的理論,“浮力”的教學(xué)是一個新、舊觀念沖突的過程,即引發(fā)學(xué)生認(rèn)知發(fā)生沖突的過程。依據(jù)Posner等人提出的概念轉(zhuǎn)變條件[2],即對現(xiàn)有概念的不滿、新概念的可理解性、新概念的合理性與新概念的有效性,科學(xué)教學(xué)中需要在關(guān)注學(xué)生原有認(rèn)知的同時,利用情境體驗與科學(xué)實驗引發(fā)學(xué)生對現(xiàn)有概念的不滿與新概念的學(xué)習(xí)。如設(shè)計“活動與體驗1”:把一個雞蛋置于水中,觀察雞蛋的浮沉情況。在水中加食鹽并攪拌,直到不能繼續(xù)溶解為止(加足夠的食鹽后靜置一夜或加熱待冷卻),再觀察雞蛋的浮沉情況。由此引發(fā)學(xué)生思考“沉入水中的物體受到浮力嗎?”“加食鹽過程中會出現(xiàn)哪些沉浮現(xiàn)象?”“水中雞蛋受到的浮力與鹽水中的雞蛋受到的浮力大小一樣嗎?”等問題。引發(fā)學(xué)生認(rèn)識到原先認(rèn)知中“雞蛋在水中是沉的就不受浮力,在鹽水中雞蛋是浮的才受到浮力”的不足(這認(rèn)知無法解釋雞蛋上浮的整個過程),讓他們在“雞蛋浮起來了”這一實驗現(xiàn)象中思考為什么雞蛋會呈現(xiàn)不同的運動狀態(tài),即理解“下沉、懸浮、上浮、漂浮及其原因”。結(jié)合學(xué)生實驗體驗、觀察,引導(dǎo)學(xué)生繪制雞蛋不同運動狀態(tài)下的受力情況(如圖1)并理解受力情況。

        這一過程不僅可以引導(dǎo)學(xué)生理解浮力產(chǎn)生的原因,以及讓學(xué)生認(rèn)識到浮力與重力大小的關(guān)系,還可以判斷物體在液體中的運動狀態(tài),也可以進(jìn)一步讓學(xué)生學(xué)會根據(jù)液體密度與物體密度的關(guān)系來判斷物體在液體中的運動狀態(tài)。而且,實驗體驗與理性分析過程中可以顯性地開展“運動觀”的教學(xué),引導(dǎo)學(xué)生了解運動是物質(zhì)的根本屬性,靜止是運動的特殊狀態(tài),是物質(zhì)運動在一定條件下、一定范圍內(nèi)處于暫時穩(wěn)定的平衡狀態(tài);絕對運動與相對靜止的辯證統(tǒng)一等。為了拓展深化學(xué)生對“浮力”概念的理解與應(yīng)用(密度計、輪船、潛水艇等)、“運動觀”的理性認(rèn)識,可以進(jìn)一步以乒乓球在底面開口的礦泉水瓶中的實驗來深化理解(如圖2)。實驗步驟如下:

        2 以概念圖教學(xué),凸顯科學(xué)思維

        從現(xiàn)行理科課程標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)旨向來看,學(xué)科核心素養(yǎng)成為理科教學(xué)所共同關(guān)注的。不管是物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”[3]還是化學(xué)核心素養(yǎng)中的“論證推理與模型認(rèn)知”[4]、生物核心素養(yǎng)中的“理性思維”[5]等的內(nèi)涵,都突顯了對科學(xué)思維的關(guān)注與強調(diào),特別提出生物核心素養(yǎng)包括生命觀念、理性思維、科學(xué)探究與社會責(zé)任;物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面,成為學(xué)生終身發(fā)展與社會需要的必備品格與關(guān)鍵能力??茖W(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[6],科學(xué)思維的培養(yǎng)隱含于中學(xué)物理教學(xué)中,表現(xiàn)為學(xué)生論證思維與批判性思維的提升,主要表現(xiàn)在:學(xué)生能正確運用科學(xué)思維方式,進(jìn)行定量與定性的科學(xué)推理;使用科學(xué)證據(jù)的意識與評估科學(xué)證據(jù)的能力,運用證據(jù)對研究問題進(jìn)行描述、解釋與預(yù)測,要求學(xué)生通過物理教學(xué)過程,形成批判性思維的意識,能基于證據(jù)大膽質(zhì)疑、從不同角度思考問題、解決問題。國際學(xué)生評價項目PISA提出科學(xué)素養(yǎng)包括“學(xué)生必須能辨別個人意見并能在基于證據(jù)的基礎(chǔ)上發(fā)展出主張,能夠應(yīng)用所學(xué)的科學(xué)知識,做出具有證據(jù)的結(jié)論并向他人溝通與解釋”[7]。

