基于物理核心素养的课堂实验教学策略初探

    余伟

    

    

    摘? 要 以初二物理“物体的浮与沉”教学为例，设计课堂实验，通过巧设情境引新知、定性体验探新知、定量实验建新知、模拟结构验新知、模拟应用融新知五个环节，从知识建构、实验探究、思维引导等方面进行初步探索，围绕发展学生的物理学科核心素养，提出课堂实验教学策略。

    关键词 初中物理;核心素养;物体的浮与沉;实验教学

    中图分类号：G633.7? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）17-0125-03

    1 前言

    在初中物理教学中，物理实验在培养学生的思维、探究能力等方面有着不可替代的作用。物理思维、物理概念的建构源于事实经验，从经验事实到体验再认，从定性、定量的探究到规律体系的建立，都离不开物理实验。在课堂教学中，在哪一环节使用演示或分组实验？如何设计学生为主体的探究活动？怎样根据学生的特点和学习的内容设计符合学生认知规律的实验？这都是值得思考的问题。笔者以初二物理“物体的浮与沉”教学为例，设计实验教学，将学科核心素养（物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任）融入教学，进行初步探索。

    2 巧设情境引新知

    学生的生活经验及所学过的知识都是学习新知识的起点，对后续的学习会产生明显影响。在教学设计时可以利用学生在这些熟悉的问题上的似是而非之处，出其不意地展开一幅新的画面，以小而新的演示实验创设情境，吸引学生的眼球。

    教师活动? 教师出示两个“相同”的乒乓球，浸没在清水中，猜想它们会上浮还是下沉？判断的依据是什么？然后松手，发现一个上浮，一个下沉（事先注入盐水）。顺着学生的思路，教师出示一个橘子，削一小片皮，然后一同放入水中，橘子上浮，橘皮下沉。

    学生活动? 学生思考后回答：受到浮力，观察到一个上浮，另一个下沉。学生思考原因进行猜想：是否物体的轻重决定浮沉？观察到重的橘子上浮，而轻的橘皮下沉。

    设计意图? 学生原有的经验中，乒乓球受到浮力会上浮。两个外观相同的乒乓球，出现相反的浮沉状态，引出学生另一知识经验：重的物体会下沉。而接下来的实验中却观察到重的橘子上浮，轻的橘皮下沉，又用实验事实打破学生原有的认知。

    策略小结? 这样的设计引发学生认知上的冲突，从物体受到浮力相同而结果不同，到重的物体反而上浮、轻的物体却下沉的实验事实中，学生经历猜想、判断、验证的积极思维，打破原有经验建立新的经验，激发学生的学习兴趣，点燃学生主动探究、建构新知识的欲望。

    3 定性体验探新知

    在学生原有的经验中，容易提取出物体的浮沉或与物体所受浮力有关，或与物体的重力有关。如何将这两者建立关联，并固着在同一物体上，是浮沉分析的切入点。教师通过分组实验，让学生体验发生在同一物体上的重力或浮力改变时，物体的浮沉状态发生变化。定性的探究体验帮助学生初步建立新的、更为具体的知识结构。

    教师活动? 引导学生分组按要求探究实验，利用同屏、录制技术，展示学生所做实验，邀请学生进行分享、分析。

    学生活动? 學生利用桌上所给的器材（装沙子的塑料瓶、蜡条、用气球包裹的橡皮泥、橡皮泥、铁钉），按以下环节探究：

    猜一猜：所给器材浸没水中时的浮沉状态。

    验一验：将它们浸没水中，检验一下你的猜想。

    变一变：将原来上浮的物体变为下沉或下沉的物体变为上浮。

    想一想：物体的受力情况是否发生改变？若有，改变的是哪个力？增大还是减小？

    画一画：画出浸没在水中的物体的受力示意图。

    将相关信息记录到表1。

    设计意图? 学生亲身体验，让实验现象更加直观、具体。通过生活建立经验，实验获取数据，培养学生小组协作精神。利用信息技术的优势，学生实验过程通过平板同步采集记录，在进行分享时可直接就着自己的实验情境进行，不用再重复操作过程，且用大屏投影，可视效果更好。

