基于学习进阶理论的“浮力”教学设计与分析

［摘 要］“浮力”是初中物理教学中的难点，将学习进阶理论运用到“浮力”教学中，围绕核心概念和关键能力，帮助学生构建合适的进阶路径，有助于促进学生深度学习、发展学生的学科素养。

［关键词］学习进阶；浮力；初中物理；学科素养

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0028-03

学习进阶描述的是在教学影响下的学生在某领域认知发展的蓝图［1］。学习进阶刻画的是学生思维发展的过程，包括知识内容的进阶和关键能力的进阶。就初中学生而言，虽然他们在学习“浮力”这部分内容时已初步具备了物理学科的思维方法和能力，但总体仍以形象思维为主，需要教师在教学过程中根据教学内容和学生的实际情况设计符合学生认知发展规律的学习路径，以帮助学生加深理解、发展思维、提升能力。

一、分析学情，把握经验起点

（一）经验基础

与浮力有关的现象在生活中比较常见，所以学生对浮力的存在与影响因素有许多生活经验。例如，乒乓球能漂浮在水面，石块会沉入水底，在水中加盐能使下沉的鸡蛋上浮等。这些生活经验虽会让学生对浮力及其影响因素有一个初步的认识，但也让学生对浮力有一些错误的认知，如重的物体在水中会下沉，轻的物体在水中會上浮，物体浸没得越深受到的浮力越大等。

（二）知识基础

学生已经对力的基本概念有比较清晰的认识，已学过弹力、重力和摩擦力，知道力的三要素，会用弹簧测力计测量力的大小，能对物体进行受力分析，会解决“二力平衡”问题，知道力与运动的关系，这些都是浮力概念建立的基础。但随着学习的深入，学生需要对“非平衡状态的物体”和“受到多个力的物体”进行受力分析，因此对学生的思维能力和综合运用能力提出了更高的要求。

二、研究教材，规划进阶路径

《义务教育物理课程标准（2022年版）》对浮力内容的要求是：通过实验，认识浮力；探究并了解浮力大小与哪些因素有关；知道阿基米德原理，能运用物体的浮沉条件说明生产生活中的有关现象。苏科版物理八年级下册教材安排了与“浮力”相关的两节内容，分别是“浮力”（第十章第四节）和“物体的浮与沉”（第十章第五节）。虽然只有两节内容，但是教师在进行教学设计时还是应该依据“单元教学”设计理念，优化学生物理核心素养养成的思维构建路径，促进学生达成知识结构化、素养内禀化、能力外显化的目的［2］。

基于学习进阶理论的教学设计有两大核心要素：进阶内容和进阶层级。教师应根据教学内容和学生已有经验，明确进阶起点，再根据学生学习后的预期表现和获得的关键能力确立进阶终点。学生在进阶过程中容易产生一些错误思维，需要教师设计出合理的学习路径，帮助学生搭建“思维台阶”突破迷思，真正实现思维进阶［3］。“浮力”内容新授课的进阶过程见表1，一般需要2～3个学时。

