基于问题解决的初中物理深度学习——以“液体的压强”为例

文∣梁晨

所谓深度学习，是指学习者在理解学习的基础上，批判性地学习新的思想和事实，将它们纳入原有的认知结构中，并且能够联系不同的思想，将已有的知识迁移到新的情境中，做出决策和解决问题的有意义的学习过程。[1]深度学习具有三个基本特征：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。[2]因此问题解决是深度学习的一个重要落脚点。

基于问题解决的视角，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“液体的压强”的教学设计，探讨促进物理深度学习的教学实施，培养学生的科学思维能力。[3]《义务教育物理课程标准(2011年版)》对液体的压强内容要求“通过实验，探究并了解液体压强与哪些因素有关”，主要通过实验帮助学生理解液体压强的产生原因，探究并了解液体压强与哪些因素有关，解释生活中一些现象。笔者以四个潜水相关的问题链贯穿课堂，实现知识教授及应用。

一、创设生活情境：发现问题

在课堂之初，教师创设真实的问题情境，与学生以前的学习经验发生有效互动，并拓宽学生视野，使学生关注物理—科技—社会的联系，激起学生探究的热情和好奇心，培养学生的科学态度与责任，并使其物理核心素养得到发展。人教版八年级《物理》“液体的压强”介绍了不同深度下使用的潜水服、潜水器及我国在这方面的最新研究进展，内容贴合学生的生活经验，能够引发学生的探究激情和爱国情感。教师可对教材内容进行二次开发，创设真实情境，让学生从中自主发现问题。

【教学设计1】教师提问：小狗去潜水，它可以去到多深？在水里会不会感觉不舒服？

教师展示：用气球模拟小狗，潜水员拿着气球从海平面逐渐深入海水中，潜至深度23米的位置，气球的体积越来越小。以此说明若小狗在水中会受到某种力的挤压，可能被压扁，并且随深度增加压力会越来越大。

【教学设计2】教师提问：有没有什么方法可以让小狗不被压扁？

根据日常生活经验并对比上述实验现象，学生提出小狗可以不去水很深的地方，也可以给小狗套上厚重坚硬的潜水服或者让它在其他液体中潜水。在这三种情况下试验，学生发现气球被压缩的程度有所减小。

【教学设计3】教师引导学生发现并提出问题：小狗到底受到了什么力的作用呢？这种力是如何产生的？

教师引导学生联系前面学过的压强概念猜想小狗可能受到水施加的压力，进而引出液体压强概念。那么液体压强是怎么产生的，又与什么因素有关？

小狗潜水的情境1可以引起学生的兴趣，该情境贴近学生的日常生活，学生可以调动以往的情感体验，主动参与到课堂中。情境2对情境1出现的现象进行追问，学生结合实验具体情况，回溯知识经验，自主提出可能的解决方法。情境3中，学生对于情境2出现的现象提出疑问，发现问题并表征问题。在以上教学过程中，唤醒学生以往的知识经验，将其与新奇的实验现象融合，教师利用问题驱动引起认知冲突，激发学生探究欲望，实现学生初步的深度学习。

二、设计实验方案：探究问题

(一)液体压强产生的原因

在“液体的压强”一节开头提到静止在桌面上的水杯，对支撑它的桌面有压力，因而对桌面产生压强。那么杯中的水对杯底也有压强吗？由此引入，引起学生学习兴趣，促进有意义学习。教师将教材内容进行具体化，引导学生提出一连串问题，用问题驱动探究进行，引导学生主动参与；培养学生问题解决能力和逻辑思维能力。

【教学设计4】教师用塑料瓶装入大半瓶水，放置在桌面上，向学生提问：瓶子对桌面有压强吗？瓶中水对瓶底是否有压强？对侧壁是否有压强？

学生通过前面学习的知识已经了解“瓶子对桌面有压强是因为瓶子受重力”，同样，瓶中水也受重力。教师引导学生得出结论：瓶中水对瓶底也有压强。教师向学生讲授压强概念时，用海绵的凹陷程度显示压强大小，并提出可以将塑料瓶底部扎孔，看水是否会流出来探究水对瓶底是否有压强。同样可以将瓶子侧面扎孔，观察“水是否会从侧壁流出”来探究水对侧壁是否有压强。

