初中生浮力前概念探查

李秀斌 張維軍 郭志涵 潘普 朱亞君 李凌云

學習科學研究結(jié)果表明，前概念知識對科學學習有著直接的影響。因此，在教學前探查學生的前概念是物理教學的基礎工作。文章通過紙筆測試和訪談的方法，調(diào)查了初二學生有關浮力的前概念，并提出了浮力教學的建議。

前概念 ?浮力 ?概念轉(zhuǎn)變

前概念即前科學概念，是指學習者在接受正規(guī)的科學教育之前，對從周圍獲得的各種經(jīng)驗進行加工從而形成的概念，是基于感知的認識和理解[1]。學習科學的研究結(jié)果表明，學習者總是帶著前概念進行科學學習的，學習者已有的前概念對科學概念的學習有著直接的影響。

通常在教學之前，教師要進行學情分析。一是要了解學習者的特征，如學習者心理特征、學習風格等;二是了解學習者已有的知識，包括已經(jīng)掌握的預備知識與技能、前概念知識等;三是了解學習者的學習態(tài)度?？梢?，前概念知識的探查是教學實施之前必備的環(huán)節(jié)，是教學方案設計的基礎。因此，在教學前了解學生具有什么樣的前概念知識顯得非常必要。

一、研究設計

選擇了南京市某中學初二年級7個班學生進行了前測，采用紙筆測試和訪談的方法。本次測試關注學生對浮力的認識、對物體沉浮條件的認識、對浮力與重力的關系的認識以及對漂浮、懸浮和下沉三種狀態(tài)的比較四個方面。測試共獲得了208個有效試卷，測試完之后隨機選擇了32名學生進行訪談。所有研究對象均未經(jīng)過正規(guī)的關于浮力的科學學習。

二、研究結(jié)果分析

1.對浮力的認識

用一個日常生活中常見的問題“你可以將一個落在細長的空玻璃管底部的乒乓球拿出來嗎？（不能傾倒管子，請說出你的辦法。）”來測試學生對于浮力的認識。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，86.6%的學生認為，往玻璃管中加入液體可以使乒乓球浮在水面上，最終取出乒乓球?？梢姶蟛糠謱W生對浮力有一定的感性認識，能夠運用浮力知識來解決生活問題。13.4%的學生選擇用筷子、木頭、吹風機取出乒乓球，可見仍有部分學生缺少相應的生活經(jīng)驗，沒有想到從浮力角度思考問題。

在回答問題“人們在水中搬起一塊石頭要比在岸上搬起同一塊石頭容易得多，你認為造成這一現(xiàn)象的原因是什么？”時，71.3%的學生認為造成這一現(xiàn)象的原因是石頭在水中受到浮力，28.7%的學生的答案是錯誤的。在錯誤的答案中，33%的學生認為是因為“水有浮力”，15%的學生則認為“浮力使石頭重力減小”，13%的學生認為是“水對石頭有支持力”，12%的學生對這一現(xiàn)象無法給出任何解釋，5%的學生認為原因是“水的阻力”。由此可見學生對水中的物體是否受到浮力、浮力不能改變物體本身重力等知識沒有正確的認識。

由表1可知，91.4%的學生認為“靜止在水面的木頭、水中的魚、正在下沉的潛水艇、水底的石塊”這些答案中的一個或多個沒有受到浮力。絕大部分學生認為只有浮在水面上的物體才受到浮力，而靜止在水中和下沉的物體則不受浮力作用。

2.對物體的浮沉條件的認識

在回答“由鋼鐵制作的航空母艦能漂浮在海水表面，而體積很小的鋼塊卻不能浮在水面，你能說出其中的道理嗎？”這一問題中，15.8%的學生給出了正確答案，84.2%的學生都給出了錯誤的答案。在錯誤的答案中，28%的學生沒有回答這一問題，17%的學生認為“鋼塊受到的浮力小于航母受到的浮力”，16%的學生認為“航母受力面積比鋼塊大的多”，14%的學生認為“航母體積大”。可見大部分學生不能正確理解物體的浮沉條件，而是根據(jù)已有生活經(jīng)驗，從“接觸面積、受力面積”等方面去認識問題。

