基于学习进阶理论的物理教学

朱雨红

摘要：从操作层面来看，基于学习进阶理论的物理教学，首先需要掌握进阶起点，包括学生的生活经验、已掌握的知识及知识结构和思维特点，然后根据事实、映射、关联、系统、整合五个阶段分解学习历程，最后设立本次学习进阶的终点，即教学目标。以“浮力”概念教学为例，说明具体的教学分析和教学过程。

关键词：学习进阶 初中物理 浮力

美国国家研究理事会指出，学习进阶是对学生在一段相当长的时间内学习和探索某一主题时，所遵循的连贯的、逐渐深入的思维路径的描述。我国学者王较过、赵萍萍认为，在时间维度上，学习进阶一般需要学生经历一段成长历程;在内容维度上，进阶的内容是学生的思维建构。还有研究指出，概念学习进阶通常分为经验（事实）、映射、关联、系统、整合五个阶段。

笔者以为，基于学习进阶理论的物理教学，首先需要掌握进阶起点，包括学生的生活经验、已掌握的知识及知识结构和思维特点，然后根据事实、映射、关联、系统、整合五个阶段分解学习历程，最后设立本次学习进阶的终点，即教学目标。本文以苏教版初中物理八年级下册“浮力”为例，阐述具体的教学分析和教学过程。

一、教学分析

（一）进阶起点：学习“浮力”前的学情

1.学生的生活经验：氢气球在空中能腾空而起;密度小于水的物体能浮在水面上，密度大于水的物体将会沉在水底;从水中提物体时用的力比在岸上提同一个物体用的力小;等等。

2.学生已掌握的知识及知识结构：会对物体进行简单的受力分析，知道力与运动的关系，理解物体所受重力大小和方向，掌握物体的质量大小与物质的密度和体积的关系等。

3.学生的思维特点：初中学生经过将近一年的物理学习，已经能从生活现象向物理规律过渡，具备一定的分析、推理、归纳和应用的能力。

（二）进阶历程：“浮力”教学流程分解

由起点向终点进阶的过程会经历事实、映射、关联、系统、整合五个阶段。这五个阶段彼此之间紧密联系，每一阶段为下一阶段的“前概念”，又为上一阶段的“最近发展区”。图1为“浮力”概念的学习进阶历程。

（1）从事实到映射：对浸在水中或空气中的物体进行受力分析，认识浮力。

（2）从映射到关联：用实验引导学生定性探究浮力的影响因素，发现浮力大小与液体的密度、排开液体的体积有关。

（3）从关联到系统：通过理论分析和实验，定量探究浮力大小。

（4）从系统到整合：应用浮力解决简单的实际问题。

（三）进阶终点：“浮力”教学目标

为了给以后的教学提供类似的经验，须对学习进阶过程的每一步（阶段）做出准确的总结，修补各阶段之间的断层，形成体系化的教学。利用学习进阶理论指导“浮力”概念的建构，学生应把握由简单到复杂、由感性到理性、由浅显到深奥的学习进阶思路，并能在解决生产、生活实际问题中尝试应用这种方法，提高分析问题和解决问题的能力。

二、教学过程

（一）从事实到映射：认识浮力

学生学习浮力之前，已经能够分析物体的受力情况。本阶段，主要通过事实呈现，引导学生分析并感受浮力。

结合生活事实举例：以能腾空而起的氢气球为例，氢气球能腾空而起，说明氢气球除受到竖直向下的重力外，还受到空气对它向上托的力，即浮力;以漂浮在海面上的舰艇为例，舰艇静止在海面上，说明舰艇受到的浮力和重力相互平衡，而舰艇受到的重力方向是竖直向下的，那么海水对舰艇的浮力方向就应该竖直向上。

再通过实验引导学生认识到下沉的物体也受到竖直向上的浮力的作用，且浮力大小可以利用弹簧测力计来测量：如图2所示，将悬挂在弹簧测力计下的金属块放入水中，弹簧测力计的示数会变小。这一现象说明：下沉的物体受到浮力，且通过分析可知，物体所受浮力的大小等于两次弹簧测力计示数之差。

（二）从映射到关联：探究浮力的影响因素

在上一阶段认识浮力之后，學生了解到不同的物体受到的浮力大小不同，自然生成对浮力影响因素的猜想。

引导学生观察一些生活现象，如：人能自然浮在死海海面上，而不能自然浮在河水水面上;从井中提物体时，物体露出水面的部分越多，提的力越大;等等。学生可以猜想出浮力大小可能与液体的密度和排开液体的体积有关，并设计实验完成探究。设计的3个探究实验如下：

探究实验1（如图3所示）：将圆柱状物体逐渐浸入水中，直到浸没，观察到弹簧测力计的示数逐渐减小，说明浮力逐渐增大;而当物体逐渐浸入水中时，排开液体体积是逐渐增大的。

分析该现象得到相应的结论：物体所受的浮力大小与排开液体的体积有关。

探究实验2：在探究实验1的基础上，改变圆柱状物体浸没在水中的深度，观察到弹簧测力计的示数不变，说明物体所受的浮力大小不变。

进一步分析得出：浸没在液体中的物体所受的浮力大小与浸没的深度无关。

探究实验3（如图4所示）：将圆柱状物体分别浸没在水和浓盐水中，比较两个弹簧测力计的示数，发现浸没在浓盐水中的弹簧测力计的示数小于浸没在水中的弹簧测力计的示数，说明物体浸没在浓盐水中所受的浮力比浸没在水中所受的浮力大。

