陳瑞 李寶金 顏國(guó)英 張 雄

(云南師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 云南 昆明 650500)

物理思維的培養(yǎng)和物理知識(shí)的學(xué)習(xí)是一個(gè)循序漸進(jìn)且逐漸深入的過(guò)程.“物體的浮沉條件”這一節(jié)內(nèi)容，課程標(biāo)準(zhǔn)明確列出了要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)之前也有一定的認(rèn)知基礎(chǔ).本文根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，制定了基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)起點(diǎn)和目標(biāo)，并在此基礎(chǔ)之上步步深入教學(xué)，通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)建立學(xué)習(xí)進(jìn)階，層層遞進(jìn)學(xué)習(xí)深度，逐漸建立學(xué)生的物理觀念，最終達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)的教學(xué)要求.

1 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論

學(xué)習(xí)進(jìn)階理論首先在加拿大和美國(guó)提出，并在此后逐漸成為西方教育的研究熱點(diǎn)問(wèn)題.美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)(NRC)將學(xué)習(xí)進(jìn)階定義為：學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的假定描述，在一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)間跨度下，學(xué)生在學(xué)習(xí)和探究某一重要的知識(shí)或者實(shí)踐領(lǐng)域時(shí)，其思維方式的逐漸進(jìn)階[1].其不僅包含對(duì)學(xué)生思維過(guò)程的描述，而且包含在學(xué)習(xí)進(jìn)階中學(xué)生對(duì)于某種科學(xué)技能和思維能力的培養(yǎng)和發(fā)展.

學(xué)習(xí)進(jìn)階強(qiáng)調(diào)學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程是循序漸進(jìn)且螺旋式上升的過(guò)程.因此，通過(guò)合理的利用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況擬定教學(xué)目標(biāo)并實(shí)施循序漸進(jìn)的教學(xué)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知的逐步進(jìn)階，最終達(dá)到課程標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定要求的目的.

2 教學(xué)設(shè)計(jì)思考與實(shí)踐

學(xué)生在學(xué)習(xí) “物體的浮沉條件”前，腦海中存在著錯(cuò)誤的認(rèn)知，基于打破學(xué)生錯(cuò)誤認(rèn)知，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知進(jìn)階的目的，結(jié)合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，筆者對(duì)本節(jié)內(nèi)容進(jìn)行了課堂教學(xué)設(shè)計(jì).

2.1 教材與學(xué)情分析

“物體的浮沉條件”是力學(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)之一，是在生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)對(duì)浮力和阿基米德原理的深化和應(yīng)用.因此，在人教版、滬科版等教材中都將“物體的浮沉條件”單獨(dú)列為一節(jié)，并編排在“阿基米德原理”后，由此可以看出編者對(duì)本節(jié)內(nèi)容的重視，也體現(xiàn)出將物理知識(shí)點(diǎn)深化，并能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象、處理生活中的相關(guān)問(wèn)題的重要性.

在學(xué)習(xí)本節(jié)課之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了阿基米德原理和浮力，對(duì)浮力的大小和方向有了一定的了解.教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生往往憑借生活經(jīng)驗(yàn)形成頑固且錯(cuò)誤的認(rèn)知，很多學(xué)生的潛意識(shí)當(dāng)中認(rèn)為重的物體一定下沉，輕的物體一定上浮.因此，教師在教學(xué)過(guò)程中選用學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)模式，有助于逐漸深入破除學(xué)生頑固且錯(cuò)誤的認(rèn)知并過(guò)渡到正確的認(rèn)知.此外，學(xué)生在本階段的學(xué)習(xí)過(guò)程當(dāng)中邏輯能力還不夠強(qiáng)，因此，通過(guò)直觀的實(shí)驗(yàn)，能夠幫助學(xué)生更好地、更直觀地理解知識(shí)點(diǎn).

2.2 學(xué)習(xí)進(jìn)階起點(diǎn)與終點(diǎn)

進(jìn)階起點(diǎn)是指學(xué)生在開(kāi)始學(xué)習(xí)某個(gè)概念之前就應(yīng)該掌握的知識(shí)和能力的描述[2].在學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了浮力的基本內(nèi)容，對(duì)阿基米德原理有了基本的理解，因此，設(shè)定學(xué)生本節(jié)的進(jìn)階起點(diǎn)為：知道浮力的定義和計(jì)算公式，對(duì)阿基米德原理有初步的了解，但對(duì)浮力、重力與物體浮沉之間的關(guān)系并不明確，不能夠用實(shí)驗(yàn)說(shuō)明物體的浮沉與浮力、重力之間的關(guān)系，不了解潛水艇的浮沉原理.

