基于深度学习的浮力实验突破

徐永芝 李传迎

摘 要：浮力部分難教、难学，基于学生的认知起点，巧妙设计科学探究活动，帮助学生建立已有知识经验与新知识的内在关联，完善认知结构，进行迁移运用，促进了学生的深度学习，发展了学生的关键能力.

关键词：深度学习;实验突破;关键能力

文章编号：1008-4134（2019）22-0039 中图分类号：G633.7 文献标识码：B

教育领域中的深度学习（Deep Learning）最早是相对于浅层学习 （Surface Learning） 所提出的概念.1976 年，美国学者马顿（Marton）和萨尔约（Saljo）针对只是孤立记忆和非批判性接收知识的浅层学习，最早提出了“深度学习”的概念，认为深度学习是指在理解的基础上，学习者能够批判地学习新思想和事实，并将它们融入原有的认知结构中，能够在众多思想间进行联系，并能够将已有的知识迁移到新的情境中，做出决策和解决问题的学习[1].我国学者杨清认为课堂深度学习[2]是课堂上学生在教师的引导下，通过对知识的理解与创造，实现认知结构完善、关键能力发展和复杂情感体验的过程.

“浮力”一章，教师难教，学生难学，大家有目共睹. 在浮力实验教学中，教师通过巧妙设计科学探究活动，激活学生的学习动机和相关知识经验，帮助学生建立已有知识经验与新知识的内在关联，纳入自我认知结构，准确提取知识与迁移运用等，促进了学生的深度学习，发展了学生的关键能力，下面结合笔者的教学实践和同仁们交流几个典型案例.

1 发展观念，提高批判思维能力

关于青少年浮力观念发展的调查研究中[3]，认为浮力与深度有关的比例：初中生占19.61%， 高中生占33%，大学生占46.92%，说明在学习过程中该观念不仅没有得到转变，反而得到加强，同时也进一步说明“深度观念”发展比较困难.这是否和初中教学方式有关呢？

鲁科版《物理》八年级下册第55页，探究物体所受浮力与哪些因素有关实验中，实际教学中通常采取两类实验引导学生进行猜想，第一类，将装满水的桶放在脸盆中，用手把饮料罐按入水中，体会用力大小并观察现象.第二类，用弹簧测力计提着物体轻轻放入水中，直到浸没，继续下降，观察测力计示数的变化.不管哪种方式，由于深度变化是直观现象，一部分孩子容易猜想浮力大小与深度有关.胡老师[4]提出，可以通过以下两条路径来进行“错误思维的校正”：一是运用科学探究思想，理解“浮力与深度无关”;二是通过创新探究方案，证明“浮力与深度无关”——在不完全浸没时，改变深度时，控制排开体积相同，从而得出“不管是否浸没，浮力都与深度无关”的结论.

第一条途径是一线教师采用的最普遍的方式，通过实验说明浸没后，排开液体的体积不变，所以浮力与深度无关;浸没前，随着物体深度的增加是表面现象，实质是由于V排增大，使浮力增大不是由于深度变化引起的，这种方式在实际教学中效果较差，因为没有从本质上克服学生错误的前概念，将正确的“深度观念”纳入学生的认知结构中，在后续的练习中发现学生对于浮力大小与深度有关的观念并未得到真正克服.

第二种途径在很多文献中，只停留在画图上，很少在实践层面上出现.实验的难点是不容易寻找适合实验的长方体.一天在用肥皂洗衣服时，突然想到这不就是要寻找的长方体吗？马上找来器材进行实验，但遇到的问题是，肥皂在水里容易溶解，并且如何才能挂在测力计的挂钩上呢？最后想到用胶纸把肥皂密封起来，用胶纸做提手.肥皂竖放时，在体积一半处做上标记，再把肥皂侧放，在体积一半处再做上标记，用弹簧测力计提着肥皂分别侧放和竖放将一半体积浸在水中，控制了V排不变，改变了浸在水中的深度，但测力计拉力示数相同，如图1所示;肥皂浸没时，继续增加深度，测力计示数不发生变化.基于学生的前概念，通过实验引发认知冲突，并将物体受到浮力与深度无关的观念纳入学生的认知结构之中，领略了控制变量法的魅力，促进了学生的深度学习，提高了批判性思维能力.

2 逆向思维，提高创新能力

鲁科版《物理》八年级下册54页“乒乓球在水中的3种状态”是在旧教材的基础上新添加的一个实验.实验如下：将3个乒乓球（第一个装满沙，第2个装适量沙并使其能悬浮在水中，第3个是空心;乒乓球的开口处均用蜡密封）浸没水中，松手后会出现什么现象？为什么？设计者的设计意图非常好，通过改变乒乓球的重力直观演示乒乓球的三种状态（下沉、悬浮和上浮），从而探究物体浮沉时浮力和重力应满足的条件.但本实验的可操作性不强，由于重力的改变不连续，放上一点沙粒就有可能导致乒乓球下沉，取出一点点沙粒，乒乓球又上浮，因此不易调节乒乓球的悬浮状态.“悬浮”状态成了学生的认知空白，这种状态真的存在吗？

在实际教学中，笔者通常课前布置给学生探究“乒乓球在水中的3种状态”实验，通过实验体验费时费力且不易成功.课上引导学生分析，既然改变物体的重力不易实现悬浮，何不逆向思维，改变物体的浮力实现悬浮呢？然后学生分组实验，在先配置的浓盐水中，把一只鸡蛋轻轻地放入其中时处于漂浮状态，由于液体密度的调节是连续的，稍加清水鸡蛋即可悬浮，如图2所示，生活中的一些水果可以替代鸡蛋[5]，例如西红柿、油桃、荔枝、橘子等，其中小西红柿体积小，需要配置的盐水也少，价格还便宜，更适合学生分组实验.通过逆向思维创新实验，促进了学生的深度学习，学生不仅真正见证了什么是“悬浮”，填补了认知结构上的空白，而且学生体验到了成功带来的喜悦，提高了创新能力.

