白甜甜　劉竹琴

摘? ?要：浮力與深度之間的關(guān)系是整個(gè)初中物理教學(xué)的難點(diǎn)之一。在STEM思想的指導(dǎo)下，通過(guò)一系列問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，使該難點(diǎn)與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合，利用圖像進(jìn)行表征，形成定性認(rèn)識(shí)，突破難點(diǎn)，且在整個(gè)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的理性思維與技術(shù)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM理念;問(wèn)題驅(qū)動(dòng);浮力;教學(xué)探究

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：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(guān)”的命題為“偽命題”[1]，筆者高度贊同。我們?cè)诳茖W(xué)探究中應(yīng)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(guān)系的觀(guān)點(diǎn)。

在人教版初中物理第十章浮力探究實(shí)驗(yàn)——“浮力的大小與哪些因素有關(guān)”中有研究者發(fā)現(xiàn)，20%的初中生存在“浮力與深度有關(guān)”的錯(cuò)誤前概念[2]。另外，教材第51頁(yè)的第一個(gè)問(wèn)題“浮力的大小是否跟物體浸沒(méi)的深度有關(guān)？”[3]在一定程度上會(huì)加深學(xué)生錯(cuò)誤的前概念。同時(shí)，教材針對(duì)此難點(diǎn)的編排較少，達(dá)不到突破難點(diǎn)的目的?；谝陨蠁?wèn)題，筆者在問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的STEM理念指導(dǎo)下，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，利用Tracker軌跡追蹤軟件，和學(xué)生一起對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理、論證等，最終使學(xué)生打破錯(cuò)誤的前概念，達(dá)到科學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)人知識(shí)、促進(jìn)認(rèn)識(shí)順應(yīng)、內(nèi)化物理觀(guān)念、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

2? ? STEM理念的應(yīng)用

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

基于STEM的理念，筆者對(duì)浮力教學(xué)難點(diǎn)有了以下的進(jìn)階思考：（1）如何對(duì)探究浮力與深度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)？器材如何選??？（2）如何對(duì)教材進(jìn)行編排？（3）基于改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)？以及如何正確展示Tracker軌跡追蹤軟件，使學(xué)生理解并應(yīng)用？（4）如何處理軟件中的拓展信息？在以上問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)下，筆者將一步步進(jìn)階，突破教學(xué)難點(diǎn)。

2.1? ? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

Tracker軌跡追蹤軟件是對(duì)物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)量隨時(shí)間改變而進(jìn)行追蹤的實(shí)驗(yàn)輔助工具，如位移、速度、加速度等，進(jìn)而描繪出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖，減少測(cè)量者的工作量，在一定程度上提高課堂效果。那么，本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的關(guān)鍵在于“如何使物體在液體中運(yùn)動(dòng)？”筆者曾在教學(xué)中使用過(guò)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(shí)驗(yàn)[5]，我們發(fā)現(xiàn)乒乓球在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中是運(yùn)動(dòng)的，但有可能是因?yàn)槁┒返锥说拇髿鈮和苿?dòng)物體運(yùn)動(dòng)。筆者在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在乒乓球中裝入適量的水（目的：減慢運(yùn)動(dòng)過(guò)程），同時(shí)在自制漏斗中也加入適量的水（如圖1），借助外力使改進(jìn)后的乒乓球沉入瓶底，之后撤去外力。在小球有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)后，拍攝運(yùn)動(dòng)過(guò)程。另外，為盡可能減小軟件追蹤對(duì)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)造成的誤差，應(yīng)保持拍攝角度與實(shí)驗(yàn)角度平行。

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圖1? 自制實(shí)驗(yàn)教具

2.2? ? 教材編排

筆者曾與許多老師交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然理解“物體全部浸沒(méi)液體時(shí)，浮力與深度無(wú)關(guān)”，但是大多數(shù)學(xué)生卻形成“物體未全部浸沒(méi)液體時(shí)，浮力與深度有關(guān)”的錯(cuò)誤前概念。錯(cuò)誤的關(guān)鍵在于對(duì)“控制變量法”的錯(cuò)誤理解，以及教材在某種程度上的誤導(dǎo)，如課本第51頁(yè)的問(wèn)題一[3]。筆者認(rèn)為編排者的意圖是想提供給學(xué)生“在物體浸入水中體積不變的情況下如何探究深度對(duì)浮力的影響”的思考，而不是誤導(dǎo)學(xué)生思考“浸沒(méi)與未浸沒(méi)兩種情況下，浮力與深度的關(guān)系”。故筆者認(rèn)為，此問(wèn)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(méi)液體時(shí)，其浸入液體體積保持不變）”，目的在于讓學(xué)生理解控制變量法的科學(xué)思維。

