白甜甜　劉竹琴

摘? ?要：浮力與深度之間的關系是整個初中物理教學的難點之一。在STEM思想的指導下，通過一系列問題驅(qū)動，使該難點與科學、技術、工程和數(shù)學有機結(jié)合，利用圖像進行表征，形成定性認識，突破難點，且在整個過程中培養(yǎng)學生的理性思維與技術素養(yǎng)。

關鍵詞：STEM理念;問題驅(qū)動;浮力;教學探究

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）8-0065-3

1? ? 引? 言

季衛(wèi)新老師曾提出“浮力與深度是否有關”的命題為“偽命題”[1]，筆者高度贊同。我們在科學探究中應理解其思維本質(zhì)，由此筆者基于季老師的想法提出浮力與深度之間存在“偽”關系的觀點。

在人教版初中物理第十章浮力探究實驗——“浮力的大小與哪些因素有關”中有研究者發(fā)現(xiàn)，20%的初中生存在“浮力與深度有關”的錯誤前概念[2]。另外，教材第51頁的第一個問題“浮力的大小是否跟物體浸沒的深度有關？”[3]在一定程度上會加深學生錯誤的前概念。同時，教材針對此難點的編排較少，達不到突破難點的目的?；谝陨蠁栴}，筆者在問題驅(qū)動的STEM理念指導下，對實驗進行改進，利用Tracker軌跡追蹤軟件，和學生一起對實驗數(shù)據(jù)進行分析、推理、論證等，最終使學生打破錯誤的前概念，達到科學知識轉(zhuǎn)化為學生個人知識、促進認識順應、內(nèi)化物理觀念、發(fā)展學生核心素養(yǎng)的目的。

2? ? STEM理念的應用

STEM理念源自美國，分別是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學（Mathematics）四門學科的簡稱;STEM綜合了科學、技術、工程與數(shù)學的特點，將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程進行了統(tǒng)一，以系統(tǒng)的、聯(lián)系的思維面對全球化、多文化發(fā)展[4]。

基于STEM的理念，筆者對浮力教學難點有了以下的進階思考：（1）如何對探究浮力與深度關系的實驗進行改進？器材如何選??？（2）如何對教材進行編排？（3）基于改進的實驗應如何引導學生學習？以及如何正確展示Tracker軌跡追蹤軟件，使學生理解并應用？（4）如何處理軟件中的拓展信息？在以上問題的驅(qū)動下，筆者將一步步進階，突破教學難點。

2.1? ? 實驗改進

Tracker軌跡追蹤軟件是對物體運動過程中運動量隨時間改變而進行追蹤的實驗輔助工具，如位移、速度、加速度等，進而描繪出相應的實驗數(shù)據(jù)圖，減少測量者的工作量，在一定程度上提高課堂效果。那么，本實驗改進的關鍵在于“如何使物體在液體中運動？”筆者曾在教學中使用過季蓉老師利用乒乓球與飲料瓶漏斗探究浮力產(chǎn)生原因的實驗[5]，我們發(fā)現(xiàn)乒乓球在實驗過程中是運動的，但有可能是因為漏斗底端的大氣壓推動物體運動。筆者在此實驗的基礎上進行改進，在乒乓球中裝入適量的水（目的：減慢運動過程），同時在自制漏斗中也加入適量的水（如圖1），借助外力使改進后的乒乓球沉入瓶底，之后撤去外力。在小球有運動趨勢后，拍攝運動過程。另外，為盡可能減小軟件追蹤對本實驗數(shù)據(jù)造成的誤差，應保持拍攝角度與實驗角度平行。

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圖1? 自制實驗教具

2.2? ? 教材編排

筆者曾與許多老師交流發(fā)現(xiàn)，學生雖然理解“物體全部浸沒液體時，浮力與深度無關”，但是大多數(shù)學生卻形成“物體未全部浸沒液體時，浮力與深度有關”的錯誤前概念。錯誤的關鍵在于對“控制變量法”的錯誤理解，以及教材在某種程度上的誤導，如課本第51頁的問題一[3]。筆者認為編排者的意圖是想提供給學生“在物體浸入水中體積不變的情況下如何探究深度對浮力的影響”的思考，而不是誤導學生思考“浸沒與未浸沒兩種情況下，浮力與深度的關系”。故筆者認為，此問題可以編排成“如何保持物體浸入液體的體積不變？（物體浸沒液體時，其浸入液體體積保持不變）”，目的在于讓學生理解控制變量法的科學思維。