    策略小结? 实验看似简单，其实隐含了控制变量的科学研究方法。改变的物理量发生在同一物体上，且只要其中的一个量发生变化，物体的浮沉状态就发生变化，这样让学生经历猜想、探究、思考、表达、分享的过程，通过体验初步建立起关于物体浮沉条件判断的知识框架。

    4 定量实验建新知

    在定性实验的基础上，通过实验探究同一物体下沉、上浮及悬浮时，所受浮力与重力的数量关系，引导学生学会受力分析，从而理清思路，习得物体浮沉条件，建立新的、正确理解物体浮沉的知识体系。

    教师活动? 教师借助鸡蛋帮助学生理清思路，学会受力分析：取一只新鲜鸡蛋，浸没在清水中，引导学生测量其所受浮力及重力的数量关系。教师通过平板直接投屏，提问：如何使鸡蛋上浮？事先配好饱和浓盐水，引导学生加入浓盐水，鸡蛋上浮，对从沉到浮进行受力分析，对从未露出到露出进行受力分析。教师出示事先做好的悬浮鸡蛋，将悬浮与漂浮对比，提问：如何使漂浮的鸡蛋悬浮在水中？引导学生加入清水，得到悬浮，进行受力分析。

    学生活动? 两位学生配合演示测出鸡蛋的重及其浸没水中时受到的浮力;一位学生演示加浓盐水让鸡蛋上浮;一位学生演示加入适量的清水，让鸡蛋悬浮。

    设计意图? 称重法测量物体受到的浮力是本章前两节的内容，通过学生演示、平板投影，从能力培养的角度，促进学生的动手、合作、表达能力的提升;从知识建构的角度，既复习了旧知识，又测出浮力与重力的数量关系，帮助学生逐步建立物体浮沉的新图式。使用盐水使鸡蛋上浮及漂浮，既补充了通过改变液体密度改变浮力这一方法，又可直观地观察到物体漂浮及悬浮。在具体的事例中，引导学生进行受力分析，培养学生分析问题、解决问题的能力。

    策略小结? 实验中用饱和浓盐水替代食盐，既缩短了实验的时间，又保证了实验的成功率。在同伴添加清水的过程中，原来带有神秘色彩的悬浮情景展现在眼前，掌声响起的同时，学生的认知也得到升华。从定性到定量实验，符合学生的认知规律，学生在实验探究过程中逐步深入地习得物理规律，建立认知的新图式，促进物理观念的形成与发展。

    5 模拟结构验新知

    当物体排开液体的体积增大，浮力也增大。这个结论在定性探究环节，学生已有体验，轮船是这一规律的实际应用。将锡箔纸折成小船模拟制成空心结构的轮船的过程，学生能轻松地完成，课堂上重做这一实验，将学生原有的知识经验与新习得的知识建立良好的联系。轮船的排水量是更高层次的理解与应用，通过折船并定向探究载重情况，促进学生理解物理在生活实际中的应用，培养学生更高阶的物理思维。

    教师活动? 让学生利用锡箔纸模拟轮船漂浮，并比赛轮船承载铁钉数量。引导学生觀察船身水位的变化，从而引出吃水线，自然而然过渡到轮船的排水量。

    学生活动? 学生分组动手操作实验，折成纸船、漂浮、逐个加入铁钉，观察锡纸船在承载铁钉数量增加时，排开水的体积的变化，并记录吃水线变化、受到浮力变化和最大承载铁钉数量。

    设计意图? 由模拟结构的实验，唤醒学生原有的知识储备。看似折小船，但不同于生活中的折船（能浮、美观），模拟小船载重体验排水量，从物理走向社会。

    策略小结? 物理与生产、生活实际息息相关，教师在教学过程中应充分挖掘生活中的简单、易操作、可模拟原型结构的小实验，结合新知识，让学生在熟悉的实验过程中去观察、思考新的方向和知识。这一设计可以引导学生利用身边熟悉的材料，去探究物理知识在生产、生活中的实际应用，学生主动参与，融入教学，通过动手、动脑，达到学以致用，习得新知、真知的目的。

