促進(jìn)學(xué)生概念轉(zhuǎn)變的探究教學(xué)探討
——以“浮力大小的影響因素”的教學(xué)為例

李陳樂 洪 鑫

(1. 江蘇省常州市第二十四中學(xué),江蘇 常州 213003;2. 上海市松江區(qū)洞涇學(xué)校,上海 201600)

1 引言

初中生在學(xué)習(xí)浮力時(shí),由于受前概念的影響，對(duì)浮力產(chǎn)生的原因、浮力大小的影響因素以及阿基米德原理等存在一定的認(rèn)知誤區(qū)。探究“浮力大小的影響因素”是阿基米德原理的教學(xué)基礎(chǔ),因此該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)學(xué)生正確理解浮力具有重要的作用。筆者對(duì)“浮力大小的影響因素”實(shí)驗(yàn)中學(xué)生可能存在的前概念進(jìn)行分析,針對(duì)學(xué)生的前概念及其成因設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)，貫徹“為概念轉(zhuǎn)變而教”的理念。

2 學(xué)生關(guān)于浮力的前概念

由于生活經(jīng)驗(yàn)的影響，學(xué)生腦海中存在較多前概念,其中存在與科學(xué)概念相左的錯(cuò)誤前概念,通常會(huì)對(duì)學(xué)生的科學(xué)概念學(xué)習(xí)產(chǎn)生負(fù)面的干擾作用,[1]所以物理概念教學(xué)中更應(yīng)注重“為概念轉(zhuǎn)變而教”。[2]但前概念因其復(fù)雜性、頑固性、自發(fā)性和內(nèi)隱性等特點(diǎn),[3][4]導(dǎo)致針對(duì)前概念的概念轉(zhuǎn)變教學(xué)存在一定的困難。

在“浮力”教學(xué)中，前概念是設(shè)計(jì)浮力教學(xué)的重要依據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)浮力前概念進(jìn)行了調(diào)查，例如美國的洛弗魯?shù)热死梦鍌€(gè)質(zhì)量不同的物塊在液體中的沉浮情景調(diào)查學(xué)生的前概念,結(jié)果表明：學(xué)生對(duì)于物體的質(zhì)量、浸在液體中的深度和體積等方面均存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)。[5]

佘曉清針對(duì)浸入物體的體積(大小)、液體的密度、物體的密度、物體浸沒的深度以及物體的水平或垂直放置這五個(gè)因素進(jìn)行調(diào)查,其中物體密度、物體的水平或垂直放置以及浸沒深度是對(duì)學(xué)生具有很強(qiáng)的迷惑性的三個(gè)因素，調(diào)查結(jié)果表明：大部分受試者均會(huì)考慮液體和物體的密度對(duì)浮力大小的影響。[6]

易其順等人的前概念調(diào)查結(jié)果也表明：學(xué)生認(rèn)為浮力大小的影響因素主要包括物體的體積、輕重、密度、空心或?qū)嵭?、沉浮、形狀、放置方式、吸水量以及物體浸入液體的深度等。主要的錯(cuò)誤前概念集中在體積、輕重、密度和空心或?qū)嵭姆矫?。[7]

綜合以上學(xué)者的調(diào)查結(jié)果,學(xué)生對(duì)于浮力大小的影響因素的認(rèn)識(shí)存在的前概念主要分為三類，如表1所示。

通過文獻(xiàn)梳理發(fā)現(xiàn),學(xué)生傾向于認(rèn)為在浮力大小的影響因素中,物體的性質(zhì)起主要作用,容易忽略液體的性質(zhì),并且對(duì)于物體與液體間的相互作用的認(rèn)識(shí)存在認(rèn)知誤區(qū)。

3 錯(cuò)誤前概念的成因

為在物理教學(xué)中達(dá)到轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤前概念的目的,除了對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤前概念進(jìn)行調(diào)查、掌握學(xué)生已有認(rèn)知情況外,更需對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤前概念的形成原因進(jìn)行分析,才能有的放矢，各個(gè)擊破。學(xué)生錯(cuò)誤前概念的形成主要來源于生活經(jīng)驗(yàn)的負(fù)面干擾,也有部分來源于知識(shí)的負(fù)遷移。以下從生活情境的干擾和已學(xué)知識(shí)的負(fù)遷移兩個(gè)方面對(duì)學(xué)生關(guān)于浮力大小影響因素的錯(cuò)誤前概念進(jìn)行分析。

3.1 生活情境的干擾

生活經(jīng)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)概念的重要依托,物理教學(xué)中常應(yīng)用生活事例創(chuàng)設(shè)情境,引導(dǎo)學(xué)生在情境中建構(gòu)物理概念,這也體現(xiàn)了“從生活走向物理”的課程理念。但是由于生活情境的干擾,學(xué)生在頭腦中也形成了“浮力大小的影響因素”的錯(cuò)誤前概念，表2為學(xué)生可能存在的前概念和與之相對(duì)應(yīng)的生活情境。