根據(jù)表2可知，28.7%的學生認為雞蛋在清水中受到的浮力小于雞蛋所受的重力所以下沉，而在鹽水中受到的浮力大于雞蛋所受的重力所以漂浮。71.3%的學生給出的答案是錯誤的，其中30%的學生認為“鹽水密度大浮力大”。通過進一步訪談可知，盡管學生認為鹽水密度大于清水密度，雞蛋在鹽水中受到的浮力大，但是未能根據(jù)浮力與重力的關系去判斷沉浮。18%的學生認為“鹽水對雞蛋有浮力”，10%的學生認為“鹽水密度小浮力小”，10%的學生認為“物體重力小于物體在鹽水中受到的浮力”?？梢娫趯W習過密度概念的前提下，學生能夠從密度角度思考相關問題，但只是根據(jù)主觀經(jīng)驗判斷物體沉浮的條件。

表2

在回答問題“大石塊和小木塊浸沒到水中，同時松開手時，判斷大石塊和小木塊的沉浮”時，91.8%的學生認為大石塊將下沉，76%的學生認為小木塊將上浮。通過進一步訪談可知，學生評判的依據(jù)是日常生活經(jīng)驗，大多數(shù)學生根據(jù)“以前玩過，以前看到過”來判斷。認為大石塊受到的浮力大于小木塊受到的浮力的占33.5%，認為大石塊受到的浮力大于自身重力的占68.4%，認為小木塊受到的浮力等于自身重力的占60.3%。由此可知，依據(jù)生活常識，大部分學生能夠判斷出大石塊和小木塊在水中的沉浮狀態(tài)，盡管學習過二力平衡，但對于浮力和物體的重力比較認識不全面。仍有一部分學生認為“大石塊受到的浮力比較小，不然它不可能浮不上來”、“覺得物體上浮浮力就大，下沉浮力就小”。

3.對浮力與重力的關系的認識

當被問到“一艘輪船自身的重力是2×106N，當它漂在海面上時，它受到的浮力是__N”時，59.6%的學生能夠根據(jù)“二力平衡”的知識給出正確答案，但對于第二問“如果在這艘輪船上裝了1.2×106N貨物，則它此時受到的浮力是__N?！眱H有26.9%的學生的答案是正確的?？梢妼W生對漂浮時浮力與重力的關系理解并不深刻，缺乏在具體情境中運用物理知識的能力。

表3

根據(jù)表3可知，85.1%的學生知道石塊在水中受到浮力，因此彈簧測力計示數(shù)會變小。74.5%的學生能依據(jù)二力平衡原理算出物體所受浮力大小，并有28.8%的學生能夠依據(jù)第二小問的提示推算出“石塊全部浸沒到水中，石塊受到的浮力為1.6N”。通過訪談可知，在解題過程中學生根據(jù)對彈簧測力計的認識和題目所給提示能夠進行簡單的邏輯推理，而不是根據(jù)石塊在液體中的體積進行推算。

生湯圓在鍋里下沉和熟湯圓在鍋里上浮的現(xiàn)象在日常生活中較為常見。根據(jù)表4可知，83.2%的學生知道湯圓下沉是由于浮力小于重力造成的，87%的學生認為湯圓受熱時浮力增大。根據(jù)進一步訪談得知，學生是根據(jù)二力平衡原理推理出結(jié)果的。在第三計算湯圓所受浮力大小的時候，90.9%的學生都遇到了困難。

表4

4.對漂浮、懸浮和下沉狀態(tài)的認識

由表5可知，96.2%的學生無法對于物體處在漂浮、懸浮和下沉三種狀態(tài)下所受浮力大小做出正確判斷。不少學生認為物體漂浮在水面時所受浮力最大，而懸浮時除重力和浮力外還應存在其他的力，說明學生已有的“漂浮、懸浮”前概念和物理學上定義的漂浮、懸浮概念存在偏差。