三、设计活动，指向素养发展

（一）创设恰当情境，唤醒已有经验

［教学片段1］

教师将一个密度略大于水的土豆放入水中后，土豆沉入水底。

师：有什么办法让沉在水底的土豆浮起来？

生：往水里加盐。

师：（往水中加盐并搅拌）土豆果然浮起来了，你们知道土豆为什么会浮起来吗？

生：因为受到浮力的作用。

师：浸在液体中的物体受到液体对它向上托的力，这个力叫浮力，那浸在气体中的物体是否也受到浮力的作用呢？

生：应该也受到，我们小时候买的氢气球（实际充的是氦气），如果没抓牢会往天上飘。

师：浸在液体或气体中的物体都会受到向上的浮力作用，那这个力的方向是竖直向上还是斜向上？有办法验证你们的想法吗？

生：土豆漂浮在水面保持静止，此时浮力与重力是一对平衡力，因为重力的方向是竖直向下的，所以浮力的方向应该是竖直向上。

……

评析：小学科学课关于浮力的知识，虽然可以让学生想到“往水里加盐，使土豆上浮”的办法，但学生对浮力的方向并不十分明确。教学中，教师应引导学生运用“二力平衡”知识来判断漂浮物体所受浮力的方向，实现知识的迁移和运用。此外，教师还可以提醒学生回忆“判断重力方向”的方法，引导学生设计出如图1所示的实验。虽然“浮力概念的建立”和“浮力方向的判断”不是本节课的重点，但在条件允许的情况下，适当地将教学过程“复杂化”一些，有助于加深学生对概念的理解，也有助于发展学生的多元化思维。

（二）科学推理，建构物理模型

［教学片段2］

教师将漂浮在盐水中的土豆拿出，再次放入清水中。

师：在液体中上浮的物体受到浮力的作用，那下沉的物体是否也受到浮力的作用？

生：可能也受到浮力的作用，我和某同学一起去游泳，在水中感觉人变轻了。

师：这位同学说 “物体浸入水中会变轻”，你能设计实验来验证吗？

生：用弹簧测力计测出物体的重力，再将其浸入水中，观察弹簧测力计的示数是否发生改变。

师：注意，选取的研究对象应该是放在水中会下沉的物体。

……

评析：这部分教学及其主要目的，一是让学生明确下沉的物体也受到浮力的作用，二是让学生掌握“称重法”测浮力。“称重法”的本质是“同一直线上的三力平衡”的受力分析模型。在学生看到“将物体浸入水中，弹簧测力计的示数变小”后，教师应引导学生对该物体进行受力分析并思考，此时物体受到的拉力小于重力，但物体处于平衡状态，依据“平衡力”的知识分析可知，该物体必然还受到一个向上的力，这个力就是浮力，大小等于重力与拉力之差，以此让学生在观察、分析、推理的过程中发展模型建构和推理论证的能力。

（三）科学方法，关注思想内核

探究影响浮力大小的因素是浮力教学的难点，而控制变量法的思想内核是教学的重点。对于控制变量法，三个问题非常重要：如何测量因变量？怎样改变自变量？如何控制变量？在教学实践中笔者发现：受“影响液体压强因素”实验的影响，总会有学生提出“浸入液体的深度越深，物体所受浮力越大”的猜想。针对这种猜想，一般的处理方式是：在物体完全浸没后，增加物体浸没的深度（不碰底），弹簧测力计的示数不变，从而证明浮力与物体浸没的深度无关。但由此也让学生产生了一个新的疑惑：未完全浸没时，物体受到的浮力大小与深度有关吗？针对这个疑惑，教师可以设计如下进阶问题串：如何测量物体受到的浮力？需要保持哪些量不变？在物体不完全浸没的情况下，怎样保证物体排开液体的体积相同但浸入液体的深度不同？通过讨论，最终可以设计出如下实验（如图2）：先将一块长方形的铝块竖着悬挂，一半浸入水中；再将其横着悬挂，一半浸入水中（保证排开水的体积不变）；最后测得铝块两次受到的浮力大小，并进行比较，从而证明“当物体未完全浸没时，物体受到的浮力也与物体浸入液体的深度无关”。探究教学不能只关注最终结论的获得，还应重视设计实验方案的过程，这个过程中科学方法的思想内核是关键，它决定了学生对科学方法的理解和迁移。

（四）多措并举，鼓励创新

［教学片段3］

师：根据刚才的活动，我们知道了“浸在液体中的物体受到的浮力大小与液体的密度和物体排开液体的体积有关”，能否将这两个因素合并，提出新的猜想？

生：根据公式“[m=ρV] ”，物体受到的浮力大小可能与排开液体的质量有关。

师：浮力是一种力，能和质量相等吗？

生：可以测量物体排开液体的质量后计算出这部分液体的重力，或者直接测量物体排开液体的重力，再与物体受到的浮力进行比较。

师：你们能想到哪些办法测量物体排开液体的质量或重力？

……

评析：考虑学生能力及课堂容量，苏科版教材的编写者在编排内容时直接呈现阿基米德原理的内容及公式，并在本章结束后的“反思与评价”中安排了一个验证性实验。实际教学中，教师不妨在课堂上多花一点时间，让学生设计实验并通过实验得出阿基米德原理。这样不仅可以加深学生对原理的理解，还有助于发展学生的推理能力和创新精神。

