學科實踐:讓學生發現著長大
——以蘇科版“液體壓強”教學為例

張步青 張世成 王紅芳

(1. 丹陽市第三中學,江蘇 鎮江 212300; 2. 梁溪區教師發展中心,江蘇 無錫 214000; 3. 丹陽市云陽學校,江蘇 鎮江 212300)

學科實踐是指具有學科特色的典型實踐,即學科專業共同體懷著共同的愿景與價值觀,運用該學科的概念、思想與工具,整合心理過程與操控技能,解決真實情境中的問題的一套典型做法.[1]初中物理學科實踐就是運用初中物理學科特有的方式學習,讓學生發現著長大的過程.下面結合蘇科版“液體壓強”教學談談我們的實踐.

1 親身體驗,發現學習的主題

學生對液體壓強沒有經驗,常規的課堂教學、教師演示、學生觀察體驗不深刻.所以筆者設計了3個分組實驗讓學生親身體驗.

實驗1水對杯底有壓強.如圖1所示,每組學生向玻璃管內加水,觀察玻璃管底部橡皮膜的形狀有什么變化?體驗到水對杯底產生了壓強,使橡皮膜發生了形變.

圖1 水對杯底的壓強

實驗2水對容器側壁有壓強.如圖2所示,每組學生提起其中裝著水的保鮮袋,學生用手指頂一下保鮮袋.手指會有什么感覺?體驗到水頂著手指.教師再解開綁繩,因為水具有流動性,我們看到水向四周散開,因此對側壁產生壓強.水具有重力和流動性,水不僅能對容器底產生壓強,也能對容器側壁產生壓強.

圖2 水對容器側壁的壓強

實驗3液體內部有壓強.如圖3所示,我們為每組準備了一個高約半米的大圓筒,讓每組的學生將塑料袋套在手上,把手緩緩浸入大容器的水中,并將手向各個方向輕輕轉動.手有什么感覺?學生會發現手被塑料袋貼緊,深度越深,壓強越大,指尖感覺到的壓強與手臂的感覺明顯不同.改變方向時,感受到水的各個方向都對塑料袋擠壓,這個感覺很明顯.經過實驗,學生可以清楚地明白,液體內部有壓強.

圖3 液體內部的壓強

學生很自然發現學習的主題:液體內部的壓強與哪些因素有關?

2 思維沖突,發現教學的起點

假如讓我把全部教育心理學僅僅歸結為一條原理的話,那么,我將一言以蔽之:影響學習的唯一重要因素就是學習者已經知道了什么.要探明這一點,并據此進行教學.——奧蘇貝爾.為發現學生學習的起點在哪里,在教學的開始,筆者設計一個前側,桌面上放甲、乙兩個燒杯,甲燒杯比乙燒杯粗一點,將水倒入燒杯內,水的深度是一樣,如圖4所示.水對甲、乙容器底部的壓強到底哪個大呢?理由是什么?

圖4 探究壓強大小實驗

一個班有50名學生選擇情況如表1所示.

表1 50名學生選擇情況

從前測中可知:學生對“水對容器底部的壓強”都局限在用p=F/S進行判定,選擇甲容器的學生沒有考慮S的影響、選擇乙容器的學生沒有考慮F的影響,選擇一樣和都有可能的學生考慮了F、S影響,但判定卻不一致,學生無法用已學習知識解決現在的問題,所以就有了學習的必要性.

此時教師給大家介紹一種測定液體內部壓強大小的儀器:如圖5所示,U形液體壓強計,它主要由包了橡皮膜的金屬盒、橡皮管、旋鈕和U形管組成,用手輕壓橡皮膜,可觀察U形管兩端液面出現高度差;增大手的壓力,觀察到U形管兩端液面出現高度差變大;將金屬盒放入水中,觀察到U形管兩端液面出現高度差,說明液體內部存在壓強,U形管兩端液面高度差的大小反映液體內部壓強的大小,這是一種“轉換法”;[2]金屬盒可以通過旋轉改變朝向,也可以改變在液體中的深度.課堂上讓學生練習使用U形壓強計,并比較水對粗筒、細筒底部的壓強,發現兩者相等.此處的設計可謂是“一石二鳥”,既學會了壓強計的使用為后面的探究做好準備,又得到了水的深度一樣,水對粗筒容器底部、細筒容器底部的壓強相等,進一步分析即水對容器底部的壓強與液體的重力無關的結論實驗.通過前測找到學生的學習起點,引導學生走向學習目標,達成學習目標,促進素養的發展,達成育人目的.

