运用可视化突破初中浮力教学难点

张钧南 熊华

【内容摘要】本文通过理论分析得出可视化教学符合中学生认知发展客观规律，有利于突破浮力难点。作者用可视化教学示例进行展示如何通过各种可视化工具和手段转变错误的前概念，建构科学图式（认知结构），从而突破难点，促进教与学。

【关键词】可视化浮力教学难点前概念建构主义

掌握浮力这一节内容，要求学生具有较高的想象能力和抽象思维能力，对于思维基本处在具体运算阶段和前运算阶段的八年级学生而言仍会存在难度。可视化教学的特点是将抽象内容以直观的图形、图像等方式呈现出来。同时可视化教学以学生为中心，为学生创设形象直观的可视化情境，使思维过程、教学过程可视化、清晰化。让他们从中主动去探究、分析、获取直接经验和转变错误前概念，完善科学认知结构，从而有效突破教学难点。

一、可视化在突破浮力难点中的价值

1.浮力教学难点分析

浮力相关问题要求学生具有较高的想象能力和抽象思维能力。同时，对学生的重力、二力合成、二力平衡、液体压强等知识的综合运用能力要求较高。因此，学生有很多思维障碍。此外，学生对浮力有不少前概念，而其中有一些错误的前概念会被用以解释新学知识和现象，造成知识干扰，产生负迁移。比如，有学生根据物体放入水中就变轻了这一生活经历，对浮力产生的原因形成前概念：只要浸在液体中，物体就有浮力。

2.可视化有利于建构科学图式

按照皮亚杰的认知发展阶段，他们的思维大多处在具体运算阶段和前运算阶段。即对物理知识的分析、判断、理解需要依靠实物。可視化教学将抽象知识表征为图形图像等，将复杂的现象、过程、成因等直观地呈现出来，符合中学生的思维发展特点。同时，学生利用可视化工具将自己的思维可视化，有利于学习和学习思维评价。

皮亚杰的建构主义理论认为最重要概念是图式，图式是指个体对世界的知觉理解和思考的方式。图式的形成和变化是认知发展的实质，认知发展受三个过程的影响：同化、顺化和平衡。18世纪波斯纳等人提出概念转变首要条件就是学习者由于对当前概念产生不满，从而引发冲突。可视化教学通过具体、形象、生动的图像、情境最能激发学生认知冲突，勾起求知欲和好奇心，产生疑问。最后，通过评价及点拨实现前概念到科学概念的转变，打破原有的认知平衡，建立科学图式。

二、可视化教学突破教学难点的教学流程示例

1.可视化教学突破浮力基本概念

浮力的方向

[教师]演示自制可视化装置如图1。

[教师]请同学们完成小组任务：

（1）请对学案图中静止在水中的小球进行受力分析。

（2）受力分析图上能找出平衡力吗，这一对平衡力的方向分别是？

（3）通过图像对比和受力分析，你认为浮力的方向是？

[学生]通过对小球受力分析，发现其重力和浮力是一对平衡力。由二力平衡条件方向相反可知浮力的方向与重力相反。之前已学重力的方向总是竖直向下。结合观察到的现象，可以肯定浮力的方向总是竖直向上。

[设计意图]古语云：以其所知，喻其不知，使其知之。本节课前，学生已知重力的方向总是竖直向上。通过新旧知识对比，利用知识可视化、思维可视化及知识的正迁移，让学生很直观并明确地知道浮力的方向总是竖直向上。

2.可视化教学突破浮力产生的原因

[环节一]浮力产生的原因

[教师]将学生课前录制的微课分享给学生，部分内容如图2：

[学生]学生通过板贴的形式板书如图3。讲解如下：因为同种液体同一深度压强相等，所以前后左右四个侧面所受压力F合=0N。因为深度h2大于深度h1，所以向上的压强P向上大于向下的压强P向下。受力面积相同，也就有向上的压力F向上大于向下的压力F向下。而浮力就是这两个压力的差值，即F浮=F向上-F向下（压力差法）。浮力产生原因是液体对物体向上和向下的压力存在差值。

[设计意图]通过学生的微课，用学生的视角去解释和理解浮力产生的原因。同时，利用可视化板贴，进行思维可视化。其中，板贴的形式多样，有分不同的颜色，大小等。这能让其他的学生能够清楚地体会其中的思维演绎过程，并得出正确的理解和结论。根据学生板贴的选择和摆放对学生的思维进行评价，利于老师快速找出盲点，及时点拨。

[环节二]深化理解浮力产生的原因，转变错误前概念。

[教师]演示如图4。通过实验我们发现，将乒乓球放入瓶内，向瓶里倒水，乒乓球不浮起。但将瓶下口堵住，乒乓球浮起来了。请思考：为什么乒乓球在水中浮不起来，盖上盖子后又浮起来了？

[教师]拓展提问：桥墩有没有受到浮力呢？

[设计意图]调查发现，很多学生都有“只要物体浸在液体中就有浮力”这一错误前概念。原因是对浮力的产生原因理解不够深刻，认知不够完善。这一环节通过创设一个神奇却又看似矛盾的可视化情境，让学生原有认知产生激烈的冲突，激发学生的好奇心和求知欲。再通过两幅图像的对比，引导学生思考缘由。以此打破学生原有平衡，使原认知结构（图式）经历顺化和再平衡，达到突破难点的目标。最后，通过拓展提问，再次深化理解，巩固新建立的认知平衡。

三、关于可视化教学的几点反思

1.可视化教学有利于学生构建科学的认知结构（图式）

布鲁纳提出了知识通过动作表征、映像表征、符号表征三种认知表征能让学生更好地接受。而可视化教学中正是使用其中多种表征方法，对学生的认知习惯和模式是极其吻合的。在可视化教学中，学生通过可视化工具或手段进行分享就是对认知结构的一种评价和完善的过程。

2.需要多创设物理教学可视化情境

建构主义理论的内容很丰富，但其核心只用一句话就可以概括：以学生为中心，强调学生对知识的主动探索、主动发现和对所学知识意义的主动建构。知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情景中，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式得到。而获得知识的多少取决于学习者根据自身经验去建构有关知识的意义的能力。所以，在可视化教学中，教师不能直接将知识抛给学生，而是多创设可视化情境，让学习者主动发现和探索，获取直接经验，建构完善的认知结构。这样才能将主动权交还给学生，发挥学生的主观能动性，达到良好的教学效果。

3.需注重及时对学生的思维可视化进行评价

在可视化教学中，要想达到良好的教学效果，需要注重思维可视化的评价。教学活动中通过可视化工具（实物、视频、板贴等），将学生的思考方法和路径呈现出来，教师需及时点拨，帮助学生完善思维，构建科学图式。如“浮力产生原因”的教学过程示例中，板贴对箭头的大小和颜色都进行了区分。如果学生没有重视“上下表面压力差”，就不懂得用不同大小的箭头符号去表示。这时，教师可及时评价和反馈，引起学生重视。与此同时，也要鼓励学生多运用联想创新的思维评价工具（思维导图等）进行自我评价，不断提高思维水平，完善图式。

【参考文献】

[1]胡炳元.物理课程与教学论[M].浙江教育出版社，2003.

[2]侯新杰.科学教学的建构主义方法[J].全球教育展望，2001（10）：25-31.

（作者单位：1.深圳市龙岗区仙田外国语学校;2.深圳市龙岗区教研室）