基于问题解决的初中物理深度学习的思考与实践——以“物质的密度”为例

顾 健 陆建隆

(1. 西安交通大学苏州附属初级中学,江苏 苏州 215021; 2. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

所谓深度学习,是指在教师引领下,学生围绕着具有挑战性的学习主题,全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程.深度学习具有3个基本特征:注重批判性思维的运用;强调知识的迁移应用;面向问题解决．因此问题解决是深度学习的一个重要落脚点．

本文基于问题解决的视角,以苏科版8年级物理“物质的密度”为例,参考教材内容的编排,探讨初中物理深度学习的教学实施,提升学生的物理学科核心素养．

根据问题解决的一般过程,立足物理课程标准与教材,结合深度学习的特征,整合信息技术融入物理教学,精心编排“物质的密度”的教学设计,培养学生的科学思维能力．义务教育物理课程标准中对密度内容的要求是“通过实验,理解密度．会测量固体和液体的密度．解释生活中一些与密度有关的生活现象”．本节内容主要完成通过实验帮助学生建构密度的概念,并能解释生活中一些现象．笔者以4次辨别区分物质的问题情境贯穿课堂,基于学生已有经验辨别区分铜块和木块,暴露学生的错误生活经验,启动课堂教学;再次计算密度值辨别铜块,形成鉴别物质的一种常规方法,初步认识密度概念;第三次通过区分多个物体的组成成分,培养学生的发散性思维,强化科学方法的应用,反思密度概念的建构过程;最后结合图像及密度值判断未知物体的物质种类,辨证看待利用密度辨别物质种类的方法,充分认识密度的本质特征．

1 引入问题情境,启动学生深度学习

创设学生熟悉的生活情境,联系实际,提升问题解决能力．社会和全球化的情境,引导学生发现社会的变革与进步,拓宽学生的视野．教材中设计“区分表面被涂成相同颜色的铁块和塑料块”的情境,贴近生活实际,引起学生情感上的共鸣．通过教材的“二次开发”,搭建支架式的情境,剖析学生已有的密度的错误前概念．

图1 等体积的小木块和小铜块

情境1:体积相等的小木块和小铜块各1个,请学生加以区分;情境2:体积相等的包裹的1号小木块和2号小铜块(如图1),请学生再次区分;情境3:请一名学生戴上眼罩,两手各托一托盘,分别放入一体积很大的木块(如图2)和刚才的小铜块(木块质量远大于铁块),让该学生区分．

图2 大木块

情境1中学生通过木块和铜块的颜色不同的物理属性来辨别,从表层区分不同的物质．情境2中的物体的颜色未知,学生根据物体的质量的大小来判断铜块和木块,显化学生已有的错误前概念,忽视物体的体积的因素,仅凭物体的质量来区分．进而创设情境3,直观的游戏情境引导学生体会错误前概念引起的巨大反差,由于木块的质量很大学生单手难以托起,深刻体会到“质量大的是铜块,质量小的是木块”是错误的,区分物质时既要看物体的质量,也要看体积．

2 分析问题表征,设计问题解决方案

教材中设计“探究质量与体积的关系”,寻找物体的质量与体积之间的关系．针对教材文本的理解,笔者认为研究主题分为探究同种物质的不同物体的质量与体积的关系或者探究不同物质的不同物体的质量与体积的关系．根据控制变量法的内涵,实验过程中改变物体体积不同,测量物体的质量,寻找两者存在的关系,从而研究对象应选择同种物质构成的不同物体．笔者提供体积不等的长方体铁、铝、木各3个,不选择液体是因为学生尚未学习使用量筒测量液体的体积,容易造成额外的学习负担,组织学生进行小组合作实验．