表5

根據(jù)表6可知，65.9%的學生認為A容器中液體密度最大。但是通過訪談可知，學生認為A中液體密度大的原因卻不相同。如：“球不變，表示體積不變，所以我認為能將同樣的球托到上面說明密度大。”“密度大的液體浮力相對大一些，所以看哪 個球浮出的程度大就選哪個?！薄耙驗闀谒嫔纤杂X得它的密度是最大的”。在進一步追問原因時，他們卻回答不出來。在錯誤答案中，大多數(shù)學生是猜測的。一部分學生認為“液體密度最大小球才會下沉”，“液體的密度大于球的密度所以會浮的比較高”。

表6

三、研究結(jié)論

（1）大部分學生對浮力有一定的感性認識，能夠運用浮力知識來解決生活問題。

（2）大多數(shù)學生對浮力存在這樣的迷思概念，即只有浮在水面上的物體才受到浮力，而靜止在水中和下沉的物體則不受浮力作用。

（3）學生不能正確理解物體的浮沉條件，而是根據(jù)已有生活經(jīng)驗，從“接觸面積、受力面積”等方面去認識問題;盡管學習過二力平衡，但對于物體沉浮狀態(tài)與浮力和重力之間的關系認識不全面。

（4）學生無法對于物體處在漂浮、懸浮和下沉三種狀態(tài)下所受浮力大小做出正確判斷。不少學生認為物體漂浮在水面時所受浮力最大，認為懸浮時除重力和浮力外還應存在其他的力，學生對于“漂浮、懸浮”的前概念與漂浮、懸浮科學概念之間存在偏差。

（5）對液體的密度與浮力的關系不清楚。盡管學習了密度概念，但是學生很難理解密度與物體沉浮的關系。

四、對浮力教學的建議

由于前概念來自于生活中的經(jīng)驗，具有自發(fā)性、隱蔽性、頑固性、廣泛性等特點[2]，因此在探查了學生關于浮力的前概念之后，教師應該采取相應的教學策略進行前概念轉(zhuǎn)變。在教學過程中，教學策略的選擇應該根據(jù)教學內(nèi)容、學生的特征以及前概念的特點而定。近年來，基于計算機模型建構(gòu)（建模）的方法作為一種有效的概念轉(zhuǎn)變策略被用于科學學習中[3]?；谟嬎銠C模型建構(gòu)方法超越了傳統(tǒng)的科學教學中的觀察和實驗，可以提供洞察宏觀和微觀世界的橋梁，進一步拓展了科學推理和思維的空間。學生還可以通過計算機模型建構(gòu)工具創(chuàng)建知識模型，教師根據(jù)學生創(chuàng)建的模型評估學生對知識的理解。此外，學生在模型構(gòu)建中進行交流、討論與合作，能夠引發(fā)認知沖突，加強了對知識的及時反饋。因此，基于計算機模型建構(gòu)的方法應用于浮力知識的教學，將會是一種對傳統(tǒng)概念轉(zhuǎn)變方法的有效補充，并在實際的教學中發(fā)揮重要作用。

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參考文獻

[1] 曾珍.兒童“沉浮”前概念研究綜述[J].成都大學學報：社科版，2013（5）.

[2] 咸蕊.初中生化學前概念的探查及教學對策的研究[D].北京：首都師范大學，2008.

[3] 張寶輝，張金磊，黃龍翔.計算機建模在教學評價中的應用研究[J].中國電化教育，2013（4）.

[作者：李秀斌（1959-），男，江蘇江寧人，南京市江寧區(qū)教育局教研室，中學高級教師;張維軍（1980-），男，江蘇江寧人，南京市天景山中學教師;郭志涵（1980-），女，江蘇江寧人，南京市天景山中學教師;潘普（1982-），男，江蘇江寧人，南京市天景山中學教師;朱亞君（1982-），女，江蘇江寧人，南京市天景山中學教師;李凌云（1979-），女，江蘇如皋人，南京曉莊學院教師教育學院副教授，碩士。]

【責任編輯 ?郭振玲】