蒋蕊 赵宁
摘 要：基于不同版本物理教科书浮力一章内容的设计，进行比较分析，结合课标得到本章节的逻辑思维进阶模式.教师依据学习进阶理论进行复习课的设计，根据学生思维的进阶发展能力开展复习课教学，培养学生物理学科核心素养，逐步提升学生创新意识、理论分析和推理论证能力.
关键词：学习进阶;创新;物理核心素养;思维
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）18-0015-04
基金项目：宁夏第五届基础教育教学课题“初中物理教学中创新型教具自制的实践研究”（项目编号：JXKT-WL-05-006）.
作者简介：蒋蕊（1998-），女，甘肃泾川人，硕士研究生，研究方向：中学物理教学;
赵宁（1986-），男，宁夏银川人，硕士，中学一级教师，研究方向：中学物理教学.
2004年，史密斯（Carol Smith）等学者针对美国教育现状提出学习进阶，最初应用在美国.随着学习进阶理论在国外迅速发展和广泛应用，我国教育研究者开始关注该教学策略，由于学习进阶的教学理念与我国教育改革理念相吻合，21世纪学习进阶理论开始逐渐被引用到我国，众多学者开始研究并将进阶学习应用到物理课堂教学之中.众所周知，物理知识的学习必须循序渐进，如果缺乏统筹的规划和设计，就会使学生学习出现断层和知识碎片化的现象.这与学习进阶的理念不谋而合，所以利用学习进阶理论进行统筹设计，将学习进阶理论与实际的物理教学相结合，在连贯的学习过程中不断落实物理学科核心素养，可以帮助学生逐渐深入地理解物理知识，加深对物理知识的思考，有利于发展学生的思维，培养学生的探究能力和创新能力.本文在对不同版本的教材进行分析的基础上，结合课标对“浮力”课程内容进行设计，探究学习进阶理论对于教学实践的具体应用.
1 不同版本教材对比分析
教科书是教师教学的主要依据，也是学生学习知识的主要工具.教科书的内容编排间接影响教学质量.不同版本教材在编制时的关注点和逻辑顺序有所不同.本文以初中物理八年级下册浮力章节为例，结合《义务教育物理课程标准（2011年版）》中课程内容的要求（见表1）对人教版、北师大版、教科版等多个版本教材中的学习进阶设计进行了比较和分析，并对教材内容的编排是否有效促进学生的进阶学习进行多维度对比.
基于不同版本教材内容对比分析发现，各版本在浮力章节内容编排思路符合知识由浅入深、由易到难的逻辑，符合学生的心理特征、年龄特点及认知水平.在浮力部分的学习进阶顺序为：浮力的概念、浮力大小和方向、探究浮力大小与哪些因素有关、得到阿基米德原理、物体的浮与沉、浮力在生产生活中的应用.各教材对浮力这一章节的思維进阶基本一致，都遵从以上的思维逻辑顺序.教师在教学过程中应该将物理知识情境化，通过学生分析问题、解决问题时表现出来，也通过分析问题、解决问题促进其自身发展，由传统的低阶思维向高阶思维转化（见表2）.
2 基于学习进阶的教学模型设计（见表3）
在初中阶段的浮力相关知识中，浮力的概念是基础，阿基米德原理和物体的浮沉条件是解题关键，考题多以浮力结合密度等相关的知识考查学生对知识的掌握程度.在教学时，教师应以浮力的概念为出发点，以浮力的规律为聚焦点，以受力分析和几何关系等几个要点为突破点，逐个击破浮力这一章的难点.所谓突破点也就是学习进阶的节点，在学生的思维发展过程中，教师应引导学生突破这几个关键的节点，进而提高学生理解、运用浮力知识的能力.
