科学课堂活动的有序可控可测

第四节　科学课堂活动的有序可控可测

问题—活动设计无论在问题的有效构建上，还是在具有活动性的问题的有效解决上，都是为了追求教学系统的有序和平衡。“活动”中的“乱”使得教师常常自觉不自觉地收回教学的主权，学生的自主性也因此而流失。错不在“活动”本身；然而，是缺失对“活动”有序、可控、可测的实施。追求教学过程中的有序是教学过程阶段性目标逐渐达成的动力保证。“活动”的有序、可控、可测是一个整体，它们相互影响，共同优化着科学课堂活动教学的探索。

一、有序

“寻序”可以从三个方面去实现：第一，寻求内容系统的知识序；第二，寻求发展系统的认知序；第三，寻求教学系统的组织序。⁽¹⁹⁾寻求内容系统的知识序，表现为教材活动结构序及教师对教材二次加工后的教师活动结构序（知识序），这是教师课前教学设计（备课）中的寻求；寻求发展系统的认知序，表现为课堂中学生活动结构序（认知序），这是学生形成学习路径（效益）中的寻求；寻求教学系统的组织序，表现为受认知序和知识序共同影响相互作用形成的课堂活动结构序（教学序），这是教师课中教学实施（上课）中的寻求。也就是说真实的课堂教学受“三序”的影响。

（一）前概念影响有序思考

学生的认知序对课堂效益的影响最大，而学生的认知有自己的风格与水平。关于浮力，学生常具有大量的“先入为主”“日常生活”的经验、观念、习惯，从而形成一些错误的前概念，“对五年级和初一年级学生的浮力概念进行调查显示，百分之六七十的学生会根据浮体的材料、轻重、空实心、形状、压强多少来判断一个物体是否沉浮……一块长方体垂直放入水中，比横着放入水中所受的浮力小（状态差异）；大小一样的实心铁球和空心铁球放在水中所受的浮力不同，空心铁球受到的浮力大（空实心差异）；物体浸泡越深受到的浮力越大（压强差异）；浸没于盛有水的容器底部的物体不受浮力；同样大小的铁块和木块完全浸没于水中，木块受到的浮力大（材料差异）。”⁽²⁰⁾学生对浮力的前概念尽管丰富多样、策略各异，但不难发现，这些概念全都来自于对生活经验的片面理解和不完全概括所得出的结论，生活中，人们通常认为漂浮在水面的物体是木块、空心（或变得空心）等较轻的物体，而石头、铁块等较重的物体会沉入水底。

（二）有序地将知识问题化

“三序合一”是课堂活动教学对“序”的一种追求，而问题是这种追求的外显。能引导思维发散、而又能收敛，这是课堂教学实现有序的基本前提，也是一个浅层的知识问题化的过程。《科学》（课标浙江实验版）教材中的浮力虽不在七年级，学生中同样存在着类似的前概念影响。教师先用问题引发课堂。

教师：对浮力，你有什么想法或问题？

学生：（即时提出问题，教师速记板书，见图7‐7甲）。

图7‐7　知识问题化的有序过程

学生的问题大多基于生活化情境，面对开放性的问题，学生要么思维不能发散，要么思维发散有话可说，甚至“乱说”到教师没法控制的地步。学生的问题很多，也比较随意，而且隐藏着各色各样的前概念。

此时，互动的要点是如何“有序、可控、可测”。结合学生的口述，教师即时归类板书速记，是一种让问题变得有序的方法，板书展示同时也暗示学生“这些问题有同学提出来了，我们想想新的吧”，使学生的思维与行为变得有序，避开重复提问影响课堂教学效益。

教师：大家的问题都提得都有意思，面对那么多问题，我们怎么办？

学生：一个一个来。

教师：这也是一个办法，但能找出最主要的问题也是一种水平，因为这样可能更容易接近主题。

教师：是不是感觉有些问题有点相似？

学生1：“①是不是浮起来的才有浮力？沉下去的是不是就没有浮力了？”这个问题包含在“③所有物体都会受到浮力吗”之中。（在学生无异议后，教师在①上画一条线表示删除。）