圖5 U形液體壓強計

3 進階探究,發現思維的深刻

我們的學科愿景:以物理知識為載體來滲透物理學科思想,實施科學探究,讓學生在學科素養表現中培養學科素養.“液體的壓強”是蘇科版《物理》8年級下冊的內容,此部分內容比較抽象難懂.課標對“液體壓強”的教學要求是“通過實驗,探究并了解液體壓強與哪些因素有關”.我們分析課標的要求:重在讓學生充分經歷探究過程,將思考的方法和過程展示出來.科學探究有提出問題、猜想假設、設計方案、收集證據、評價交流這些步驟,內容較多,如何處理呢?近幾年,筆者一直在致力于“有空間感”的課堂探索,首先就要立足于“有限”,課堂上,我們學的東西必須是有限的,如果學習的東西太多就會把課堂空間塞滿,學生的思維會被縛住.只有有限的課堂,才能給學生的發展帶來無限的可能性![3]

我們要用“針尖的力量”,促進思維的深刻性,而不是平均用力,學生會的不講,講了學生也不懂的也要少講,課堂主要是根據學生的認知水平,在教師的引導下,學生能夠領悟和提升的那些內容.我們重點選擇控制變量法的進階使用重點突破.

教師演示用儀器:底部有橡皮膜的玻璃管、裝滿水的薄塑料袋、U形管壓強計、水、鹽水、盛水的大圓筒.學生用儀器:U形管壓強計、刻度尺、燒杯、水、鹽水、一個塑料袋、一段橡膠軟管、一個小漏斗、細棉線、1.5 m左右的細竹竿.

3.1 應用控制變量法,進行實驗探究

學生分組分別探究液體壓強與方向的關系、與深度的關系、與密度的關系.學生分組活動前教師利用問題鏈引導學生思考.實驗中應該控制什么因素?如何改變其變量?如何比較液體內部壓強的大小?實驗中觀察到什么現象?獲得什么結論?學生小組討論,教師巡視,為偏離航向的小組指導調整.[4]得出了:同一深度處液體向各個方向的壓強相等;同種液體內部的壓強隨液體深度的增加而增大;同一深度處,液體的密度越大,液體的壓強越大.

3個探究實驗重在規范使用控制變量法,這是第一層次.

3.2 尋找實驗錯誤,理解控制變量法

在學生經歷探究的過程中,去收集學生出現的問題,我們要通過評價促進學生的學習.例如有的組出現如圖6所示的情況.學生認為該實驗可以得出:同一深度,液體的密度越大,液體的壓強越大.讓學生解釋時,發現學生將杯底到U形管壓強計的距離認為是液體的深度,在評價中要讓學生認識控制變量法的變量選擇必須準確.這樣的測量是屬于科學方法應用不到位,所以得到的結論是不可靠的.甄別并自覺使用控制變量法進行探究,這是第二層次.

圖6 液體密度與壓強的關系

3.3 隨心所欲,不逾矩運用控制變量法

我們回到前測“水對甲、乙容器底部的壓強到底哪個大呢?”的實驗.剛才我們是用高的粗筒和細筒進行的探究,現在我們改用桌上的粗細燒杯做一做,將粗細燒杯中倒入相等深度的紅色水.如圖7所示,其中一組學生把包了橡皮膜的金屬盒放到了粗的燒杯底部,讀了左右液面差,兩邊相差16格;然后再把它放到細的燒杯底部,讀了左右液面差,兩邊相差18格;兩次橡皮膜的金屬盒深度一樣,液體密度一樣,按理說得到的結論應當一樣,可是為什么最后得到的高度差不一樣?是不是偶然?結果發現全班各個小組都有這樣的情況.這是對控制變量的更高層級的一個使用,為何會出現如此情況?學生們經過認真的反思討論以后發現,因為把包了橡皮膜的金屬盒放進去以后,粗的燒杯里的液面上升的幅度小,細的燒杯里的液面上升的幅度大!學生豁然開朗.為何用大圓筒進行實驗時,沒有這樣的現象,師生分析由于大圓筒中水多,包了橡皮膜的金屬盒放入水中水面的變化很小,可以忽略.

圖7 粗細燒杯測壓強

此處的控制變量法的使用展示了物理學科的靈魂,學生達到隨心所欲,不逾矩的自覺,這是第三層次.在3次使用控制變量法進行探究中,規范使用控制變量法,這是第一層次;甄別并自覺使用控制變量法,這是第二層次;隨心所欲,不逾矩地自覺使用控制變量法,這是第三層次.

我們通過建設“有空間感”的課堂,用“針尖的力量”,促進學生的思維走向深刻.在3次使用控制變量法中滲透了物理思想進階,探究了液體壓強與方向的關系、與深度的關系、與密度的關系,實際上探究式學習方式本身也是學生重要的學習內容.