進(jìn)階終點(diǎn)是學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程結(jié)束后應(yīng)該達(dá)到的進(jìn)階目標(biāo)，即最終期望學(xué)生獲得的知識(shí)或技能.進(jìn)階終點(diǎn)通常是由學(xué)習(xí)者的期望、科學(xué)素養(yǎng)的學(xué)習(xí)目標(biāo)以及某一學(xué)科的學(xué)習(xí)教育研究確定的[3].根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》設(shè)定學(xué)習(xí)進(jìn)階的終點(diǎn)為：了解物體的浮沉條件與重力、浮力之間的關(guān)系；能夠運(yùn)用物體的浮沉條件說(shuō)明生產(chǎn)生活中的一些現(xiàn)象；了解潛水艇浮沉的原理[4].

3 教學(xué)設(shè)計(jì)

3.1 新課引入 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

演示實(shí)驗(yàn)： 小玩偶在水中的浮沉實(shí)驗(yàn)

師：在上課之前，老師想帶各位同學(xué)做一個(gè)小實(shí)驗(yàn)，在老師的手上有一個(gè)裝滿水的水瓶，里面裝著一個(gè)漂浮的小章魚玩偶(如圖1)，老師想變個(gè)魔術(shù)，讓小玩偶能夠在水中上下浮動(dòng)，各位同學(xué)覺(jué)得這有可能嗎？

圖1 玩偶浮沉實(shí)驗(yàn)

生：不可能！

師(捏水瓶使玩偶能夠在水瓶中上下浮動(dòng))：我們看到，章魚小玩偶能夠在水中上下浮動(dòng)，這是為什么呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)，我們一起進(jìn)入今天知識(shí)的學(xué)習(xí).

設(shè)計(jì)意圖：第一次進(jìn)階，通過(guò)漂浮在水面的浮沉子在水中的上下浮動(dòng)，破除學(xué)生腦海中“重的物體一定下沉，輕的物體一定漂浮”的錯(cuò)誤認(rèn)知，帶著疑問(wèn)和好奇進(jìn)入新課學(xué)習(xí).

3.2 舊知識(shí)回顧 進(jìn)行新課

師：通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)我們知道，沉浸在液體中的物體會(huì)受到力的作用，根據(jù)阿基米德原理我們知道，浸沒(méi)在液體中的物體會(huì)受到向上的浮力，也就是說(shuō)，當(dāng)物體浸沒(méi)在水中時(shí)，不僅僅受到豎直向下的重力的作用，同時(shí)還受到了向上的浮力作用，那物體的浮沉條件和重力、浮力之間，存在著什么樣的聯(lián)系呢？帶著這個(gè)疑問(wèn)我們一起進(jìn)入今天的學(xué)習(xí).

學(xué)生跟隨教師回顧舊知識(shí).

設(shè)計(jì)意圖：回顧舊知識(shí)，為新知識(shí)的教學(xué)做鋪墊.

實(shí)驗(yàn)探究:探究不同重力的物體在水中的浮沉條件.

師：在老師手中有3個(gè)半徑為2 cm的標(biāo)有數(shù)字的乒乓球，在旁邊還有一個(gè)盛有水的玻璃缸，以及一個(gè)天平，首先，我們將小球放入水缸當(dāng)中，依次觀察3個(gè)小球在水中的浮沉情況，老師將1號(hào)乒乓球放入水中，我們發(fā)現(xiàn)1號(hào)小球在水中下沉，最終沉到了水底，緊接著，我們將2號(hào)小球放入水中，我們發(fā)現(xiàn)，2號(hào)小球靜止懸浮在水中，最后將3號(hào)小球放入到水缸當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)小球上浮，最后漂浮在水面上.我們將3個(gè)小球取出并擦干小球上殘留的水分之后放到天平上依次稱量.根據(jù)上節(jié)課我們所學(xué)習(xí)到的浮力的測(cè)量公式為

F浮=ρ水gV排

因此，理論上可以得到乒乓球所受到的浮力為

F浮=ρ水gV排=1.0×103kg/m3×10 N/kg×

師：我們發(fā)現(xiàn)，1號(hào)球的重力大于浮力，因此，將小球放入水中后下沉，最終沉到水底，而2號(hào)球的重力等于浮力，因此，放入水中之后小球能夠靜止的懸浮在水中，而3號(hào)球的重力小于浮力，因此，將小球放入水中之后小球上浮，最終漂浮在水面上(如圖2).

