基于物理核心素养的阿基米德原理深度备课

颜国英 张皓晶 郑原琛 李宝金 张 雄

(云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500)

教育部《关于全面深化课程改革,落实立德树人的根本任务的意见》中提出了核心素养的概念,落实到物理教学中就是要培养学生的物理核心素养.物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力,是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质.物理核心素养主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度.因此,怎样形成和发展学生的物理学科核心素养,是当下物理教学亟待研究破解的重要课题.[1]

阿基米德原理是“浮力”一章的重要内容,是学生学习浮力知识之后的应用升华,也是学习物体沉浮条件的基础和前提.教师在备课过程中,应对排开液体概念、浮力测量和探究浮力大小与排开液体所受的重力的关系这3部分有深入的理解,以此在教学中培养学生.

学生对物理概念的建立一般会经历情景引入概念、深入探究、解释明晰、多维拓展、嵌入课堂的评价这5个阶段[2].本文以阿基米德原理的教学为例,具体阐述基于物理核心素养的4个方面如何设计出具体教学方案.而教学设计的首要任务是要明确教学目标,阿基米德原理的教学从核心素养的4个方面制定如表1所示具体教学目标.

表1 以物理核心素养的4个方面制定的阿基米德原理的具体教学目标

续表

1 物理观念——“排开液体”的概念

人教版教材讲述阿基米德要测量国王王冠是否是纯金制成,最后通过洗澡时得到测量王冠体积的启示,得出物体浸在液体中的体积,就是物体排开液体的体积.进而得出结论:物体排开液体的体积越大,液体的密度越大,它所受的浮力就越大，教材在此基础上提出将易拉罐压入水中进行体验.

制作易拉罐杠杆教具,澄清物理概念.哈伯德教学法提出,学生学习的主要障碍是缺少实物、坡度过陡和词语误解.因此,要帮助学生更好地理解物理概念,就要提供教具实物,设计适当教学的坡度,发现学生易于误解的概念并及时澄清.

教材中易拉罐实验仅仅体现了浸在液体中的物体,会随着浸在液体中体积的改变,排开液体的体积也会改变.充分挖掘易拉罐实验背后的育人价值,有利于澄清物理概念,突破教学难点.查阅物理史实发现,阿基米德在物理学方面的贡献主要有两项,一是浮力问题,二是杠杆问题.因此,引入杠杆改进易拉罐实验,既能贯穿阿基米德的趣味故事,还能体验浮力与排开液体的关系,创设定性演示阿基米德原理的情景,激发学生学习兴趣.

所需器材:杠杆、铁架台支架、未开封的易拉罐、配重盒各一个,空塑料瓶3个,绳子、大吸管、胶枪等若干,电钻一把，如图1所示.

制作方法:

(1) 将用绳子一端穿过杠杆的重心系紧,绳子另一端系在铁架台上,使杠杆水平悬挂;

(2) 2个空塑料瓶割取下半部分,一个备用,一个在开口处钻4个孔,用绳子固定后系在杠杆一端,同时易拉罐用绳子系在该塑料瓶下方;

(3) 杠杆另一端挂上配重盒,放入重物使杠杆水平悬挂后密封好;

(4) 制作溢水杯:空塑料瓶割去瓶口,在瓶身距开口约2cm处钻孔,用胶枪将大吸管水平密封固定在孔上.

图1 自制易拉罐杠杆教具所需器材

实验操作:演示实验前,溢水杯盛满水,备用空塑料瓶放在溢水口处,杠杆保持水平;实验时,先把易拉罐一端轻放入溢水杯中,此时有少部分水溢出,杠杆倾斜,实验现象如图2所示.用手压杠杆把易拉罐一端按入水中,在手感受到浮力的同时,会看到排开的水溢到空塑料杯中;放手后易拉罐一端漂浮在水面上,杠杆倾斜.

图2 易拉罐杠杆放入溢水杯中的状态

实验作用:一是可以观察到物体浸在液体中,会“排开液体”,若盛水塑料杯与易拉罐体积形状相同,还可以直接观察到物体浸在液体中的体积等于排开液体的体积;二是体验到物体排开液体的体积越大,它受到的浮力就越大;三是可以提问学生,如何利用现有器材使杠杆恢复平衡?激发学生思考、探究热情.

2 科学探究——探究浮力大小与排开液体所受重力的关系

2.1 如何处理学生提出的各种猜想

学生提出猜想环节,教师应要求学生说出每一个猜想的依据,这样有利于锻炼学生的逻辑思维.通过前面的学习,学生已经知道了浮力大小和排开液体的体积以及液体的密度有关,引导学生思考这两个物理量之间的关系,得出浮力大小可能与排开液体的质量有关,而浮力与质量是两个不同的物理量,要比较大小还需要进一步推理:物体重力与物体的质量成正比.

因此得出最后猜想:浮力大小可能与排开液体所受的重力有关.

2.2 设计实验方案

教材给出了两次称重法测量浮力大小,涉及的器材比较简单,主要包括弹簧测力计、重物、溢水杯和盛水小桶.测量步骤包括四步:测量物体的重力;记录物体浸在水中时弹簧的读数,并收集溢出的水;测小桶和水的总重;测量小桶的重力.仔细分析发现,要得出最后的实验结论,至少还需要3步:计算物体的浮力;计算溢出水的重力;比较物体的浮力与排出液体所受重力的关系.整个探究过程超出了学生的认知负荷.[4]

有关研究表面,我国中学生的物理认知水平还处在具体运算阶段和前运算阶段,学生的思维水平是远远低于教材要求的.因此需要重新设计阿基米德原理的探究实验减轻学生认知负荷.

实验器材:正方形塑料盒、弹簧测力计、铁架台各两个,溢水杯、黑板各一个，细绳.

制作方法:

(1) 用亚克力板制成长和宽分别是14cm,高30cm的溢水杯,在溢水杯距离开口2cm处设置溢水口,距底部4.5cm和边缘3.5cm处相对的两个面打两个孔,用于固定直径是6cm的定滑轮;

(2) 两个铁架台如图3所示固定好,两个支架上固定两个铁棒,用于悬挂弹簧测力计;

(3) 待测量重物用正方形塑料盒A替代,绳子一端系好塑料盒,一端跨过定滑轮系在弹簧测力计上,当塑料盒漂浮在水面上时重力可忽略不计;

(4) 另一塑料盒B,挂在溢水口处的弹簧测力计上,实验前测力计调零,可忽略塑料盒的重力;

(5) 黑板做背景方便读数和记录相关数据.

图3 自制浮力探究教具所需器材

实验操作:实验前溢水杯盛满水,如图4所示连接好各实验器材.向上移动支架上的铁夹,由于定滑轮的作用,塑料盒A被向下拉,以此改变浸在液体中的体积,此时,弹簧测力计的读数等于塑料盒A所受浮力大小;同时,溢水口处有水溢出流到塑料盒B中,弹簧测力计的读数等于排开液体所受的重力,移动支架上的铁夹可以改变塑料盒B的高度以便收集液体和防止过重碰到桌面.

此实验方案一步到位,可以同时读出浮力大小和排开液体所受重力的大小,省去了复杂的测量和运算;同时,“去掉”了待测物重力的影响,本质地体现了浮力测量的原则;两个塑料盒大小形状相同,再一次观察到物体浸在液体中的体积与排开液体体积的关系.本次探究实验定量演示了阿基米德原理.

图4 自制的浮力探究教具

3 科学思维——思考倾斜杠杆恢复平衡的原因

学以致用的基础是,学生理解物理现象背后的科学思维,并能融会贯通运用物理知识.课前的杠杆演示实验对学生提出了探究要求:如何利用现有的器材使倾斜的杠杆恢复平衡?杠杆由平衡到不平衡,是因为在溢水杯中受到了浮力作用.根据前面的探究实验,学生可以得出阿基米德原理,得知浮力大小等于排开液体所受的重力.而要使杠杆再次平衡,只需将排出的液体倒入易拉罐上端的空塑料瓶即可,此时易拉罐一端受到的浮力与增加在上方的排出液体的重力大小相等,方向相反,如图5所示,杠杆恢复平衡.若本次实验中,必须要用手压杠杆使悬挂的易拉罐完全浸入水中，充分收集排出的液体.否则，若易拉罐一端只浸没一半,排开的液体加入到空塑料瓶中,杠杆并不能恢复平衡，此问题可以引导学生进行深入探究.

图5 易拉罐杠杆在溢水杯中恢复平衡

4 科学态度与责任——对阿基米德原理的证明

在《阿基米德全集》的论浮体I部分有9个命题与浮力相关,其中命题5、6、7证明了阿基米德原理的相关内容.[5]

命题5.如果把比流体轻的任何固体放入流体中,它将刚好沉入到固体重量与它排开流体的重量相等这一种状态.

命题6.如果把一个比流体轻的固体施力沉入流体中,则固体会受到一种浮力作用,这种力等于它排开流体的重量与它本身重量的差.

命题7.如果把一个比流体重的固体放入流体中,它将沉至流体底部.若在流体中称固体,其重量等于其真实重量与排开流体重量的差.

这几个命题的证明,阿基米德遵循了欧几里得的几何证明方法,教学中可以此拓展性知识培养学生严谨求真的科学态度与责任.

学生课后自主探究:自制“国王”玩偶教具如图6所示.“国王”用密度较小防水泡沫材料制成,王冠需固定在密度较大的铁等物体上并置于“国王”头上.假设戴着王冠的微胖国王游泳时漂浮在水面的水位是L1,国王受到的浮力是F1.突然,王冠掉到水底,此时水位是L2,国王受到的浮力是F2,则L2________L1;F2________F1.

图6 国王游泳实验教具

在教学路径设计中明晰重、难点是突破重、难点的重要前提.在重、难点的突破中,学生的最近发展区被不断地向前推进.在分析初中物理课程标准教学要求的基础上,再根据学生认知能力、水平现状,设计了如图7的教学流程.

图7 教学路径设计及重、难点分析

5 小结

核心素养已成为我国物理课程教学改革的顶层设计和实施重点.基于物理核心素养的深度备课,可以让教师及时发现学生对关键词语易引起误解的问题,有利于帮助学生澄清物理概念.自制实验教具,提供给学生进行思考、探究的实物,有利于学生在科学探究过程提高科学思维,培养学生的科学态度与责任.麦克斯韦曾说:“这些实验的教育价值,往往与仪器的复杂性成反比,学生自制的仪器,虽然容易出毛病,但他却会比用仔细调整好的仪器,学到更多的知识.仔细调整的仪器学生易于依赖,而不敢拆成零件.”[6]教师的深度备课,要善于挖掘教材背后的育人价值,同时要有批判性思维,自制适宜的教学仪器,结合物理学史去理解物理概念和规律,设计出符合学生认知发展规律和知识发生规律的教学过程,[7]促进教学相长.