4 應用創新,發現學習的價值

人是一顆蘆葦,因為思考才顯得高貴——帕斯卡爾.我們學習的目的不只是質疑,更是為了創新,為解決探頭放入液體中液面上升對實驗的影響,我們要對實驗進行改進,于是教師就提出:用如圖8裝置,如何操作來探究液體壓強與液體的重力關系?

圖8 改進后裝置

4.1 裝置優化改進方法

學生分組討論,找出裝置改進方法首先是隔板不要放在中間,要偏到一邊;其次要在兩邊加相同的液體到左右液面相平.這樣可以控制液體的深度一樣,兩邊的液體的重力不同.然后我們觀察橡皮膜,發現橡皮膜相平,說明橡皮膜左右兩邊的液體壓強相等,我們知道同種液體內部,同一深度各個方向壓強相等,與橡皮膜同一深度的液體平面,受到向下的壓強都相等,由此判定:液體內部的壓強與液體的重力無關!讓學生在不斷改進優化實驗的過程中,可以對“液體的重力越大,產生的壓強越大”錯誤前概念進行轉變;可以深度考查學生應用控制變量法的能力;可以考查學生對液體內部壓強與方向的關系、與深度的關系的使用;可以考查學生將液體的壓強轉化為橡皮膜的形變,將同一深度側面的壓強轉化為水平面的壓強等兩次靈活使用轉化法.讓學生領會了物理學科的靈魂,讓學生有證據地思考,有條理地思考,有深度地思考.

4.2 自制“帕斯卡裂桶實驗”演示器

下面我們各組利用桌上一個塑料袋、一段橡膠軟管和一個小漏斗、細棉線、1.5 m左右的細竹竿,制成了一個只要一杯水就可以讓塑料袋脹裂的壓強演示器.學生之間相互交流、相互啟發、動手實驗,多數小組采用圖9的方法用比較少的水,將小漏斗和橡膠軟管內倒滿水,用細竹竿提高小漏斗和橡膠軟管的高度,讓水的深度提高,產生相當大的壓強,各小組都能讓塑料袋脹裂,教室內的學生興奮不已.教師再向學生介紹如圖10所示的帕斯卡裂桶實驗,剛才大家經過艱辛的歷程探索得到,影響液體壓強的因素是液體的深度和液體的密度,跟液體的重力無關.多年的教學經驗告訴我們,與其教師把感受、結論、技能要點告訴學生,不如設計項目活動讓學生自己在體驗中、在探索中、在實踐中獲得.[5]

圖9 自制演示實驗

圖10 帕斯卡裂桶實驗

我們通過真實性項目:改進實驗儀器、自制“帕斯卡裂桶實驗”演示器,讓學生感受到學習的價值.這個真實性是區別于我們做試卷上題目的解題評價.例如說課本里一個題目,攔河大壩為什么上窄下寬?如果我們僅用這個題目評價學生學習液體壓強的效果,我們認為是存在一個不良的導向,因為它沒有指向學習的經歷,沒有指向學生的創造.一些教師可能壓縮學生的探究歷程,讓學生快速得到結論,依據結論解釋,因為上面的水深度小,壓強小,下面水深度大,壓強大,為了承受這個大的壓強,底部要修厚一點.這樣的學習方式更偏向記憶,沒有體現出做中學、用中學、創中學,沒有體現出經過探究發現規律之后來解決真實問題的價值.項目化評價PK解題評價,從分數比較兩種評價方式,學生的得分可能差不多,但是從物理學科本質的理解,從學科育人的角度而言,我們堅決提倡把解題變成做項目.讓學生始終對物理實驗充滿熱愛,自覺地運用物理規律來解決生活中真實存在的問題,我們要追求讓學生永葆好奇心、求知欲和理解力,這是學科育人的真正價值.

5 結語

我們理解的初中物理學科實踐:讓學生發現著長大.親身體驗,發現學習的主題;思維沖突,發現教學的起點;進階探究,發現思維的深刻;應用創新,發現學習的價值.我們的目標要通過學科實踐開展學科育人.通過前測找到教學的起點并依此教學,讓學生學得進;同時結合材料,在教學中滲透物理學科的思想和方法,讓他們經歷科學探究,發揮初中物理學科的最大育人價值.學生在物理探究問題過程中實現有證據地思考,有調整地思考,有深度地思考,讓學生想得透;最后我們要評價學科育人的成效,要讓學生能解決真實問題,在這個過程中發展學生的核心素養,讓學生用得出.教學中學生的思維經歷了從低階走向高階,學生控制變量法的思想得到了進階,轉化法的應用能力有了提升,批判性思維變深刻、創造性思維變活躍.構建了如圖11所示的科學思維層級關系圖.物理學科實踐,我們提倡讓每一個學生在學習中經歷物理概念和物理規律的誕生和使用過程,讓探究與創造成為學生的學習和生活方式,讓每一個學生創造著長大,發現著長大.

圖11