3 基于学习进阶的复习课设计
笔者基于学习进阶理论设计了“浮力”复习课.在进阶过程中，教师在复习课中引导学生聚焦科学思维和逻辑，促进学生物理学科核心素养的发展;让学生基于观察和实验提出物理问题、对实验过程和结论进行交流评估;让学生掌握科学的物理观念并在正确理解物理规律的基础之上解决生活中的实际问题;通过趣味实验解释生活中的现象，逐步让学生形成探索自然的内在动力、持之以恒的科学态度.
3.1 创设情景，激发兴趣，让学生感受浮力的奥妙
问题：如何不触碰树叶，也能让树叶沉到水里呢？
方法：在进行实验验证时，有学生提出，可以用一个口径比树叶大的玻璃杯，杯口向下将叶子按压下去.有的同学立刻提出相反的意见：在操作的过程中，水会全部灌进杯中，叶子会漂浮到杯子的底部，是不可能将叶子沉到水底的.
验证：在不触碰叶子的前提下，用杯子罩着树叶用力向下按，发现树叶慢慢被按到水底.为了得到普遍规律，将树叶换成一个不规则的能够漂浮在水上的物体，比如家中常见的塑料玩具、瓶盖等.
质疑：在进行实验验证的过程中，学生发现了几个有趣的现象.
（1）将杯口向下按压时需要很大的力量.
（2）水平移动杯子，塑料玩具会随着杯子移动.
（3）塑料玩具的上表面是干燥的，没有沾上水滴.
为验证在树叶沉底的状态下，树叶的表面没有沾上水是因为有空气的存在，学生自制实验器材，用家里常用的瓶盖模拟树叶，在瓶盖上方放置淀粉（淀粉遇水则成为粘稠状）进行实验.
实验过程如图1、图2、图3、图4所示.
图1模拟树叶漂浮在水上，图2中瓶盖完全沉底，在放大的图3中可见淀粉仍处于干燥状态，可知淀粉上方有空气的存在.图4中向上移动玻璃杯，瓶盖随之移动.
交流分享：玻璃杯罩在水面上，当用力向下压玻璃杯时，玻璃杯中空气对瓶盖的压力和手作用在玻璃杯上向下的力的合力大于瓶盖受到的浮力，因此水上漂浮的物体被压到水底.
3.2 自主探究，总结规律，体验身边的浮力
趣味小实验：为什么变质的鸡蛋会漂浮？
有些学生留意到正常鸡蛋在投入烧杯水中之后会沉底，变质的鸡蛋却会漂浮.学生用手轻微摇晃鸡蛋，发现浮出水面的部分是空心的，而新鲜沉底的鸡蛋是实心的.学生分组实验，探究原因，测定鸡蛋的密度.
实验器材：弹簧测力计，水，溢水杯，小桶，变质的鸡蛋，针，质量可忽略不计的网兜.
实验步骤：
（1）首先用弹簧测力计悬挂网兜及变质的鸡蛋静止在空气中，读出测力计的示数F.
（2）用弹簧测力计测出空小桶的重力为F1.
（3）将变质的鸡蛋浸在装满水的溢水杯中，用针将鸡蛋慢慢浸入到溢水杯中，直到鸡蛋完全浸没，用小桶接溢水杯溢出的水。用弹簧测力计测出此时小桶和水的总重力为F2.此时计算得到鸡蛋的体积等于排开水的体积.
（4）通过计算得到变质鸡蛋的密度.
交流分享：学生查阅相关资料得知，鸡蛋中75%都是水分，可以通过气孔蒸发.随着放置时间变长，水分的蒸发，鸡蛋的密度就会减小，就会出现空心的感觉.所以不新鲜的鸡蛋就会悬浮在水中或漂浮在水面.这个简单的趣味实验可以激发学生探究的欲望，让学生从生活走向物理，从物理走向社会.
3.3 自制模型，理论分析，培养学生探索自然的内在动力
在学生的前认知中，物理规律是抽象而且深奥的.教师需要设置实验，通过动手实验和定量的分析帮助学生发现前概念的误区并且改正.