进一步分析说明：浸在液体中的物体所受的浮力大小与液体的密度有关。

由这3个实验，学生定性探究出影响浮力大小的因素并得出相应的结论：液体密度相同时，排开液体体积越大，物体所受的浮力越大;排开液体体积相同时，液体的密度越大，物体所受的浮力越大。

（三）从关联到系统：定量探究浮力大小

1.定量测出物体所受浮力的大小。

下沉的物体所受的浮力可以用F浮=G-F测出，但此公式并不能看出浮力大小与液体密度以及排开液体体积的关系;且上浮和漂浮的物体不能用这种方法测量，存在局限。

根据质量与密度、体积的关系，可知液体的密度和排开液体体积的乘积等于排开液体的质量，而排开液体的质量与重力加速度g的乘积等于排开液体所受的重力。由实验可知，浮力大小與液体的密度和排开液体的体积有关。那么浮力大小与排开液体的重力大小是否有关？它们的关系应该是什么？为此，引导学生设计实验，分别测出浮力大小与排开液体的重力大小，并加以比较。设计的探究实验如下：

探究实验4（如图5所示）：（1）用弹簧测力计测出空小桶的重力G桶;（2）用弹簧测力计测出物体所受的重力G;（3）将物体浸没在水中，待水停止溢出后，读出弹簧测力计的示数F;（4）测出接水后小桶和排开水的总重力G总;（5）分别计算出物体所受的浮力F浮=G-F和排开的水的重力G排=G总-G桶。

发现：F浮=G排。再利用其他物体多次实验后发现：浮力与排开液体的重力大小总是相等的。

2.了解阿基米德原理。

阿基米德原理是“浮力”相关知识的重要内容。这一环节，应让学生知道物理学不仅含有物理知识，而且还含有科学研究的过程与方法、科学态度与科学精神，因而，补充介绍如下相关的物理学史：

传说，古希腊学者阿基米德洗澡时受水从澡盆中溢出现象的启发，解决了鉴定纯金王冠真伪的难题。这实际上是运用了密度的知识，将质量相等的王冠和纯金分别放在盛满水的容器中，由于王冠掺入银后密度减小而（相等质量）体积增大，所以溢出的水就多一些。阿基米德还展开了深入研究，测试各种形状和质量不同的固体排开的液体体积，从而得到了著名的阿基米德原理：浸在液体中的物体所受的浮力大小等于被物体排开液体所受的重力，即F浮=G排。

3.推理论证浮力公式的定量关系。

引导学生经历对浮力公式的推理论证过程，加深对浮力与排开液体的体积以及液体密度关系的理解。

由G排=m排g=ρ液V排g，得F浮=ρ液V排g。公式表明，物体所受的浮力大小与物体排开液体的体积和液体的密度成正比关系，物体排开液体的体积越大，液体的密度越大，物体所受的浮力越大。由此，也进一步证明了影响浮力大小的因素是排开液体的体积和液体的密度。

（四）从系统到整合：不同情境下浮力的计算

浮力大小计算一直是学生学习的难点。本课整合阶段，设置相关练习，列举在不同的物理情境下如何根据已知条件选择合适的浮力计算公式，来解决实际问题。

问题1一同学在岸上最多能搬起质量为30 kg的石块。若石块的密度是2.5×103 kg/m3，则该同学在水中最多能搬起质量为_____________kg的石块（石块不露出水面），这时石块受到的浮力是____________N（ρ水=1.0×103 kg/m3，g取10 N/kg）。

让学生从实际问题中找出与物理知识点相关的信息，并能用浮力知识予以解决。

问题2将一个密度为0.9×103 kg/m3的实心小球，先后浸没在水和酒精中，小球静止时排开水和酒精的体积分别为V1和V2。小球在水和酒精中所受的浮力分别为F1和F2，以下判断正确的是（）。（ρ酒精=0.8×103 kg/m3）

A. V1∶V2=1∶1，F1∶F2=5∶4

B. V1∶V2=4∶5，F1∶F2=1∶1

C. V1∶V2=9∶10，F1∶F2=9∶8

D. V1∶V2=8∶9，F1∶F2=10∶9

物体在液体中的状态不同，求解浮力大小的思考角度也就不同。当物体在液体中浮沉状态不明时，需要先判断物体的浮沉状态，再求浮力。

问题3农民需要密度为1.15×103 kg/m3的盐水选种。小华制作了一个简易密度计：用一根长16 cm的饮料吸管，将一些铁丝从下端塞入并用石蜡封口，使吸管在液体中漂浮时能保持在____________方向。把简易密度计放入水中，露出水面的长度为9.7 cm;再将其放入所配的盐水中，露出盐水的长度为10 cm。根据算出的结果，小华应向盐水中加适当的____________（选填“盐”或“水”），才能配置出符合要求的盐水。

让学生在建立浮力概念、认识阿基米德原理及物体的浮沉条件后，用掌握的浮力知识来分析解决生活中的实际问题，如盐水选种、打捞沉船、测定人体血液的密度等。

参考文献：

[1] 王较过，赵萍萍.概念图在中学物理核心概念学习进阶中的应用[J].中学物理教学参考，2015（21）.

[2] 张兴梅.学习进阶理论下的初中压强概念教学[J].中学物理教学参考，2019（2）.

[3] 李明丽，张鹏宇，龙欣.学习进阶视域下的物理教学——以“探究弹性势能的表达式”为例[J].湖南中学教育，2019（6）.

[4] 田鹏.核心概念学习进阶在中学物理教学中的应用研究——以运动学研究为例[J].物理教学，2016（8）.