3 定性到定量，提高理解能力

有些版本教材在论述轮船的原理时，采用了利用“空心”的办法增大可以利用的浮力，例如鲁科版《物理》八年级下册60页，具体内容如下：把金属箔卷成一卷放入水中，它能浮在水面上吗？再把它做成中空的筒放入水中，它会沉入水底吗？ 教材的设计意图很好，想通过实验直观地显示“空心”的办法可以增大浮力，但是实际教学中学生只看到是“空心”后金属箔漂浮了，并没有观察到排开水的体积变化，从而没有体验到浮力变大. 因此教师只能通过定性分析的方式进行分析，卷成一卷的金属箔下沉，它所受的浮力小于其重力，做成中空的筒漂浮在水面上，所受浮力等于其重力，因为重力不变，所以漂浮时浮力增大了，再从影响浮力大小的因素角度分析，漂浮时浮力增大的原因是排开水的体积变大了.这种教学方式不仅费时费力，而且上完新课后中等生仍然存在认知困难，为什么“空心”的办法增大了浮力？

为什么教材中金属箔实验漂浮和下沉时排开水的体积变化不明显？从两个方面考虑：一方面，实验所用的金属箔很薄，质量太小，如图3所示，因此排开水的体积相差较少，以4.45g的铜箔为例，沉底时排开水的体积是0.5cm3， 漂浮时排开水的体积是4.45cm3，两次体积相差4.4cm3， 若8.9g的铜箔，沉底排开水的体积是1cm3， 漂浮时排开水的体积是8.9cm3，两次体积相差7.9cm3，可见，金属箔的质量越大，实验效果越明显;另一方面，盛水的烧杯太粗，不容易显示排开水的体积.实际教学中，在金属箔质量一定的情况下，用溢水杯替代烧杯，并用带刻度的小桶收集排开的水，收到了很好的实验效果，如图4所示，实验中用了7 g的铜箔，卷成一卷放入盛满水的溢水杯时，理论上能溢出0.8cm3的水，由于溢水杯溢出的水存在误差，实际操作中几乎没溢出;做成中空的桶放入水中漂浮时，溢出了大约6cm3.这样通过定量测量排开水的体积，直观地证明了铜箔漂浮时比下沉时受到的浮力增大了，学生真正理解了轮船采用“空心”的办法可以增大浮力，将这种观念纳入自我认知结构，提高了学生的理解能力.

4 课后延伸，提高问题解决能力

鲁科版《物理》八年级下册第61页，一艘轮船从海里驶入河里，它受到的重力大小，它受到的浮力，它排开水的体积.（填“变大”“变小” 或“不变” ）学生第一次接触这种实际问题时，将近90%的学生出现错误，认为轮船从海里驶入河里，液体的密度变小，根据F浮=ρ液gV排，所以浮力变小，学生忽略了V排的变化.V排 真的没有变化吗？

借机给学生布置了一个课后实验证明V排的变化，给学生提供的器材是各种规格的橡胶塞，然后带到课堂上来展示，如图5左所示，有的学生把细圆水瓶去底部三分之二，将橡胶塞塞住瓶口，如果瓶子不能平稳地浮在水中，再把适量细沙装入水瓶，放入装有水的杯子中，在瓶子外壁上做出盐水面的标记，然后把水瓶再放入水中，观察此时标注线的位置变化，标注线没入水中，如图5右所示，本方法的难点是如何做标记，因为用笔不易画且不容易画在水瓶上，后来和学生经过反复尝试先用胶纸把红细纸条贴在水瓶上，然后向水瓶里慢慢倒入沙子直至盐水面和红纸条相平，这种标记方法省时省力.

还有的学生利用带有刻度的10mL注射器去掉针头和芯杆，用橡胶塞塞住注射器的一端分别放在盐水和水中，由于注射器有刻度，非常方便地观察到V排的变化，不用做标记，更省时省力，如图6所示.通过课后实验学生见证了V排的变化，重构了自我认知结构，提高了问题解决能力.

物理是由“物”和 “理”二字组成，“物”是事实证据，“理”是理性思维，即物理是以实验为基础，以思维为中心的自然学科.因此，在教学中要充分认识到实验的特殊作用，充分考虑到学生的已有知识和经验，准确确定教学起点，通过改进或创新实验，使学生经历科学探究过程，建立起新旧知识之间的联系，不断完善认知结构，促进迁移运用，从而进行深度学习.

参考文献：

[1] Marton.F，Saljo，R.On Qualitative Differences in Learning：I -Outcome and Process [J]. British Journal of Educational Psychology，1976，46（2）：115-127.

[2]杨清.课堂深度学习：内涵、过程和策略[J].当代教育科学，2018（9）：66-71.

[3]易其顺.关于青少年浮力观念发展的调查研究 [J].中学物理教学参考，2016，35（19）：43-47.

[4] 胡廣形，徐德友.“浮力与深度无关”的教学探讨[J].物理教师，2014（10）：32-33.

[5] 翟晶敏.四种版本物理教材中难点实验的改进与推广[J].中学物理，2019，37（06）：14-17.

（收稿日期：2019-07-12）