学生2：“①是不是浮起来的才有浮力？沉下去的是不是就没有浮力了”与“⑦为什么有的物体在水中会下沉，有的会上浮”是同一个问题。

学生3：不一样的。一个是有没有浮力，一个是是沉还是浮。

学生2：有浮力它会不上浮吗？

学生3：那也不一定。

教师：很好。你（指生3）能不能提出一个相似的问题？

学生3：把③改成“在水中任意状态的物体都会受到浮力吗？”把⑦改成“物体的浮沉条件是什么？”

教师：（在学生无异议后，教师板书替换）这种描述接近教材了。还发现什么问题是相似的？

学生3：“②越往海里走感觉脚下越无力，是不是浮力变大了”与“⑥浮力的大小跟哪些因素有关”相似。它们说的都是浮力在什么情况下会变化。

教师：（在学生无异议后，教师删除②）很有道理。

（在教师引导下，把“⑧浮力好还是不好？浮力有什么用？”改为“物体浮沉条件有哪些典型应用？”）

围绕教学的课题，学生提出的各个问题通常缺乏条理和序列，前后问题不具有逻辑递进的关系。学生提出的问题，有的可能已经解决了，多数学生已知其答案；有的可能是当时所不可为，或偏离该课题的教学目标的，而有些需要在教学中加以解决的问题，学生却没有提出来。如果完全被学生的问题牵着鼻子走，就无法实现预定的学习目标。因此，知识问题化的过程需要教师的调控，对学生提出的众多问题，教师应当引导学生进行评价，进行合理的舍弃和补充。

但是，浮力如何测量的问题还是没有被提出来。那教师又该如何调控呢？

教师：（指着修正后的板书）回忆上面的讨论，我们是不是都围绕这样几个问题进行思考：有浮力吗？浮力大小与什么有关？浮力是从哪来的？为什么浮力会让物体有浮有沉？

教师：我们如何证明有浮力？如果我们测不出浮力，这样的讨论就没法进行了啊。

学生：用测力计测量一下。（学生的直觉灵感）

教师：浮力能用测力计测量出来吗？（板书）

学生：（学生需要直觉灵感下的深度思考）应该能测量吧！

至此，凭借师生互动及教师的板书，通过多维互动，转换问题的角度、变换问题表述、增删问题的数量，让问题变得有序，形成了一组关于浮力研究的问题链（见图7‐7乙），初步将知识问题化。知识问题化是问题的有序化过程，同时也让教学过程变得可控。

二、可控

符合一定逻辑的问题链是让活动变得“有序、可控、可测”的关键一环。

（一）活动问题化符合学生的认知逻辑

教师：通过刚才的讨论，我们的思考涉及以下几个问题（指板书）。通常研究一种力，要考虑力的大小、方向、作用点、施力物体、受力物体等。

教师：面对这些问题，我们应该先研究哪一个，说说理由？

学生：（这一次没有学生再说“一个一个来”了）我觉得能测出浮力最重要，能测才能知道大小，也才能证明有浮力。

学生：（学生附议）有了大小才能研究浮力的大小与什么因素有关。

教师：（板书为学生讨论的问题排序，除了前两个问题的序列得到大多数同学的肯定，对其他问题的排序有不同意见，见图7‐7乙）。

教师：这个选择很好。我记得刚才有一个问题也很好：“气球上升也因为是浮力吗？”由此，我相信，刚才我们讨论浮力的时候，除了想到水，也一定有同学想到海水了吧。

学生：有/没有。

教师：如果我们研究浮力，一位同学建议用水，因为取水最方便，另一位同学建议用食盐溶液，你支持哪一种方案？

学生：……

这是一个无是非的选择性回答，学生无论如何回答都是合理的，只要有自己认可的理由。这样的调控提问，一来可以为本课时我们用水作代表液体研究浮力作铺垫；二来可以让学生从“水”这种单一的思维源头扩展到液体；三来隐藏着不同液体可能会对浮力大小有影响，对学生理解液体密度与浮力的关系有一定的帮助；四来还会对以后将要学到的“气体也会产生浮力吗”（教师增补的问题：从液体产生浮力到气体产生浮力，关于浮力的问题链才算完整）有积极的思维导向。