2.3? ? 預(yù)設(shè)教學(xué)過(guò)程

2.3.1? ? 教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

上文曾提到實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)以及教材編排的觀(guān)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上對(duì)學(xué)生進(jìn)行問(wèn)題驅(qū)動(dòng)：（1）如何使物體保持運(yùn)動(dòng)？（浮力產(chǎn)生的原因）（2）探究時(shí)應(yīng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表征的意義是什么？

為打破學(xué)生關(guān)于浮力難點(diǎn)的錯(cuò)誤前概念，關(guān)鍵在于對(duì)問(wèn)題（3）的思考，根據(jù)教材編排激發(fā)學(xué)生進(jìn)行以下思考：（1）若物體未浸沒(méi)液體時(shí)，我們?cè)撊绾慰刂破浣胍后w體積不變？是否容易控制？（2）如果是對(duì)不規(guī)則物體進(jìn)行探究呢？（3）為了使實(shí)驗(yàn)易操作，我們將物體浸沒(méi)是否可行？（4）浸沒(méi)的目的是什么？在學(xué)生思考的過(guò)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(lèi)似于季衛(wèi)新老師曾提到的偽命題“探究物體的動(dòng)能與高度有關(guān)”[1]中的高度即是速度改變的中間量;通過(guò)上述問(wèn)題驅(qū)動(dòng)使學(xué)生能夠在熟悉的問(wèn)題情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q簡(jiǎn)單的問(wèn)題[6]，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，內(nèi)化物理觀(guān)念。圖2為教師與學(xué)生思考的思維導(dǎo)圖。

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圖2? ?思維導(dǎo)圖

2.3.2? ? Tracker軟件的引導(dǎo)

在此之前學(xué)生從未接觸過(guò)此類(lèi)追蹤軟件，所以在教學(xué)過(guò)程中需要詳細(xì)講解，為以后的拋體運(yùn)動(dòng)、單擺運(yùn)動(dòng)等探究學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。此外，在數(shù)據(jù)分析中，學(xué)生借用軟件分析結(jié)果，對(duì)y-t圖與ay-t圖（在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)Tracker軟件在追蹤加速度時(shí)存在一定誤差，且數(shù)據(jù)結(jié)果圖分度值較小，不利于觀(guān)察，筆者對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分度值擴(kuò)大化處理）分析、推理、論證后（具體過(guò)程在下一部分論述），得出浮力與深度沒(méi)有關(guān)系，在此過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)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(xué)習(xí)過(guò)重力加速度，所以我們基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行類(lèi)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(xué)做好鋪墊;由上文公式Fy=may，進(jìn)一步可以寫(xiě)出F■-G■=may，那么由圖像可知ay不變，G■為固定值，可推導(dǎo)出F■不變，而在此過(guò)程中深度（y）卻在改變，從而進(jìn)一步得出浮力與深度為“偽”關(guān)系。

3? ? 結(jié)束語(yǔ)

問(wèn)題驅(qū)動(dòng)存在于教學(xué)的每個(gè)環(huán)節(jié)，如教師的思考以及教師有意識(shí)安排下的學(xué)生思考，而在設(shè)計(jì)學(xué)生的預(yù)設(shè)問(wèn)題時(shí)，應(yīng)符合學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)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(guān)表征，打破學(xué)生對(duì)浮力與深度有關(guān)的錯(cuò)誤前概念，并在此過(guò)程中內(nèi)化物理觀(guān)念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力;在以后的教學(xué)中應(yīng)保持不斷增強(qiáng)教師專(zhuān)業(yè)能力的意識(shí)，仔細(xì)研讀教材，選擇適合且高效的教學(xué)工具，提高課堂效果，并在師生交互過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]季蓉，陳嫻.中學(xué)物理演示實(shí)驗(yàn)室資源的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究[J].物理之友，2019（6）：4-6.

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

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）