        《浮力》這章節(jié)要求學(xué)生了解浮力是怎樣產(chǎn)生的,會判斷浮力的方向,能計算不同沉浮情況下的浮力大小及浮力在社會生活中的不同應(yīng)用。如何構(gòu)建這些概念與知識點間的聯(lián)系,且如何在浮力的教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生不同維度科學(xué)思維的提升,是需要提供學(xué)生體驗、構(gòu)建的情境。基于概念圖有助于學(xué)生將新學(xué)習(xí)的信息和已有的概念聯(lián)系起來,在深刻理解的基礎(chǔ)上尋找關(guān)鍵詞,將新信息有機整合到原有知識框架中。一方面通過概念圖的繪制,學(xué)生將書本中原本瑣碎、復(fù)雜的知識點高度概括化、系統(tǒng)化,另一方面通過不同學(xué)生所繪制的概念圖的交流與論證,體驗科學(xué)思維的深刻性和批判性。如圖3(a)、圖3(b)為不同學(xué)生基于浮力產(chǎn)生原因、浮力大小測量、沉浮條件及其應(yīng)用等學(xué)習(xí)繪制的概念圖:endprint

        概念圖能使構(gòu)建環(huán)節(jié)的思維過程具體、可視地呈現(xiàn)出來,通過生生之間、師生之間的交互,便于學(xué)生剖析自己的思維過程與他人之間的差異。如概念圖3(a)將浮力的大小、方向、沉浮條件與應(yīng)用作為一級概念,其中浮力的大小包括浮力的測量與浮力的計算,物體的沉浮條件涉及上浮(GF)、懸浮與漂?。℅=F)三種情況;圖3(b)將浮力的大小、方向、科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)、物體的浮沉條件作為一級概念,浮力的大小關(guān)注測量方法與影響因素,將上浮四種情況與受力分析及浮力的應(yīng)用作為物體浮沉條件的二級概念。兩個概念圖的繪制有共通之處,也呈現(xiàn)了不同,尤其表現(xiàn)在物體的沉浮條件與浮力大小,學(xué)生針對物體沉浮條件為什么可以只通過浮力與重力的關(guān)系來判斷,為什么將重力與浮力的關(guān)系、物體密度與液體(氣體)密度的關(guān)系一起作為物體沉浮判斷的論證,提出概念圖劃分的方法與依據(jù),引導(dǎo)學(xué)生重視證據(jù)的解釋、評價。在論證、評價交流中反復(fù)驗證或解釋自己對科學(xué)概念及其關(guān)系的理解,運用證據(jù)支持或反駁他人觀點等,有助于促進(jìn)批判性思維的發(fā)展,也利于學(xué)生對概念和規(guī)律的深層理解與學(xué)習(xí)。