教师引导学生将所要解决的问题重新排列，使之形成由近及远、由浅入深、由表及里、逐渐深化的递进序列。让学生觉得，这些问题都在自己的“控制”之下。

（二）问题活动化贴近学生的思维跟进

思维跟进的教学按图7‐7乙师生互动后的问题链顺序展开。

教师：我们要研究的第一个问题是“浮力能否用仪器测量出来”，怎么样测量浮力？桌面上已经提供了水。

学生：要用弹簧测力计，比较在空气中与在水中的读数。

学生：（演示：在弹簧测力计下挂一物体，让它浸入水下，观察到测力计示数的减小）它减小就表示有浮力。

教师：大家觉得这个实验能不能证明浮力的存在？

学生：能。

教师：有什么现象或经验可以佐证呢？

学生：就刚才的实验/我们能在水上浮着。

教师：不错，既有经验又有实验。能不能测量出具体的数据？

学生：比较一下两次的大小就可以了。

教师：没错。刚才的活动中，我们还发现什么？

学生：F_浮＝G_物－F_拉。

我们常常看到这样的教学情境：教师在弹簧测力计下挂一物体，让它慢慢浸入水下，观察测力计示数的减小，希望学生提出浮力的大小是否与排开液体的体积有关。可是学生总是想不到或只想到与深度的关系。

为什么？学生没有观察到“物体浸入后明显的液面高度变化”，从一个侧面说明了学生很难把浮力与“排开液体”联系起来。怎么办？放慢教学节奏，让学生的思维有缓过劲来的时机。

教师：现在我提几个奇怪的问题：这个办法是测浮力的有效方法之一，刚才那位同学是快速浸入水中，如果慢慢地浸入水中，浮力大小会一样吗？现有一个不规则物体，先把尖的一端浸入水中至浸没水下，测量浮力。如果倒一个方向，把粗的一端先浸入水中直到浸没，再测量浮力，结果会一样吗？

教师提出要“慢慢地浸入水中”，一来是为了让学生体验和巩固刚才的方法，二是让学生发现同一物体的浮力大小是会变化的，这种变化同时伴随着深度的变化、液面的变化——即排开液体的体积。而到物体完全浸没时，液面高度的变化没有了，但深度变化还存在。

学生：（展示：两位学生，分别在弹簧测力计下挂一物体，让它慢慢浸入水下，观察测力计示数的减小规律。一位“把尖的一端先浸没水中”，“再把粗的一端浸入水中”。另一位同学以相反的顺序进行实验。）

教师：说说刚才的活动体验与观察结果。

学生：慢慢浸下去，浮力也是慢慢变化的，液面也是慢慢升高的，到完全浸没时，浮力不变了，液面也没有变化。两次的测量结果是一样的。

教师：可不可以这样说：浮力变化与物体浸没在水中的深度有关；浮力的大小与物体浸没在水中的多少有关；浮力的大小与物体排开水的体积有关（把液面变化适时地转述为“排开水的体积”）。

学生：三个都对。

教师：我们可以讨论一下，哪一句更准确、更接近浮力大小的本质？为什么？

学生：程度不同，深度变化会引起排开水的体积变化，物体浸没多少的变化也会带来排开水的体积的变化。可能最后一句范围更大。所以，我选“浮力的大小与物体排开水的体积有关”。