通过实验，学生可以发现，水从瓶子侧面和底部的孔喷射出来。这说明液体对瓶底和侧面都有压强；而且位置越靠下的孔，水喷射的距离越远，这说明水越深的位置液体压强越大。然后教师引导学生思考“压强是怎么产生的”。

学生分析得出液体对瓶底有压强是因为液体受重力，会对支撑它的容器底产生压强；且液体不同于固体，具有流动性，液体对容器侧面有挤压，所以会产生压强。

【教学设计5】引导学生提出疑问：液体会对外产生压强，那么液体内部是否存在压强？

部分学生认为可以继续用扎孔的塑料瓶验证此猜想，将空塑料瓶正置放入深水槽中，发现水从底部、侧面向瓶子内部喷射。实验现象说明液体内部向上、向侧面都有压强。综合以上实验得出结论：液体内部向各个方向都有压强。

(二)液体压强大小与什么因素有关

教材中采用液体压强计探究压强，该设计有一定的合理性，教师可以对教材内容进一步优化，以更好地帮助学生自主探究解决问题。

【教学设计6】教师向学生介绍液体压强计构造及工作原理，提问：用什么表示液体压强大小？

学生自主研究，发现用越大的力按压橡皮膜，U形管两侧液面高度差越大；联想之前用海绵的凹陷程度显示压强的大小，在此可以用U形管两侧液面高度差反映液体压强的大小。U形管两侧液面高度差越大，说明探头所处的位置液体压强越大。

【教学设计7】教师让学生结合小狗潜水和一系列的实验，推测方向、深度和液体密度对液体压强的大小的影响，并设计实验方案。

有的学生认为应一次性探究三种因素对液体压强的影响，有的学生认为当有不止一个因素影响一个量的大小时，需要控制变量，否则不能探究得出有意义的实验结果。教师提出研究深度对液体压强大小的影响时，要控制液体密度不变；研究液体密度对液体压强大小的影响时，要控制所处深度不变。想要改变液体密度，可通过换用盐水来做实验。

【教学设计8】学生分组实验，探究深度对液体压强的影响，得出结论：距水面距离越深，物体受到的压强越大。

教师引导学生利用水和盐水(ρ盐水>ρ水)探究液体密度对液体压强的影响，观察到两种液体对应的U形管两侧液柱高度差对比不明显，带领学生改进实验。

学生观察到两个探头分别放在同一深度下的水和盐水中的两个压强计，提出是否可以用一个压强计来对比，即在U形管两侧都接上探头，然后将两个探头分别放入水和盐水中，控制探头深度相同，如图1所示，比较U形管两侧液面的高度，低的那一侧液体产生的压强大。实验现象表明，同一深度下，盐水比水的压强大。这说明液体密度越大，液体压强越大。

图1

学生探究得出影响液体压强大小的因素：深度和液体密度。深度和液体密度越大，液体压强越大。

采用教师引导设问和学生小组合作探究结合的方式，学生解决了自己提出的问题，改正了自身的错误概念，对控制变量法有了更深的理解。

三、启发高阶思维：解决问题

教材引出液体压强计算公式之后，介绍了有关潜水的一些知识以及中国“蛟龙号”的事迹，但对不同深度下要用到不同潜水装备的问题没有展开说明，教师如果在习题中涉及这些概念，并不利于学生对液体压强整体概念的理解。教师可以根据对教材的认识，对相关内容进行延伸拓展，创设问题情境，并为液体压强的计算公式的推导做好铺垫。首先介绍几种用以制作潜水装备材料的抗压强度、密度、成本等参数，再引导学生思考“根据什么原则筛选材料”，进而探究计算不同材料制成装备适宜的潜水深度以及优缺点。整个教学过程激发并培养了学生的逻辑思维、发散思维、问题解决能力、科学探究能力。