    6 模拟应用融新知

    学习轮船的原理，可以模拟制作纸船，从结构特点把握其中蕴含的规律。但学习潜水艇的原理，仅模拟结构是不足以理解其工作原理的，在主体结构不变的情况下，如何实现改变自重，这是一个有趣而又令人难忘的探究过程。教师通过自制教具，学生分组探究，有意识地引导学生在探究中提出问题、解决问题，促进学生核心素养的提升。

    教师活动? 演示模拟潜水器下沉试验，出示自制教具神奇的“小鱼”，如图1所示。演示实验，提问：小鱼为什么可以自由上浮和下沉？通过哪种方式改变自重？出示升级版小鱼。

    学生活动? 学生动手体验浮沉子“小鱼”上浮和下沉，探究其工作原理。当手用力挤压塑料瓶子时，瓶子上方的气体体积减小，气压就把水压到“小鱼”的肚子里，这样“小鱼”的自重增大了，“小鱼”下沉过程中体积不变，受到的浮力不变，所以“小鱼”就下沉了;反之，放手时就上浮。潜水艇通过改变自重来实现上浮或下潜。体验升级版“小鱼”，观察上升、下降时的水位变化。

    设计意图? 模拟潜水器工作时，学生直观地观察到活塞推和拉时，气压的增大和减小，对应进水下沉、出水上浮。浮沉子工作过程，当手用力挤压塑料瓶子时，“小鱼”下沉，松手则“小鱼”上浮;若打开瓶盖，瓶内气压不变，浮沉子不会上浮。引导学生思考改变气压引起浮沉子上浮、下沉，气压变化时，浮沉子的重是如何改变的？第一个浮沉子能引起学生的好奇，但观察不到进水和排水;在浮沉子的下端加上透明吸管后，可以清晰地观察到下沉、上浮时，浮沉子的进水和排水。这一小创意轻松地解释了潜水艇如何改变自重的问题。

    策略小结? 物理课堂教学过程，不仅是教物理知识，更多的是要呈现物理思维和物理方法。从潜艇模型到浮沉子再到浮沉子的升级版，每一个新变化都给学生带来思维上的冲击。在探究中解决问题、发现新问题，清晰地展示思维步骤，促进学生的新知识与技能内化和与原有知识融合，提高学生发现、分析、解决实际问题的能力。

    7 结语

    综上所述，以“物体的浮与沉”这节课的实验设计策略来说：课题的引入，基于学生学习过程中存在的困惑，以小而奇的实验激发学生求知的欲望;新知识的建构过程，以学生为主体，设计定性、定量、模拟结构、模拟应用等环节的分组探究活动，让学生在探究过程中逐步发现自己的生活经验和新知之间存在的矛盾冲突，不断发现问题、解决问题，将学科素养有机地融合在教学中。就实验的选材和组织形式来说，乒乓球、锡纸等，都是一些常见的低成本的材料;学生分组探究，增加了直观感受和动手实践的机会，拉近了学生与物理知识的距离，促进学生从生活走向物理，从物理走向社会，学以致用。许多初中物理知识点可以通过实验探究来建构新知。教师备课时应基于学科核心素养设计教学过程，合理安排实验探究，激发学生积极参与实践、探索，学科核心素养就能真正落实在课堂教学中。■

    参考文献

    [1]胡卫平.物理学科核心素养的内涵与表现[J].中学物理教学参考，2017（8）：1-3.

    [2]林志鹏.初中物理实验教学中学生学科核心素养的培养策略[J].西部素质教育，2019（16）：80，82.

    [3]邢红军，刘烁，张抗抗.核心素养视域下初中生物理能力表现研究[J].课程·教材·教法，2017（8）：53-68.