2.3? ? 預設教學過程

2.3.1? ? 教學過程中的問題驅(qū)動

上文曾提到實驗的改進以及教材編排的觀點，在此基礎上對學生進行問題驅(qū)動：（1）如何使物體保持運動？（浮力產(chǎn)生的原因）（2）探究時應控制的物理量有哪些？（液體密度不變、浸入液體體積不變）（3）如何使浸入液體體積不變？（4）實驗數(shù)據(jù)表征的意義是什么？

為打破學生關于浮力難點的錯誤前概念，關鍵在于對問題（3）的思考，根據(jù)教材編排激發(fā)學生進行以下思考：（1）若物體未浸沒液體時，我們該如何控制其浸入液體體積不變？是否容易控制？（2）如果是對不規(guī)則物體進行探究呢？（3）為了使實驗易操作，我們將物體浸沒是否可行？（4）浸沒的目的是什么？在學生思考的過程中明白控制變量法的思維本質(zhì)，掌握深度僅是改變浸入液體體積的中間量，類似于季衛(wèi)新老師曾提到的偽命題“探究物體的動能與高度有關”[1]中的高度即是速度改變的中間量;通過上述問題驅(qū)動使學生能夠在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q簡單的問題[6]，發(fā)展學生的科學思維，內(nèi)化物理觀念。圖2為教師與學生思考的思維導圖。

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圖2? ?思維導圖

2.3.2? ? Tracker軟件的引導

在此之前學生從未接觸過此類追蹤軟件，所以在教學過程中需要詳細講解，為以后的拋體運動、單擺運動等探究學習打好基礎。此外，在數(shù)據(jù)分析中，學生借用軟件分析結(jié)果，對y-t圖與ay-t圖（在實驗過程中發(fā)現(xiàn)Tracker軟件在追蹤加速度時存在一定誤差，且數(shù)據(jù)結(jié)果圖分度值較小，不利于觀察，筆者對加速度數(shù)據(jù)進行分度值擴大化處理）分析、推理、論證后（具體過程在下一部分論述），得出浮力與深度沒有關系，在此過程中培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的能力。

2.4? ? 軟件中的拓展信息處理

在處理軟件數(shù)據(jù)的結(jié)果中，出現(xiàn)了y軸方向的加速度（ay），在此之前曾學習過重力加速度，所以我們基于學生的最近發(fā)展區(qū)進行類比，重力等于質(zhì)量乘以重力加速度（G=mg），而得出y軸方向（深度方向）的合力（Fy）等于質(zhì)量乘以y軸方向的加速度（Fy=may），貫徹教育內(nèi)容先行的思想，為以后牛頓第二定律的教學做好鋪墊;由上文公式Fy=may，進一步可以寫出F■-G■=may，那么由圖像可知ay不變，G■為固定值，可推導出F■不變，而在此過程中深度（y）卻在改變，從而進一步得出浮力與深度為“偽”關系。

3? ? 結(jié)束語

問題驅(qū)動存在于教學的每個環(huán)節(jié)，如教師的思考以及教師有意識安排下的學生思考，而在設計學生的預設問題時，應符合學生當前的認知發(fā)展;并結(jié)合STEM理念，借助軌跡追蹤軟件，讓數(shù)據(jù)以圖像直觀表征，打破學生對浮力與深度有關的錯誤前概念，并在此過程中內(nèi)化物理觀念，培養(yǎng)學生的科學思維與科學探究的能力;在以后的教學中應保持不斷增強教師專業(yè)能力的意識，仔細研讀教材，選擇適合且高效的教學工具，提高課堂效果，并在師生交互過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]季衛(wèi)新.芻議“科學探究”的思維本質(zhì)[J].中學物理教學參考，2018，47（9）：33-36.

[2]胡先濤.基于認知建模理論的“浮力-深度”觀念教學實踐研究[J].物理教學探討，2019，37（3）：31-33.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務教育教科書八年級物理下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[4]周新雅，張鐘文，周行.圓盤式測力計的充分合理使用[J].物理教學探討，2018，36（2）：54-55.

[5]季蓉，陳嫻.中學物理演示實驗室資源的開發(fā)與應用研究[J].物理之友，2019（6）：4-6.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯? ? 張正嚴）