凸显思维过程 培养思维能力——“浮力”创新实验串联课堂结构案例剖析

鲁佩用 史献计

(1. 南京育英第二外国语学校，江苏 南京 210044; 2. 南京江北新区教育发展中心,江苏 南京 210044)

教学实践经验表明,“浮力”教学重点与难点主要表现在:浮力方向、物体浸没液体前浮力与深度关系、浮力与物体排开液体的体积有关等几个知识的建立与形成过程．针对学生学习特点与认知需要,我们通过创新实验来凸显浮力学习的思维过程,从而帮助学生顺利突破学习困难，收到了良好的教学效果．

1 思维启动:设计冲突情景认识浮力,了解浮力方向

图1

设计:图1所示,用热熔胶在乒乓球的底部固定一个环形强磁铁并放置在透明盛液筒底部,在透明盛液筒外侧底部用一同样的环形强磁铁吸住乒乓球,手掌托住透明盛液筒底部．

问题:如果向筒内倒水会有什么现象?

学生表现:(异口同声地)乒乓球浮上来．

操作:向筒内缓慢地倒入水．

现象:乒乓球并没有浮上来，学生惊讶之时．

操作:隐蔽而迅速移走筒下强磁铁．

现象:乒乓球在水中上浮到水面．

剖析:学生的生活经验是乒乓球在水中会上浮．课堂教学伊始设计一个与学生生活经验不吻合的现象,引起学生思维冲突,让学生自然形成“为什么”的疑问,从而通过视觉感知启动其学习思维．同时,也激发了学生的好奇心．

设计:细线的一端用热熔胶固定在乒乓球外侧,另一端用热熔胶固定在透明水槽底部,将整个装置放在水平放置的两个等高的升降台上．

操作:如图2所所示,向水槽中持续倒水时,让学生观察实验现象．

问题:同学们观察到什么现象,这个现象说明了什么?

回答:乒乓球向上运动,说明浮力方向向上．

问题:静止在水中的乒乓球受到的浮力方向是竖直向上的吗?

分析思考:(学生)观察到乒乓球静止时细线处于拉直状态,并与水面垂直(如图2),说明浮力的方向竖直向上．

设计:提供细线和金属小锥体做成的重锤线,设计问题“能否利用重锤线来判断浮力的方向”.

分析:(学生思考并分析)将重锤线用金属丝挂在水槽正前方的外侧(金属小锥体不与水槽接触),如图3,从水槽正前方看,发现重锤线与水中棉线重合,说明浮力的方向竖直向上．再将右侧的一个升降台调高,让水槽倾斜,如图4,发现重锤线与水中棉线仍然重合,说明静止在水槽中乒乓球受到的浮力方向是竖直向上的．

图3

图4

剖析:通过物体的运动状态较容易判断出浮力的方向向上;在静止的液体中物体所受浮力是竖直向上的,学生可以根据现象作出猜想,但由于学生缺乏体验,不容易通过实验来证明．教学中通过创新实验,不仅增加了可视性、操作方便,而且能够结合具体的现象和分析,引导学生的思维向着严谨性方向发展,同时对学生的创新能力与创新意识也是一种训练．

2 思维过程:过程体验,突破难点,探究浮力影响因素

学情:学生认为浸没前,物体所受到的浮力与深度有关,浸没后与深度无关(有些教师也有此类认识)．

事实上,物体所受浮力大小与所排开的液体(或气体)体积有关,与浸入的深度无关．如何突破这一难点呢?

设计与操作:如图5和6,先用热熔胶将两节干电池固定在一起,再在一端固定一个挂钩,弹簧测力计拉着干电池并慢慢浸入水中．发现弹簧测力计的示数先变小后不变．(这正是学生得出“浸没前,物体所受到的浮力与深度有关,浸没后与深度无关”的实验基础.)

设计与分析:如图7,将下面1节干电池浸没水中,记下此时弹簧测力计的示数F1;如图8,用热熔胶将挂钩固定在与图7相同的2节干电池正中间,弹簧测力计拉着干电池浸入水中,保持与图7浸入水中体积相同,深度不同,再次记下此时弹簧测力计的示数为F2,发现两次弹簧测力计的示数F1=F2.这说明浸没前,物体所受到的浮力也与深度无关．

图5

图6

图7

图8

图9

设计与思考:教师再通过图9手压矿泉水瓶实验,帮助学生分析,浸没前浮力变大的原因是物体浸在液体中的体积发生了改变,即物体排开液体的体积发生了改变．图7和图8实验中浮力不变的原因是控制了两次电池排开水的体积相同,说明浮力与物体排开液体的体积有关．

剖析:图5～图9的设计过程,通过展现实验过程,先通过图5和图6的体验活动引出学生头脑中的错误前概念,然后巧妙地用2节干电池进行探究,不仅解决了物体排开液体体积太小,导致浮力测量不准确的问题,同时方便控制物体排开液体体积相同,再结合图9的体验活动,师生共同分析,不仅顺利突破浮力与物体排开液体体积有关这一教学难点,而且顺利解决了物体浸没前浮力与深度是否有关这一疑惑．

3 思维拓展:注重知识拓展应用,实现学生能力提升

教学中,通过师生共同探究得出浮力与液体的密度和物体排开液体体积有关的定性关系后,出示图10所示的工艺品,并介绍该装置:密封容器中注入某种液体,液体中放入多个玻璃球,球内注入种类和颜色都不同的液体,球的下方金属片上标注各种数值．

实验:如图11和12,将该装置放入冰水混合物中,发现所有的玻璃球都漂浮在液面,然后将该装置放入温水中,慢慢发现标有“18”“20”“22”的玻璃球依次下沉,直到所有的玻璃球都沉入底部．

交流与讨论: (1) 该装置实质是一个温度计; (2) 原理是当该装置由冰水混合物移入温水中后,密封容器中液体受热膨胀,液体密度减小,小球所受浮力变小,当浮力小于重力时,小球下沉．如图12,当标有28 ℃的玻璃球漂浮在液面,标有26 ℃的球悬浮在液体中,并处于稳定状态,则液体的温度以及外界温度在这两者之间．

图10

图11

图12

剖析:教学中不仅要引起思维发生、还要维持思维发展,也需要促进思维向深度提升．学生学习物理知识的目的是要解决实际问题,教学中通过该实验,学生不仅了解该工艺品的实质和原理,更重要的是引导学生学会应用所学知识解决实际问题的能力．