【教学设计9】教师出示问题：如果你去西沙群岛潜水，结合上面对液体压强的学习，人进入大海潜水会有什么感觉？为什么？

教师向学生解释人体内也存在压强，因为人长期生活在大气中，所以人体内的压强与大气压强(p0=1.013×105Pa)大小大致相等。

对比前面小狗的例子，学生联想自己的生活经验，猜想人进入大海中会受到液体施加的各个方向的压强，如果液体压强大于人体内的压强，人会觉得胸闷，耳朵受压迫。人能承受的压强是有限的，若下潜到一定深度时，液体压强大于人体可以承受的最大压强，人会有生命危险。

【教学设计10】学生化身小小工程师，设计并制作各种潜水装备，用于娱乐、探险、科研、军事等各种需要，思考如何筛选材料，并给出依据。教师给出备选材料：尼龙、橡胶、木制品、复合材料、陶瓷、合金。表1详细列出了这六种材料的抗压强度、密度、成本、韧性等参数的平均值。

表1 六种材料性能参数对比表

学生分析问题，认为决定潜水装备不同用途的因素在于所用材料的抗压强度，可以抵抗多大深度的海水产生的液体压强，至于其他的参数比如密度、成本、韧性等都可以在选定材料大类的基础上再详加筛选优化。[4]

【教学设计11】教师让学生解决问题：如何根据材料的抗压强度计算它所能达到的最大深度。

学生分析材料的抗压强度就是材料所能承受的极限压强，可以通过这个极限压强计算出到达的最大深度，需要找到两者之间的定量关系。学生结合液体压强影响因素——液体密度和深度进行思考：深度和液体密度越大，液体压强越大。从而引导学生推断液体压强与这两者可能成正比。

教师引导学生分析，可以利用压强的计算公式p=F/S来推导，学生在教师的帮助下逐步推导出液体压强决定式p=ρgh，那么，液体压强与所处深度的关系已经确定，根据此公式反推深度h=p/ρg，那么，如果知道液体密度和g的数值，就可以计算出材料的抗压深度对应的材料可以到达的最大深度。(ρ海水=1.03×103kg/m3，g=9.8 N/kg)

教师在Excel中设置函数h=p/ρg，学生输入抗压强度，迅速得出各种材料所能到达的最大深度。学生比较数据，小组讨论推理各材料若制成潜水装备可能用于做什么，有什么优缺点。

教师让学生分组讨论，每个小组讨论一种材料的用途，最后汇总结果。

通过引入筛选材料制作潜水装备这个问题链情境，学生在教师的引导帮助下，完整解决了一个大型结构不良问题，经历了分析问题、逻辑推理、解决问题、反思结果、发散思维等几个过程。通过问题解决的过程，学生对液体压强影响因素的本质加深了理解， 在问题驱动下思考推导液体压强决定式，并反推公式变式，利用变式得出数据，验证了公式的实用性和解释力，学生科学解释数据、分析数据的能力得到发展，为后面解决更多科技社会生活实际问题做了一定的铺设和帮助。

四、联系科技社会：迁移应用

参照潜水员潜水的情境，学生可以查阅教师提供的减压病、深海鱼相关资料，小组讨论解决以下问题：

①潜水员在深水环境下作业一段时间后，上岸后有可能患上减压病，是什么原因造成的？如何避免减压病？

②为什么深海鱼打捞上岸后会出现凸眼、肚胀等不良反应？

③如果你遇到濒临死亡的深海鱼，在不伤害鱼自身的情况下，如何正确将鱼放生？结合问题①思考。

在问题解决过程中，学生提取新旧知识，对知识进行迁移应用，将知识转化为解决问题的综合实践能力、创新意识和发散思维，学生的高阶思维能力、问题解决能力等得到激发和发展。问题解决与能力发展、知识掌握三者形成了互相促进、互相辅助的良性循环，真正实现可持续、有生机、终身性的深度学习。