教师：大家觉得呢？

学生：有道理/有点道理。

教师：如何证明我们的猜想是有道理的？

学生：把排出来的水收集起来，测量一下。

教师：测量一下？你的意思是测排出水的体积还是质量？

学生：体积/质量/体积与质量都可以/测体积与测质量不是一样的吗？

放慢活动的节奏，可以让活动的“可控”变成可能，让学生的思维也有充分交流的机会。

三、可测

可测的基本前提是训练什么、训练到什么程度。活动化的可测，问题活动化的过程可以在课内，也可以在课外。

（一）重点问题课内活动化

浮力的大小可能与哪些因素有关，这是一个重点问题。学生有众多的猜想并有相应的依据，如浮力的大小可能跟物体的密度有关；浮力的大小可能与物体的质量有关；浮力的大小可能跟物体的体积有关；浮力的大小可能跟液体的密度有关；浮力的大小可能跟物体浸入液体的深度有关；浮力的大小可能跟物体排开液体的体积有关；浮力的大小可能跟物体的形状有关；等等。

而对问题的转述——下操作性定义，是对学生思维发散后的收敛过程，这时就需要教师适时地提出问题来引导学生的思维，既保证了活动过程的有序与可控，同时又让活动的“可测”更加准确具体，并且有了明确的问题指向。课堂教学情境实现了从生活化到科学化的转换，活动方案的设计也就有了多种选择。

方案1（课本方案）⁽²¹⁾

用弹簧秤测出物块受到的浮力；

用量筒测出溢杯中溢出的水的体积；

计算溢出的水的质量和重力，并与浮力进行比较。

方案2（无溢杯和烧杯，量筒中装水）

用弹簧秤测出物块受到的浮力（物块浸在量筒的水中）；

用量筒直接测出物块排开水的体积；

计算物块排开的水的体积和重力，并与浮力进行比较。

方案3（无量筒）

用弹簧秤测出物块受到的浮力；

用小桶接溢杯溢出的水；

用弹簧秤测出溢出的水受到的重力，并与浮力进行比较。

凭借学生的活动热情，在学生思维活跃的情况下，有可能完成这样的思维迁移：如何设计实验证明物体在空气中也受到浮力（视学生的学习进程而定）？

（二）难点问题课外活动化

学生提出来的问题并不是都有机会、更不是都有时间在课堂里解决，选择合适的问题放在课外探究，这是一种常用的学习方式。当这种探究结论移到课内时，既是对活动的一种测量，又是课堂教学鲜活的资源。

1.浮力产生的原因

浮力是由物体上下表面受到液体的压力差引起的，可是如何通过实验让学生理解这一点确实很困难。“在水中任意状态的物体都会受到浮力吗？③”与“浮力是怎样产生的？④”可以在实验中设计成同一类活动。

一个底部开口的矿泉水瓶（透明度比较好）倒立，置一乒乓球于其中（见图7‐8甲），一手悬空拿住瓶子，一手往里面快速注入水，乒乓球会怎样？

图7‐8　浮力产生的原因

图7‐8乙中，细小的水流从瓶口流出，乒乓球并不上浮。而当用手掌等物堵住瓶口时乒乓球马上浮起（见图7‐8丙）。适合学生课外探究的活动既简单又材料易得，带到教室来演示也方便，体验可以为这个问题作很好的铺垫。

这个实验看起来很能说明浮力产生的原因，可是仔细观察就会发现其中的问题。由于用手堵住时乒乓球底部并没有碰到水，只是因为气压将乒乓球顶起，瓶中的水迅速填满瓶口，乒乓球底部受到水对它向上的压力，这压力远大于它顶部受到的向下的压力，所以乒乓球浮起。而且，该实验过程很短，不利于学生观察，更不利于学生的理解。作为让学生理解浮力产生原因的实验，应能让学生清楚地观察到，当乒乓球底部没有碰到水时它不会浮起，当乒乓球底部碰到水时它立刻浮起的现象。

为此，在矿泉水瓶瓶颈开个小孔用于排气，乒乓球刚开始并不上浮，当用手堵住瓶口时乒乓球也还没有上浮，直到瓶颈里的水面碰到乒乓球时乒乓球才开始上浮。这样就很好地说明了浮力产生的原因。学生在家里的抽水马桶的水箱底部，也会发现类似原理的应用。许多学生对坑道式的厕所中的自动冲洗箱感到惊奇，不知它“为什么”会如此有规律地一遍遍冲洗坑道。学生提出了一个“为什么”的问题，通过一个小制作，设计了这样一个实验：取一个底部开口的矿泉水瓶，在里面加入有细绳连接着的乒乓球与橡皮球，乒乓球（塑料球或小塑料瓶）要能产生足够的浮力，橡皮球密度大于水，大小能堵住瓶口（见图7‐9）。再加水，通过观察，我们就可以发现自动冲洗箱的工作原理。

