百研工坊科学课：改变沉浮
作者：曹春浩 北京市通州区教师研修中心
教学分析
在2017 小学科学课称标准中学习的主要概念之一有：物体具有一定的性能，材料具有一定的性能，在这个概念的五六年级学习目标中指出：观察常用材料的漂浮能力……等性能，说出它们的主要用途。
课标关于浮力福利的学习要求，从力的角度安排在中年级段了。要求学生认识浮力是直接施在物体上的的力，可以使乒乓球浮在水面上。在学习中一般是都是从单一维度来考虑沉浮的条件，既体积相同时，物体越轻越容易上浮，重量相同时，物体体积越大越容易上浮，并没有把重量和体积综合起来认识物体的沉浮，而且这种认识没有一个临界点，学生不能知道物体越轻的什么程度就能浮在水面上了。木头为什么会漂浮在水面而不下沉？石头为什么不能漂浮在水面上？这是由于木头、石头、水各自的密度所决定的。如果物体的密度小于水的密度，物体会处于漂浮状态，一部分露出水面。如果物体的密度大于水的密度，物体就会沉入水底。如果物体的密度等于水的密度，物体就会悬浮在水中。高年级段中从材料的性能角度来认识“物体的漂浮能力”就是从材料在水中的沉浮状态与材料本身密度的关系的角度来组织学习，但是不提及密度，这就要求教学中要从材料的性能出发学习沉浮状态，又不能提出密度的概念。
关于物体在水中的沉浮，五年级学生在日常生活中已有比较丰富的经验，并且有一定的解释，不少学生认为物体轻重影响了物体的沉浮，大部分学生认为是物体下沉是由于物体很重，物体上浮是由于物体很轻；还有部分同学认为物体下沉是由于物体很大、物体是实心的等原因；还有有不少学生认为，物体漂浮是因为受到的浮力大，浮的越厉害，受到的浮力越大；物体下沉是由于受到的浮力小看来学生都是从单一维度来考虑沉浮的条件，并没有从把各因素综合思考问题了。有一些学生能物体的材质上来认识沉浮，如木头和石头的材料不同，但是知道与沉浮有关系的具体不同是什么，虽然有个别学生提到了密度一词，但也仅仅停留在知道这个词，至于密度的含义是不清楚的。
在湘科版科学五年级教材中《改变沉浮》一课安排“让它沉下去”的活动。要求是怎样是漂浮在水中的瓶子沉下去的？而”沉下去”是指水瓶从浮在水面刚刚要下沉的状态，也是悬浮状态，为了便于学生操作，也可以是瓶盖上沿与水面向平的状态。在这个活动中，学生可以用不同形状、不同体积、不同材质的瓶子，在瓶中装上水或其他重物后，使瓶子“沉下去”。在从这些状态中归纳出物体的沉浮是与物体的体积和质量综合的因素有关系。然后教材还安排解释潜水艇怎样控制沉浮的问题。
在新课标中还指出了在探究学习过程中还要重注学生“分析、综合、比较、分类、抽象、概括、推理、类比等思维方法”的培养，发展学习能力、思维能力等。因此在教学中，教师还要调动学生学习的主动性，发挥学生的主体作用，让学生主动的思，自觉的训练思维技能，从而达到培养思维能力的目的。
在本课教学时，使用了任务解决的方式，设置一系列的层层加深的任务，学生在挑战完成这些任务中，让学生不能用已有的知识经验直接解决，而必须应用各种认知活动、技能等，经过一系列的思维活动，最终使任务得以解决。
教学准备
分组实验材料：体积分别为325、150、270、80立方厘米的塑料瓶，石子，装满水的水桶，电子秤等
演示实验：演示实验材料：三个一模一样的塑料瓶，瓶中装上石子后，一个在水中漂浮，一个在水中沉底，一个在水中接近悬浮；铁块、木块、大水槽、量筒、量杯等
教学目标
科学知识目标
通过实验认识到物体的沉浮和物体质量量与体积有关系；能通过对物体质量与体积的数据进行分析，判断物体在水中是沉还是浮。
科学探究目标
能对所观察的现象做出假设，并能收集证据并做相应解释，经历“观察——发现——假设——验证——解释”的探究过程。
能够归纳出物体的沉浮和物体质量量与体积的关系，并用演绎思维的方式运用这个关系解决问题。
科学态度目标
体会做中学，学中思的乐趣，在活动能够乐于动手、勤于思考、敢于表达。
教学重点