教材给出的实验方案如图3所示。但实际上，学生往往还会提出一些其他的设计方案，如“先用量筒测出物体的体积，再测出等体积水的重力，最后与物体完全浸没在水中时受到的浮力进行比较”“在烧杯中放入适量的水并用笔标记出此时水面的位置，把物体浸没在水中，先测出物体此时受到的浮力，再用注射器吸出烧杯中的一部分水直至液面再次回到标记处，测出被吸出水的重力，并与物体受到的浮力进行比较”……教师应鼓励学生大胆地说出自己的想法，并让学生从可行性的角度对这些方案进行评价，如果确定几种方案都可行，可以在条件允许的情况下让学生自行选择方案进行实验，实验结束后再一起交流结论、验证猜想。思维的培养需要一个长期的过程，课堂教学中，多留出一点时间，让学生进行交流、思考和尝试，有利于学生在这个过程中发展科学思维、培养创新能力。

（五）知识整合，追求真正理解

［教学片段4］

情境1：将一个较小的土豆放入水中后，土豆下沉。

师：能否利用所学知识解释“土豆在清水中下沉、在盐水中上浮”的原因。

生：盐水的密度比清水的大，土豆在清水中受到的浮力小，在盐水中受到的浮力大。

情境2：将一个较大的土豆将放入水中，土豆仍然沉入水底。

师：是否如同学所言“受到的浮力小，所以物体下沉；受到的浮力大，所以物体上浮”？浸没在水中的大土豆受到的浮力比小土豆大，但为什么大土豆还是沉入水底了呢？

生：因为大土豆的重力更大一些。

师：那能否说“重力大的物体放入液体中就会下沉，重力小的物体就会上浮”？

生：这种说法不对，物体的浮沉情况与物体受到的重力和浮力都有关系。

师：具体是什么关系？

生：重力小于浮力时会上浮。

师：能设计个方案用实验验证一下吗？上浮的物体好像没办法用“称重法”测浮力呀！

生：（思考后）先测出土豆的重力，再测出土豆的体积和盐水的密度，用阿基米德原理计算出土豆受到的浮力，再与土豆的重力进行比较。

……

评析：“物体的浮沉条件”这节内容整合了“密度”“阿基米德原理”“力与运动”等相关知识，对学生的思维能力和综合运用能力要求比较高。教师可以展现如图4所示的思维导图，帮助学生厘清概念逻辑、构建相关知识脉络，并让学生运用所学知识解释生产和生活中的一些现象，从而真正达到整合知识内容、提升学生素养的目的。

四、结语

教学实践表明，学生的思维发展不是一个自发的过程，需要教师帮助学生搭建必要的进阶平台、设计恰当的进阶路径，引导学生在促进发展的有意义的物理学习过程中发现问题、解决问题，不断发展高阶思维，从而促进学生深度学习，提升学生的物理学科核心素养［4］。课堂的脚步无须太快，这样教师才能“听到”学生思维“拔节”的声音。

［   参   考   文   献   ］

［1］  姚建欣，何春生.基于学习进阶的中学物理教学改进研究：机械运动与力［M］.北京：北京師范大学出版社，2020.

［2］  忻贤灏，邓志文.基于学习进阶理论的物理教学单元设计实践探索：从课时设计走向单元设计［J］.中学物理，2023（11）：10-15.

［3］  黄冠.基于学习进阶的初、高中物理衔接教学策略［J］.中学物理，2022（16）：14-17.

［4］  李昕.基于深度学习的初中物理教学策略：以初中“浮力”教学为例［J］.中学教学参考，2021（14）：46-47，60.

（责任编辑 易志毅）