2.物体浮沉的原因

教材中有一个很好的活动设计，在杠杆平衡后把篮球内的空气充入贮气的气球中（见图7‐10），出发点是为了让学生对气体也有浮力的问题有所理解，也可以解决“气球上升也因为是浮力吗？⑦”这一问题。选择家里有篮球的学生来完成，一边展示他们的球，一边展示他们的科学思考：这算不算是一种浮沉？能不能对我们提出的“物体的浮沉条件是什么？⑤”“物体浮沉条件有哪些典型应用？⑥”作一些提示？

图7‐9　自动冲水原理

图7‐10　气体浮力存在的实验

（三）过程目标活动结构化

过程目标的可测性一直是一个难点，在不断的探索与实践中，我们发现结构性语言的使用与综合活动问题的设计，对于解决可测性还是有一定成效的。

1.结构性语言与可测

以常用的课堂结束为例：

比较两种计算浮力方法的优点与不足。通过本节课你学到了什么？还有哪些不清楚的地方？课下相互交流一下实验的设计与操作有哪些优点，哪些是还需要改进的。

这样的问题设计，也让过程目标也变得“可测”了。

2.活动问题化与可测

先将鸡蛋置于一定溶质质量分数的食盐水中（见图7‐11甲），再往杯子中加NaCl，鸡蛋浮于液体表面（见图7‐11乙），这说明了什么？再往食盐水中缓慢地加入食用油，鸡蛋悬浮于食盐水与食用油之间（见图7‐11丙），你能得出什么结论？

这样的综合测量活动极具趣味性、观察性，也有一定的思维含量，使学生对浮力与物体、液体密度之间的关系留下深刻的印象。

类似的活动设计，还可以是“你如何设计一个实验说明浮力的方向总是竖直向上的”“取三个完全相同的气球，在其中分别放入体积相同或相近的酒精、水和食盐水，浸入同一盆水中，你猜想可能会发现什么，对这种发现你会作出哪些合理的解释”？

图7‐11　鸡蛋在不同的液体中

（四）展示思维问题解决问题化

本课有三个知识点：一是浮力的概念和浮力产生的原因；二是浮力的大小和阿基米德定律；三是阿基米德定律的综合应用。对前两个知识点的教学，宜采用实验探究的方法进行，对阿基米德定律的综合应用，宜采用实验、活动、练习等方法进行。

1.四种计算方法同一性的推理

对于浮力的四个表达式：①F_浮＝G_物－F_拉；②F_浮＝G_物（悬浮、漂浮）；③F_浮＝F_向上－F_向下；④F_浮＝G_排液＝ρ_液gV_排液。它们是统一的，具有同一性。如何让学生相信四种计算方法是同一的？可以让数理分析能力较好的学生在课堂上进行推理分析。

F_浮＝G_排液＝mg，再根据ρ＝m/V，得出G_排液＝ρ_液V_排液g，即F_浮＝ρ_液gV_排液。

F_浮＝F_向上－F_向下＝P_向上S－P_向下S＝ρ_液ghS－0＝ρ_液ghS＝ρ_液gV_排液（见图7‐12甲）。

F_浮＝F_向上－F_向下＝P_向上S－P_向下S＝ρ_液g（l＋a）S－ρ_液glS＝ρ_液gaS＝ρ_液gV_排液（见图7‐12乙）。

分析以上表达式中的各物体量，思考等式的左边表示什么，等式的右边又表示什么。从这个表达式中学生惊喜地发现，无论是漂浮物体还是浸没在液体中的物体，受到的浮力不用再去具体地计算其上下表面受到的液体压力，而只要讨论物体浸入液体的体积V_浸入（V_浸入＝V_排液）和液体的密度ρ_液就可以了。