通过反复操作，发现在物体质量量（以克为单位）与物体体积（以毫升为单位）这两个数字基本相同（既质量量与体积的比值为1）时，物体在水中的状态接近悬浮，物体质量量大于体积时物体下沉，反之则上浮。
教学难点
判断物体接近悬浮的状态需要要质量与体积两个因素综合起来考虑。
教学过程
一、激趣导入，启发探究
1.谈话：我们已经学习过物体的沉浮了，给你一个物体你是用什么方法判断它在水中是沉是浮的？
有同学说可以用试一试的方法。现在，工人造好了一艘巨轮，能不能用放在水中试一试的方法判断巨轮的沉浮呢？（不能）有没有一种方法，不用放在水中就能知道它是沉是浮吗？今天我们就来学习沉浮的秘密，一起来寻找这种方法。
（情境导入，引发学生的物体沉浮的认知冲突，激发学生的研究兴趣。为从材料本身的材质角度寻找从判断沉浮方法埋下伏笔，也为学习后评价提出了指标要求。）
二、任务驱动，引导学生挑战解决
1.老师这有三个大小相同的小瓶，猜一猜把它们放在水中是沉是浮？
教师分别把瓶子放人水，学生观察到红色小瓶沉底、蓝色小瓶漂浮、黄色小瓶的瓶盖与水面向平。（一是为学生提供“沉下去”的标准，二是引发学生挑战的兴趣）
2.出示任务一：想不想挑战一个黄色小瓶的状态，制作一个瓶盖上沿和水面相平小瓶。
教师给学生分发了体积为325立方厘米的1号塑料瓶子及一些石子，学生往瓶子中装石子，做出能够在水中接近悬浮的瓶子。
（此处采用了心理学上的试错法，试错并不是无目的地瞎试，而是对过程、方法进行反思，及时调整方案，有条理地整理出最有机会成功解决问题的解法。如学生最初只是小心翼翼地加很少的石子，几次尝试后发现瓶子上浮很多，离想要的目标还很远，这时学生就会思考不能一点点加了，而是大胆地加量；当加到一定程度，瓶子沉底时，学生会思考减少石子，减少多少呢？学生又会思考，一定要与前一次上浮进行比较，减少的量要比最后一次加的量小。试错的过程中，学生调动了多种思维，使错误的行为越来越少，并最终解决了问题。）
3. 任务二。把体积为150立方厘米、270立方厘米的②、③号小瓶，也制作成瓶盖上沿与水面相平的状态。并减少尝试的次数，比一比哪组的速度快。完成后思考：如果让你制作另外的小瓶，怎样才能更快地成功？
（学生经历了第一次实验，已经积累了一定的经验，凭借这些经验，可以较为快速地解决问题，这也是由浅入深和由少到多的认识过程，心理学上把这种思维定义为“经验思维”。经验思维可以很好地帮助学生运用比较等方法解决问题，但由于经验的局限性，也易出现片面性，这也为下一步的问题做了铺垫。而完成后的对“准任务--如果让你制作另外的小瓶，怎样才能更快地成功？的思考，引导学生既要从小瓶的体积考虑，又要从装入瓶中石子的多少不同方面考虑，解释装入瓶中石子的多少叫做石子的质量。为从这两方面综合考虑做好铺垫）。
4．任务三。把体积为80立方厘米的④号小瓶体也制作成瓶盖上沿与水面相平的状态。提出要求，只能试一次，就保证成功。
(1)引导学生思考完成任务的方法。
①从做成功的前三个小瓶的经验中能受到什么启发？（每一个小瓶的装入石子的质量都和它的体积相匹配。
②怎样找到四号小瓶装入合适的石子的质量呢？（如果我们找到了相匹配的关系，又知道了④号小瓶的体积，就可以推测出④号小瓶合适的质量是多少了）
③怎么找到小瓶的装入石子的质量量都和它的体积相匹配的关系呢？需要测量前三个小瓶的质量和体积。从数据中寻找具体的关系。）（随着探究的深入，设置的问题的难度也不断加深。第三个问题：不允许试，一次成功制作出能够使瓶盖上沿与水面相平的瓶子。
学生此时发现，之前采用的方法不再适用于此问题的解决。孩子们苦思而不得解，至此，我们就要引导学生尝试否能够跳脱出原有思路，将认识从表象规律向科学本质延伸，这就要求学生要对以往的数据进行整理、分析。收集三个成功瓶子的体积与质量量的数据，挖掘数据背后的规律，最终找到影响物体的沉浮的核心因素。而且以“自我需求为动力，把“要我”收集分析数据变成“我要”收集数据。
（2）介绍测量体积和质量的测量方法。学生分组测量推测④号小瓶合适的质量。