        3 以科學(xué)史與科學(xué)探究,促進(jìn)對科學(xué)是什么的認(rèn)識

        科學(xué)課程是體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的課程,認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知、科學(xué)探究能力與科學(xué)情感態(tài)度等方面的發(fā)展,有助于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升?!笆裁词强茖W(xué)”這個問題的追問一直以來是科學(xué)教育實踐中努力踐行、試圖回答與解決的問題,也是國際科學(xué)教育界長久關(guān)注與研究的方向。伴隨著科學(xué)本質(zhì)理解逐漸成為“表述最普遍的科學(xué)教育目標(biāo)之一”(Kimball, M.E., 1967—1968)[8],也因此提出“科學(xué)是什么”的不同內(nèi)涵與理解,突顯了科學(xué)本質(zhì)的核心內(nèi)涵,包括人類對科學(xué)的認(rèn)識是一個發(fā)展的過程,科學(xué)是基于證據(jù)的,科學(xué)是基于社會文化的,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)科學(xué)的過程中蘊含著一定的主觀性,科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程有諸多的科學(xué)方法等。

        科學(xué)教學(xué)中如何促進(jìn)學(xué)生對這些科學(xué)本質(zhì)內(nèi)涵的理解,呈現(xiàn)了科學(xué)史哲[9]與科學(xué)探究[10]在教學(xué)中的價值?!案×Α毕嚓P(guān)的科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的過程也蘊含著豐富的科學(xué)史,尤其凸顯了對阿基米德科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的歷史的關(guān)注。通過對科學(xué)史情境的創(chuàng)設(shè)與科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)史過程的關(guān)注,引導(dǎo)學(xué)生思考為什么不是其他的科學(xué)家而是阿基米德發(fā)現(xiàn)了這一科學(xué)定律,阿基米德定律為什么是正確的(證據(jù)有哪些)等,讓學(xué)生在理解概念的基礎(chǔ)上促進(jìn)科學(xué)思維與態(tài)度的發(fā)展,也讓學(xué)生知道:認(rèn)識科學(xué)是基于證據(jù)的;科學(xué)發(fā)現(xiàn)是一個過程;這個過程受科學(xué)家思想價值觀等影響。經(jīng)歷阿基米德定律的發(fā)現(xiàn)史可以讓學(xué)生感知知識產(chǎn)生的過程,理解知識產(chǎn)生的特點,理解科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)與社會需求的關(guān)系。在認(rèn)識科學(xué)定律的發(fā)現(xiàn)過程后,“浮力”的教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)家相似的探究過程,通過探究活動來理解浮力大小、方向與哪些因素有關(guān),所設(shè)計的探究活動體現(xiàn)了哪些科學(xué)方法與思想,進(jìn)而思考是否可以利用現(xiàn)實的實驗器材進(jìn)行浮力大小、方向與哪些因素有關(guān),如浮力與液體的密度、排開液體的體積、物體的重力、物體的體積、物體的形狀、深度等的探究。探究方案的設(shè)計、數(shù)據(jù)的收集與分析,不同探究活動過程的交流、論證,結(jié)果的檢驗等,有助于學(xué)生區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與證據(jù)的區(qū)別,理解科學(xué)家探究過程中科學(xué)方法的多樣性,科學(xué)是基于證據(jù)的、可驗性等。

        參考文獻(xiàn):

        [1]林崇德. 21世紀(jì)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)研究[M]. 北京:北京師范大學(xué)出版社,2016:3.

        [2]Posner G.J, Strike, K.A., Hewson P.W., Gertzog, W. A., Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education[J].1982,66:211-227.

        [3][6]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會,普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)[R]. 2017:3-4.

        [4]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會,普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)[R]. 2017:3-4.

        [5]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會,普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)修訂組.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)[R]. 2017:3-4.

        [7]OECD.PISA 2015 Results(Volume1) Excellence and Equity in Education[M].2016.12.

        [8]M.E.Kimball.Understanding the Nature of Science: a Comparison of Scientists and Science Teachers. Journal of Research in Science Teaching[J].1967,5(2):110-120.

        [9]M.R.Matthews. Science Teaching: the Contribution of History and Philosophy of Science[M]. Routledge; 2 edition (August 28, 2014)

        [10]J.S. Lederman, N,G. Lederman,S.A. Bartos,SL Bartels, A.A. Meyer.Meaningful assessment of learners' understandings about scientific inquiry - The views about scientific inquiry (VASI) questionnaire, Journal of Research in Science Teaching[J].2014, 51(1):65-83.

        (欄目編輯 趙保鋼)

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