情境:如图3所示,已知一枚硬币的体积为V,质量为m,依次得出2枚、4枚、n枚硬币的体积和质量．学生感性认识成倍增加的硬币的质量与体积,进行合理猜想．

图3 硬币的质量与体积

实验时设计系列问题驱动学生完成实验设计,问题1:需要直接测量哪几个物理量?问题2:用什么仪器来测量?问题3:测量中需要记录哪些数据?(表格设计)问题4:回顾提出的猜想:同种物质的质量与体积可能成正比．如何处理实验数据,寻找物体的质量与体积的关系呢?联系数学中学生已学的正比例函数,使用比值法处理数据,完善表格设计．应用EXCEL采集学生的实验数据,求得质量与体积的比值,分析单个表格的数据得到同种物质的质量与体积成正比的结论．引导学生综合比较铁、铝和木的数据表格,得到不同物质的质量与体积一般不同的结论,反映不同物质的物理属性,建构密度概念,理解其内涵与外延．学生经历科学探究,阅读教材自主建构密度的概念,理解密度的定义、公式和单位．笔者测量2号小铜块的质量和体积编制例题,要求学生计算2号物体的密度为8.9 g/cm3,并查阅课本密度表,确定构成该物体的物质,揭开2号物体的外壳加以验证．密度表中铜的密度是8.9×103kg/m3,发现单位之间是可以相互转换的．根据密度表筛选信息,基于数据的解释,第二次辨别区分物质,培养学生的证据意识,形成鉴别物质种类的方法,强化密度概念的认识．

3 整合学生知识,实现思维深度加工

教材选择比值法处理数据,没有选择图像法,笔者认为是通过3组质量与体积的数据描点作图,难以寻找物理量之间的关系．若超过3组物体,需要较长的实验时间,而本节课的重点是建构密度的概念,使用天平测量物体的质量,在前面内容中已完成教学要求．但是教材的课后习题中要求学生利用图像法画出蜡块和干松木的质量随体积变化的图像,分析数据得出结论．

通过对教材的认识,笔者设计利用图像法拓展学生对密度知识的应用,创设第3次区分物质的情境．选取学生进行实验的铁、铝和木各3个,将其包裹后编号1-9,提问如何区分出该9个物体?学生提出相同体积的物体,比较它们的质量加以区分;还有提出计算9个物体的密度等．由于同种物质的质量与体积的关系已探究得出结论,使用EXCEL对9个物体,以体积为横坐标、质量为纵坐标,模拟描点作图,呈现图像法在物理问题解决过程中的应用,如图4．融合信息化技术手段,使用取消隐藏的功能,将各个点逐个显示,动态展示作图过程．借助图像,依次呈现4个台阶式问题,满足不同层次的学生的认知需求．问题1:请将这9个物体进行归类,并说明分类依据;问题2:请判断图像中3种物质的密度大小关系;问题3:查阅密度表,确定物质的种类,引导学生认识密度是物质的一种物理属性．

图4 9个物体的质量与体积的关系

学生通过图像,获取相关信息,显示图5,作出物体X的质量与体积的关系,设计问题4:根据铁、铝、木的密度值,请判断物体X的密度范围．将隐藏的物体X的质量与体积的数值显示,判断结果的正确性,判断物体X可能是有什么物质组成的,发现既可能是煤油,也可能是酒精．通过问题解决的过程,深度理解密度概念的本质,提升高阶思维能力,培养学生科学地解释数据与证据的能力．

图5 物体X的质量与体积的关系

4 合理迁移应用,评价深度学习效果

学生在迁移与应用知识的过程中,将所学知识转化解决问题的综合实践能力和创新意识．密度表是反映物质的物理属性的工具,能够科学地解释生活中的一系列现象,同种物质的不同状态的物体的密度不同,如冰和水,解释冬天工作人员将水管包裹避免破裂的现象,使得学习活动不是封闭的环节,而是走向生活社会,展现学生的学习成果．

在课后评价学习反馈时,取出班级学生在运动会上取得的“金牌”,要求学生设计实验方案辨别“金牌”的材质,评估实验方案的可行性,为后面学习测量固体和液体的密度奠定基础．“互联网+”时代的教育时代,为学生的实践活动带来了便利,扫一扫二维码,观察微视频“鸡尾酒”的调制,出现如图6的现象,解释其中的物理原理,尝试调制简易的鸡尾酒,提升科学地解释现象的能力．

图6 鸡尾酒