在这个阶段，笔者选择制作“蛟龙号”潜水艇的浮力实验.教师为学生提供实验器材，让学生小组合作动手制作“蛟龙号”潜水艇，探究潜水艇的浮沉条件.
第一小组自制的潜水艇模型如图6所示，A是容积为V的玻璃广口瓶，B是软木塞，C是排水管，D是进气管，这套装置放置在圆柱形盛水容器中.当向瓶中吹气或者吸气的时候，潜水艇模型可以运动到液面下任意深度处.水的密度为ρ水.其中软木塞B，细管C、D的体积和重力以及瓶中的空气重力都可以忽略不计.
教师针对学生所做潜水艇模型提出问题.
问题1：同学们是如何实现潜水艇模型上浮或下沉的？
学生回答：若通过细管D向瓶中通入空气，就可以实现潜水艇模型的上浮;吸出瓶中的空气，潜水艇模型就可以下沉.
问题2：其他小组的同学来解释潜水艇模型的原理.
学生思考原因，并用浮力的知识解释现象：向广口瓶中吹入空气之后，瓶中水向外排出，根据浮沉条件可知，此时浮力大于重力，潜水艇模型上浮.合理的情境创设可以激发学生的好奇心，用物理知识解释生活中的各种现象.同学们还可以通过查阅资料进一步了解蛟龙号的浮沉控制，使学生在学习课本知识的同时了解祖国海事方面的前沿科技，激发学生的爱国主义情感.
在学生经历了对浮力的感性认识到理性认知过程，纠正了前概念，掌握浮力基本规律之后，进行发散性思维进阶，培养学生建构模型、科学推理、科学论证、质疑创新等能力.
3.4 思維进阶，举一反三，从特殊到一般建构模型
学习进阶的过程不应该只局限于局部学科知识，应该贯穿于学生的终身学习中.在初中阶段通过实验探究影响浮力大小的因素有两个，液体的密度和物体排开液体的体积.其研究对象为规则的特殊模型，比如正方体、长方体、圆柱体物体.它们的体积都满足棱柱体积计算方法，即：V=Sh.对于一般的不规则物体，它排开液体的体积如何计算呢？在高中阶段我们会学习到微积分，在大学学习了流体力学的知识后，会应用微积分来证明阿基米德原理.从特殊到一般培养学生的高阶思维.
根据流体力学部分知识可知，流体作用于接触表面压力的合力即物体所受的浮力.
如图7所示，物体表面面元dS受到的力等于ρghdS，其中ρ为流体的密度.所有作用于面元上的力沿竖直方向分力之和即浮力，故浮力等于：
积分遍及物体和流体的接触面.式中等于面元dS在水平面上的投影，hcosαdS等于dS上方以cosαdS为底的柱体的体积dV.因此上式积分变为：
积分遍及物体排开的流体的体积.积分正好等于物体排开流体所受的重力用G排表示，则有：F=G排，即阿基米德原理.
4 教学评估与反馈
在复习课的设计中，首先通过精心创设的情景，让学生感受浮力的奥妙，激发学生学习物理的兴趣.接着通过学生自主测定鸡蛋密度的实验，将所学的物理规律应用到生活中，再用自制“蛟龙号”潜水艇，从改变潜水艇重力大小的角度分析潜水艇浮沉条件，在动手实验的过程中，学生的能力得到进一步的提升.依托趣味实验，学生通过小组合作、讨论找到规律、得出结论，从而多角度培养学生科学推理与科学论证的能力，在实验过程中逐层实现学习的进阶.从特殊到一般，最后运用流体力学、微积分的知识证明阿基米德原理，进而提升学生的思维能力，思维得到发散，力求达到学习进阶的更高层级.
根据初中生的特点，在课中设置了不同的情景，充分调动学生学习积极性，分阶段实现进阶学习，让学生充分理解所学知识，达到用知识去解决生活中实际问题的目的，并能将所学知识迁移创新，最终达到提高学生的物理学科核心素养，培养学生创新能力的效果.
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（收稿日期：2021-05-25）