2.检验浮力与液体密度之间关系活动设计

将同一物体分别浸没在水和酒精中，找一种方法测出浮力，比较当V_排液相同时，F_浮与ρ_液是否成正比。

图7‐12　浮力产生原因的数学推理

3.讨论浮力与物体浸入液体体积关系的活动设计

准备一盆水，将一个空塑料瓶用手按入水中，体会塑料瓶所受到的浮力及其变化，得出结论：在ρ液相同时，浮力与V排液成正比，即V排液越大浮力越大。

4.讨论浮力与重力大小对物体浮沉的活动设计

由于学生从小就能够观察到很多沉浮的现象，对于沉浮已经有了自己的理解，比如有的认为沉浮与物体的轻重有关，有的认为沉浮与物体的形状有关等，因此沉浮条件的规律的探究活动就应该从学生的这些经验开始，让学生的经验面临挑战和冲突。比如，取一个玻璃容器（如集气瓶），装满水时是下沉的，而装一半水时是漂浮的，倒扣时（内装一部分水）也能漂浮。当学生运用自己的经验来判断并通过实验验证后，经验与现实发生了激烈的冲突，一个有意义的问题——物体的沉浮到底跟什么因素有关——就会自然而然地被提出来了。将能激发学生猜想的现象呈现在学生面前，学生就很容易猜想到物体的沉浮可能与它所受的浮力和重力的比较有关。

“活动”的有序、可控、可测是一个整体，它们相互影响，共同优化着科学课堂活动教学的探索。很多探究往往出现探究到一半学生不知道如何继续的尴尬境地。就教师而言，主要原因可能是不善于催生学生的猜想；对学生而言，也可能是知识贮备不足，这就需要通过交流、活动来催生。

【注释】

(1)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学》，浙江教育出版社，七年级上，八年级上，2006年版；九年级上，2006年版；七年级下，2005年版；八年级下，九年级下，2005年版。

(2)颜伟云：《初中科学课堂活动教学中活动的设计》，《教学仪器与实验》2010年9期，第24—26页。

(3)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·七年级上》（第3版），浙江教育出版社2006年版，第6—8页。

(4)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·九年级上》（第2版），浙江教育出版社2006年版，第5—12页。

(5)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级上》（第3版），浙江教育出版社2006年版，第9—12页。

(6)中华人民共和国教育部：《义务教育初中科学课程标准》（2011年版），北京师范大学出版社2012年版，第72—73页。

(7)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第75—102页。

(8)中华人民共和国教育部：《全日制义务教育科学（7—9年级）课程标准（实验稿）》，北京师范大学出版社2001年版，第79页。

(9)中华人民共和国教育部：《全日制义务教育科学（7—9年级）课程标准（实验稿）》，北京师范大学出版社2001年版，第79页。

(10)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·七年级上》（第3版），浙江教育出版社2006年版，第2—5页。

(11)中华人民共和国教育部：《全日制义务教育科学（7—9年级）课程标准（实验稿）》，北京师范大学出版社2001年版，第47页。

(12)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第57—63页。

(13)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第58页。

(14)中华人民共和国教育部：《全日制义务教育科学（7—9年级）课程标准（实验稿）》，北京师范大学出版社2001，年版，第42页。

(15)中华人民共和国教育部：《义务教育初中科学课程标准》（2011年版），北京师范大学出版社2012年版，第49页。

(16)［美］加涅：《教学设计原理》，皮连生等译，华东师范大学出版社1999年版，第263页。

(17)［美］加涅：《教学设计原理》，皮连生等译，华东师范大学出版社1999年版，第265页。

(18)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级下》（第2版），浙江教育出版社2005年版，第53—54页。

(19)朱德全：《基于行为的问题诊断式教学设计的表征》，《教育研究》2011年第2期，第78页。

(20)朱喜香：《情境策略转变学生物理前概念》，《物理通报》2010年第3期，第21页。

(21)朱清时：《义务教育课程标准实验教科书·科学·八年级上》（第3版），浙江教育出版社2006年版，第21页。