片段实录：第2小组：我们先将①号小瓶从水桶中拿出来，用抹布擦干放到电子秤上，称了三次，结果都是326g，它的体积是325立方厘米。然后我们用同样的方法称了一下②号小瓶，结果是150g，它的体积是150立方厘米，我们小组猜测小瓶质量的数值和体积的数值是否有相同的③号小瓶的体积和质量的数据是不是也相同呢，③号小瓶体积是270立方厘米，它的质量是270g，和体积的数值相同，④号小瓶的体积是80立方厘米由此我们推测的质量量应该是80g。
第6小组：我们组测量①、②、③号小瓶的质量量，发现分别是320g，150g和265g。它们的体积分别是326、150、270立方厘米，我们发现①号小瓶和③号小瓶的质量的数值都是比体积的数值少5g，所以我们推测④号小瓶的质量应该也比体积的数值少5，应该是75g。
（在这里学生分别分析1号瓶的质量与体积有什么关系；2号瓶的质量与体积有什么关系；3号瓶的质量与体积有什么关系；归纳出瓶子的质量和体积的关系是……在这里学生主动用了归纳推理的思维方式，找到了规律后在推测4号小瓶的质量又是从一般到个别用了演绎推理的方式。大前提是瓶子的质量和体积的关系是……
小前提是四号瓶的体积是80立方厘米；结论思因此4号瓶的重量是……
（3）分析全班测量数据，做出最后的推测
师：刚才，大家是根据自己小组测量的数据进行的推测，现在请你看看全班的数据，有没有想改的？记住要求：④号小瓶只能装入你推测的质量，还得让它一次成功！
片段实录：第3小组代表：我们想把数据改成80。我们组测量的①、②、③号小瓶的质量分别是324g、146g和267g。①号小瓶体积325立方厘米、②号小瓶体积150立方厘米、③号小瓶体积270立方厘米。我们发现，三个小瓶的质量都比体积要小一点，所以我们推测④号小瓶的质量量应该也比体积小一点，④号小瓶体积80立方厘米， 0差不多是78g，但是我们看了全班的数据，发现质量的数据都在体积数据上下一个很小的范围内变化，三个小瓶都是这样。所以我们把数据改成了80g，和体积数值是一样的。
（学生由利用小组数据到全班数据，使推理的更趋于正确，而且这样用全班的数据也是一由任务驱动，学生是主动运用。收集大数据进行分析验证规律是否正确，归纳演绎思维的能力。）
（4）各组制作④号小瓶，验证推测是否正确。
三、回顾开始，评价学生学习效果
1.今天我们一起探究了沉浮的秘密，我这有一个物体（用布包住），不放入水中，你有什么方法判断出它的沉浮吗？（需要知道物体的体积和质量）
师：它的质量是348g ，体积是45cm³
生：沉入水中。
师：（把布打开）这个物体是一个铁块。现在你知道了铁块为什么会沉入水中了吗？
2我们要建造这艘万吨巨轮，建造的时候怎样确保它能漂浮在水面上的？
3.课后讨论：我们今天探讨的沉浮的秘密是建立在质量量单位是克，体积单位是立方厘米的前提下，当单位改变时，这个秘密该怎样表述呢？
（检验教学效果，引发学生对于质量与体积的关系进行延伸思考）
回顾本课，虽然核心问题是在探究物体在水中的沉浮与其密度有关，但本课并没有出现密度等物理词汇，也没有出现“比”这个数学词汇，只是由浅入深为学生设置了三个连续层次的问题，让学生自己反复尝试、不断修正、整理数据直至发现本质，符合学生对问题由表及里、由浅入深、由现象到本质的认识过程，巧妙地绕过密度这个词，使深奥难懂的物理问题变得生动形象起来，不光教学难点迎刃而解，在凸显问题层次的同时，更培养了学生推理思维能力。在科学概念建构上不仅指向主要科学概念，关注了概念的进阶，并为学生的科学概念发展奠定了增长点。在科学探上不仅关注了思维的方法培养，并为学生的思维能力的形成积蓄了量变点。在科学态度上不仅关注学生好奇心和求知欲的保护，并为学生科学兴趣的持续保持增强了助力点。
东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。
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