浮力實驗教學的設(shè)計與改進

邵建新+劉敏

摘 要 針對如何“認識浮力”這一教學難點，在分析教材的基礎(chǔ)上，利用生活中觸手可及的材料設(shè)計實驗，對浮力概念引入、浮力的定義、浮力產(chǎn)生原因的教學及實驗進行了設(shè)計改進，重在從認知沖突出發(fā)，轉(zhuǎn)變學生錯誤前概念，實現(xiàn)對浮力知識的深入理解和應用。

關(guān)鍵詞 浮力 認知沖突 實驗設(shè)計 教學改進

一、教材分析

浮力是初中物理力學部分的重難點知識之一。認識浮力是在綜合應用液體壓強、壓力、二力平衡等知識的基礎(chǔ)上展開的。義務(wù)教育物理課程標準強調(diào)“通過實驗，認識浮力”，旨在提高學生的科學素養(yǎng)。在教學設(shè)計中，我們從學生生活經(jīng)驗出發(fā)，通過設(shè)置與學生原有認知相沖突的問題，在認知沖突下展開教學，同時利用邊教邊實驗的方法，讓學生經(jīng)歷探究活動過程，使學生在感知浮力的基礎(chǔ)上修正其“浮力前概念”，從感性認識上升到理性認識。

二、浮力概念引入的改進設(shè)計

當前在浮力教學的新課引入部分，多數(shù)教師采用圖片或視頻向?qū)W生展示生活中常見的浮力現(xiàn)象，如輪船漂浮在海面上，乒乓球放入水中會浮出水面，“冰山漂浮，死海不死”[1]等等；也有些教師讓學生將浮在水面的物體（如乒乓球、飲料瓶）壓入水中，親身感受浮力的存在[2]。這些導入方式的目的是“從生活走向物理”，但是不論是圖片、視頻的展示，還是讓學生親身感知浮力的存在，多為學生早已熟識的生活場景，并不能很好地調(diào)動學生學習浮力這一章知識的強烈欲望。我們從與學生前概念沖突的實驗現(xiàn)象著手，讓學生開始質(zhì)疑自身原本對浮力的理解，并在觀察“反?！钡膶嶒灛F(xiàn)象過程中產(chǎn)生強烈的認知反差，從而形成強烈的學習動機。

1.讓學生質(zhì)疑自己

中學生原本在自身生活經(jīng)驗的支配下，在頭腦中已經(jīng)形成了對浮力的一些認識。并且中學生對自己的理解是確信的。通過提問的方式使學生對頭腦中的既定答案產(chǎn)生質(zhì)疑，在質(zhì)疑之下產(chǎn)生不安，從而形成對接下來進一步學習的關(guān)注。如在新課開始前讓學生思考：“一個完好無損的乒乓球放入水中是不是一定會漂浮在水面呢？”在中學生的生活經(jīng)驗中，乒乓球是肯定會漂浮在水面上的。當老師向?qū)W生提出這樣的問題時，學生便開始對自己原有認知產(chǎn)生質(zhì)疑，這種質(zhì)疑相比直接提問“為什么輪船會漂浮在水面上？會使學生對浮力產(chǎn)生更深的認知體驗和更為積極的注意。

2.制造認知沖突

通過提問，學生在質(zhì)疑的狀態(tài)下嘗試給出自己并不篤定的答案。在學生尚處于質(zhì)疑的狀態(tài)下，教師將乒乓球放入去底敞口的倒立塑料瓶內(nèi)，向瓶內(nèi)注水，如圖1甲所示，向?qū)W生展示乒乓球是可以沉在水底的。學生通過觀察實驗現(xiàn)象，感知與前概念相沖突的“反?！笔聦?，產(chǎn)生新奇體驗。再用瓶蓋將塑料瓶口擰上，乒乓球上浮，如圖1乙所示。教師一個小小的操作產(chǎn)生完全不同的實驗現(xiàn)象。學生在觀察實驗現(xiàn)象的過程中再次獲得新奇的體驗。在演示實驗中的兩次新奇體驗使學生對接下來的學習產(chǎn)生濃厚的興趣。同時通過思考問題和實驗觀察，學生接下來的學習也具有了明顯的目的性。該演示實驗常被中學教師用來講解浮力產(chǎn)生的原因[3][4]，但卻存在不妥之處。例如，在教師擰上瓶蓋之后，很快乒乓球便浮出水面，學生的直觀體驗時間太短，所能獲得的認知僅停留在物體下方有液體便會上浮。在此過程中，學生并不能聯(lián)想到壓力差的存在，反而容易將物體浮沉與浮力的存在與否進行錯誤關(guān)聯(lián)。