圖2 不同質(zhì)量的乒乓球在水中的浮沉情況

設(shè)計(jì)意圖：第二次進(jìn)階，通過(guò)實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生感知上浮、懸浮和下沉的現(xiàn)象，從而理解物體的浮沉條件和浮力、重力之間的關(guān)系，使學(xué)生知道物體能夠在水中浮沉不僅只和重力有關(guān)，還和浮力有關(guān).

3.3 拓展應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)：模擬潛水艇在水中的浮沉

師：我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)浮力大于重力時(shí)，物體會(huì)上浮，當(dāng)浮力等于重力時(shí)物體會(huì)靜止的懸浮在水中，當(dāng)物體的重力大于浮力時(shí)，物體則會(huì)下沉.而在老師的手中有一個(gè)空心的小球，小球上端連接著注射器，下端有一個(gè)小孔可以和水缸中的水連通(如圖3)，通過(guò)用注射器向針筒內(nèi)打氣可以使得水能夠排出小球，反之則能使水進(jìn)入小球，從而改變小球自身的重量，那如果想要讓漂浮在水面上的小球下沉，老師應(yīng)該怎么做？如果想要讓沉入水底的小球能夠回到水面上，老師又可以怎樣做？

圖3 模擬潛水艇浮沉實(shí)驗(yàn)裝置圖

生：抽氣，使小球充水，增加重量后小球重力大于浮力，下沉；排氣，排出小球內(nèi)部水份，小球重量減輕，重力小于浮力，小球上浮.

師：各位同學(xué)的想法很棒，這就是我們生活當(dāng)中的潛水艇模型，潛水艇能夠自由地在水中上浮和下沉，就是依靠改變自身的重力實(shí)現(xiàn)的.除了改變重力，各位同學(xué)能不能舉出一些生活當(dāng)中改變浮力的例子？

生：輪船.

師：很好，輪船就是一個(gè)典型的改變浮力的例子，我們都知道，鋼鐵的密度比水的密度要重，而輪船為什么能夠在水面上漂浮呢？其實(shí)，輪船是通過(guò)增大物體在水中排開(kāi)液體的體積，從而增大浮力，使輪船能夠在水面上漂浮.

設(shè)計(jì)意圖；第三次進(jìn)階，通過(guò)講解潛水艇實(shí)驗(yàn)的演示和輪船漂浮的原理，使學(xué)生領(lǐng)會(huì)潛水艇和輪船與物體浮沉之間的關(guān)系.潛水艇是通過(guò)改變自身重力，使其自身能夠在水中浮沉，而輪船是改變自身所受到浮力的大小從而漂浮在水面上.將第二次進(jìn)階中的知識(shí)點(diǎn)作了實(shí)際應(yīng)用和升華，提升了學(xué)生的認(rèn)知能力.

3.4 課前實(shí)驗(yàn)揭秘 解決問(wèn)題

師：那各位同學(xué)對(duì)我們上課之前做的小實(shí)驗(yàn)還有印象嗎？水瓶當(dāng)中的小章魚為什么能夠在水中上下浮動(dòng)呢？它和我們今天所學(xué)的哪一個(gè)模型類似呢？

生：潛水艇.

師：各位同學(xué)回答得非常好，其實(shí)，在小玩偶的中部有一段儲(chǔ)水倉(cāng)，就像潛水艇的原理一樣，當(dāng)擠壓水瓶時(shí)，水進(jìn)入到玩偶儲(chǔ)水倉(cāng)當(dāng)中，使得玩偶的重量增加，重力大于浮力，玩偶下沉；當(dāng)松開(kāi)手時(shí)，玩偶儲(chǔ)水倉(cāng)當(dāng)中儲(chǔ)存的水流出，使得玩偶重量減輕，玩偶的重力小于浮力，玩偶上浮，因此，通過(guò)不斷的擠壓水瓶，能夠?qū)崿F(xiàn)玩偶在水中上下浮動(dòng).

設(shè)計(jì)意圖；第四次進(jìn)階，通過(guò)課前揭秘，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋課前實(shí)驗(yàn)的原理，真正地實(shí)現(xiàn)學(xué)生的認(rèn)知進(jìn)階.