三、浮力定義的教學改進設(shè)計

浮力定義中最關(guān)鍵的內(nèi)容包括浮力的方向、浮力的大小、施力物體和受力物體。

1.浮力的方向?qū)嶒灨倪M

通過對已有研究和教學實際的分析，探究浮力方向的實驗基本為兩種。一種是將乒乓球用紅線固定在大燒杯底部，向燒杯內(nèi)注水并將乒乓球完全浸沒，觀察紅線在豎直方向上被拉直，再傾斜燒杯，通過實驗觀察得出浮力的方向總是豎直向上的[5]。另一種則是在第一種實驗設(shè)計的基礎(chǔ)上，在燒杯外側(cè)懸掛重錘，進行對比，目的是將浮力與重力相關(guān)聯(lián)[6][7]。通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，以上實驗設(shè)計存在不足之處。首先，光的折射作用對學生觀察實驗現(xiàn)象造成干擾。由于燒杯是圓柱型容器，當教師在傾斜燒杯的過程中，僅有部分學生觀察到紅線是在豎直方向上，其他學生則觀察到紅線是傾斜的。其次，在燒杯外側(cè)懸掛重錘，若直接懸掛于燒杯之上，則在傾斜燒杯的過程中容易產(chǎn)生晃動；若將重錘懸掛于鐵架臺之上，重錘與燒杯分離，對實驗現(xiàn)象或造成喧賓奪主之效。

依據(jù)以上分析，我們對實驗教學設(shè)計進行改進。如圖2所示，首先，將大燒杯換成長方體玻璃容器，以其中一個面正對學生放置于水平桌面上，減小光的折射對實驗現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾；并在正對學生的一面上粘貼垂直于容器底部的黑色直線，讓學生在實驗過程中更好地區(qū)分垂直和豎直。其次，往玻璃容器內(nèi)注入少部分水時，乒乓球靜止漂浮在水面上，讓學生分析乒乓球的受力情況。學生在進行受力分析的過程中，會自覺回顧二力平衡的知識，并將重力與浮力相關(guān)聯(lián)，從而凸顯物理力學知識學習的關(guān)聯(lián)性，同時有利于培養(yǎng)學生運用知識分析實際問題的能力。最后，繼續(xù)向玻璃容器內(nèi)加水，直到乒乓球完全浸沒，確定浮力的方向是豎直向上的，再將玻璃容器緩慢傾斜，讓學生觀察并得出浮力的方向總是豎直向上的，并與重力的方向相反。

2.強調(diào)施力物體和受力物體

在浮力定義的教學過程中，教師往往花費大量的精力向?qū)W生證明浮力的方向總是豎直向上的，而忽略浮力的施力物體和受力物體。浮力是液體對浸在其中物體施加的向上的力。這個力只是物體受到的所有力的一部分。強調(diào)浮力的施力物體，一方面有利于排除重力對浮力學習的干擾，使學生更好地學習浮力產(chǎn)生的原因；另一方面有利于轉(zhuǎn)變學生“物體沉浮是由物體是否受到浮力作用”的錯誤概念，為物體浮沉條件的學習減少認知障礙。

四、浮力產(chǎn)生原因的教學改進設(shè)計

中學生原本就已經(jīng)在頭腦中存在許多與浮力有關(guān)的經(jīng)驗，加之對浮力定義的學習，對浮力已經(jīng)有了更深一步的認識。但是，學生頭腦中仍存在關(guān)于“一切浸在液體中的物體均受到浮力”這一錯誤前概念，而這一錯誤前概念直接影響阿基米德原理的學習和應用。由于書本上缺少演示實驗的設(shè)計，有研究者進行了新的實驗設(shè)計[8][9]，但是其實驗器材存在不易制作或材料不易獲得的缺陷。我們在學生已有知識的基礎(chǔ)上，從學生生活經(jīng)驗出發(fā)，自然導入設(shè)定的認知矛盾，利用簡易自制教具進行演示實驗，向?qū)W生展示液體的壓力差，再利用模型法分析得出浮力和物體所受液體壓力差之間的關(guān)系，從而有效化解學生的認知矛盾。endprint

1.導入認知沖突

請學生列舉生活中的浮力現(xiàn)象。學生會根據(jù)生活經(jīng)驗，列舉常見并正確的生活實例，如，鴨子在水面玩耍、帶游泳圈游泳、輪船漂浮在海面上等等。此時，教師對學生的答案給予肯定，使學生處于自我肯定的狀態(tài)。然后，向?qū)W生展示屹立于水面的大橋，并讓學生思考“橋墩是否受到水的浮力作用”。該問題的拋出使學生開始質(zhì)疑自己的前概念，激發(fā)了學生的好奇心。

2.展示物體所受液體壓力差

浮力是由于液體對浸在其中的物體施加的向上和向下的壓力差而產(chǎn)生的。這個壓力差是浮力的本質(zhì)，因此將浮力作用的過程進行分解，讓學生直觀感知到這個壓力差的存在，對學習浮力至關(guān)重要。為此，我們設(shè)計了一個簡易實驗向?qū)W生展示這個壓力差，如圖3所示。

第一步，將內(nèi)壁平整的塑料瓶去底，在瓶口側(cè)邊處開幾個洞，并將一個密封良好的氣球輕輕放入倒立的塑料瓶內(nèi)，氣球剛好卡住，然后將塑料瓶倒立放置于水平桌面上。

第二步，向瓶內(nèi)注水，直至氣球下落至瓶口處，在此期間，讓學生認真觀察，并分析氣球下落的原因。這一步實驗操作，讓學生感知到液體對物體向下的壓力。

第三步，將塑料瓶放入空的玻璃容器內(nèi)，向玻璃容器內(nèi)注水，直至氣球向上運動。在此期間，學生認真觀察實驗現(xiàn)象，并分析氣球上浮的原因。這一步實驗操作，氣球上升，讓學生感知到液體對物體存在一個向上和向下的壓力差，當這個壓力差足夠大時可以使物體上浮。

3.運用模型法分析浮力與液體壓力差之間的關(guān)系

演示實驗向?qū)W生展示液體對物體向上和向下的壓力差。但實驗并不足以說明浮力產(chǎn)生的原因就是這個壓力差，也不能說明浮力的大小就等于這個壓力差。通過建立理想模型，如圖4所示，將一個長方體物塊豎直浸沒到液體中，運用二力平衡、壓強、液體壓強、壓力的知識推導出浮力就是液體對物體向上和向下的壓力差。

由于液體對長方體上表面的壓強小于下表面的壓強，即有

P向上>P向下

因為長方體上下表面的面積相等，再結(jié)合壓強定義式P，可得

F向上>F向下

所以F浮 =F向上-F向下

從而得出結(jié)論：浮力是液體對物體向上和向下的壓力差，而且浮力的方向總是豎直向上的。進一步分析得出：如果不存在液體對物體向上的壓力或液體對物體向上的壓力小于向下的壓力，均不存在浮力（有興趣進一步探究的讀者可閱讀文獻[10]）。

4.回歸實踐，解決認知沖突

通過對浮力的定義，方向以及浮力產(chǎn)生的原因進行的分析，學生已經(jīng)對浮力有了全新的、深入的理論認識。在理論認識的基礎(chǔ)上，引導學生分析新課引入部分的乒乓球沉浮實驗的實驗現(xiàn)象和“橋墩是否受到水的浮力作用”問題，將浮力知識的學習回歸于實際問題的解決。一方面，將浮力知識與生活實際相聯(lián)系，培養(yǎng)學生將所學運用于實踐的意識和能力；另一方面，通過對實際問題的分析，解決認知上的矛盾，從根本上糾正學生“一切浸在液體中的物體均受到浮力”的錯誤前概念，幫助學生更深刻地理解阿基米德原理的適用條件。

依據(jù)上述指導思想及實驗改進所撰寫的教學設(shè)計在第四屆華夏杯物理教學創(chuàng)新大賽中榮獲一等獎，在比賽的模擬授課環(huán)節(jié)獲得了很好的教學效果。

參考文獻

[1] 宋愛國.《浮力》教學設(shè)計賞析[J].中學物理教學參考，2013（8）.

[2] 虞凱天.華師大版八年級科學《浮力》教學設(shè)計與反思[J].中學物理，2015 （4）.

[3] 劉健智，張乃霽.《浮力》探究教學的思考及創(chuàng)新[J].中學物理教學參考，2014（4）.

[4] 易其順，蔣志年.物理學科中“浮力”實驗教學的研究[J].教學與管理，2006（12）.

[5] 姜娜.自制教具做好實驗突破難點——浮力第1課時教學的改進與設(shè)計[J].中學物理，2011 （20）.

[6] 程挺模.關(guān)于《浮力》一節(jié)“浮力方向”的設(shè)計評析[J].中學物理：初中版，2013（4）.

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[9] 程銀生.改進實驗：探究浮力產(chǎn)生的原因[J].學周刊，2016（32）.

[10] 邵建新.論浮力的計算[J].物理與工程，2006（32）.

【責任編輯 孫曉雯】endprint