表2

生活現(xiàn)象是紛繁復(fù)雜的,難以用單一的物理知識(shí)進(jìn)行解釋，初中學(xué)生尚不具備針對(duì)復(fù)雜生活現(xiàn)象分析其中浮力的本質(zhì)的能力。學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為在液體中向上浮起的物體受浮力作用,而下沉中的物體不受浮力作用。當(dāng)學(xué)生認(rèn)識(shí)到一切浸在液體中的物體都會(huì)受到浮力作用后,學(xué)生會(huì)根據(jù)上浮的運(yùn)動(dòng)情況判斷浮力大小,存在“容易浮起的物體受到的浮力更大”這樣的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。

針對(duì)物體漂浮的狀態(tài),學(xué)生很容易混淆液體表面張力現(xiàn)象和浮力現(xiàn)象,他們會(huì)認(rèn)為增大物體與液體表面的接觸面積會(huì)增大浮力,浮力大小與物體和液體的接觸面積有關(guān)。

3.2 已學(xué)知識(shí)的負(fù)遷移

在學(xué)習(xí)浮力之前,學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了質(zhì)量和密度的概念,其中學(xué)生對(duì)密度的理解存在困難,他們可能會(huì)認(rèn)為較小的物體的密度更大,并且由于在小學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)時(shí)對(duì)形狀的過度強(qiáng)調(diào),學(xué)生也可能會(huì)認(rèn)為浮力大小與物體的形狀有關(guān)。[8]

在探究浮力大小的影響因素之前,學(xué)生也學(xué)習(xí)了液體壓強(qiáng)的知識(shí),并且已經(jīng)了解浮力是由液體對(duì)物體向上和向下的壓力差產(chǎn)生的。但正因?yàn)閴毫Σ畹姆治鰧?dǎo)致學(xué)生對(duì)壓力與浮力關(guān)系存在困惑:大多數(shù)學(xué)生已經(jīng)意識(shí)到,液體對(duì)物體的各個(gè)表面施加的壓力隨著深度的增加而增加,他們可能會(huì)忽略浮力是上下表面的壓力差,認(rèn)為物體所受浮力的大小也與深度相關(guān)。他們也可能認(rèn)識(shí)到浮力是上下表面的壓力差,但仍認(rèn)為壓力差——浮力也隨深度的增加而增加。

由于密度知識(shí)和液體壓強(qiáng)知識(shí)的不當(dāng)遷移,學(xué)生難以從浮力的直觀現(xiàn)象中認(rèn)識(shí)影響浮力大小的深層次原因。

4 轉(zhuǎn)變錯(cuò)誤前概念的探究教學(xué)

學(xué)生的錯(cuò)誤前概念主要源于他們的小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)和日常生活經(jīng)驗(yàn),要轉(zhuǎn)變學(xué)生關(guān)于“浮力”的錯(cuò)誤前概念，在教學(xué)中就需要給學(xué)生提供充分的實(shí)驗(yàn)探究機(jī)會(huì)。[9]

4.1 邏輯分析,歸并猜想

在“浮力大小的影響因素”的教學(xué)中,對(duì)于學(xué)生和教師共同提出的多個(gè)猜想,并不是所有的猜想都需要通過實(shí)驗(yàn)探究進(jìn)行論證,在實(shí)驗(yàn)探究前的邏輯分析也是必要的。雖然不能通過嚴(yán)格的邏輯證偽來排除以上的猜想,但是通過邏輯分析可以歸并非獨(dú)立的影響因素,從而確定需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究的影響因素。通過邏輯分析歸并猜想的過程可以理解為“弱”證偽,即排除并非需實(shí)驗(yàn)探究的猜想的過程。

4.1.1 質(zhì)量、體積、密度和重力等的邏輯歸并

對(duì)以上前概念中物體性質(zhì)和液體性質(zhì)中的質(zhì)量、體積、密度和重力等相關(guān)因素進(jìn)行歸并,確定需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的影響因素。由G=mg可知：質(zhì)量與常量g的乘積即為重力,兩者之間是不獨(dú)立的,所以只需通過實(shí)驗(yàn)探究其中之一即可。由物體的質(zhì)量、密度和體積的關(guān)系m=ρV可知：若只探究質(zhì)量,而不知道它具體是和密度、體積有關(guān),還是與密度和體積都有關(guān),因此不能只探究質(zhì)量；反過來,若既探究密度又探究體積,不僅可以確定和這兩者之間的關(guān)系,同時(shí)也探究了和質(zhì)量的關(guān)系。綜上分析可知,當(dāng)物體的密度和體積確定時(shí),其質(zhì)量和重力的大小都是確定的,所以只需探究物體的密度和體積對(duì)物體所受浮力大小的影響即可。同理,欲探究與液體相關(guān)的質(zhì)量、密度、體積和重力的影響,只需探究液體的密度和體積即可。

4.1.2 對(duì)浸入深度、浸入體積和接觸面積等的邏輯歸并

物體和液體對(duì)浮力大小的影響可以通過控制變量法實(shí)現(xiàn)有效的驗(yàn)證，但對(duì)于深度和接觸面積的實(shí)驗(yàn)探究設(shè)計(jì)存在一定的困難。因?yàn)楫?dāng)物體部分浸入液體中時(shí),浸入液體的體積與浸入深度和接觸面積的關(guān)系有V=Sh,這與以上質(zhì)量、密度和體積關(guān)系的邏輯分析與歸并相似,所以需探究其中浸入深度和接觸面積這兩個(gè)影響因素。當(dāng)物體完全浸沒到液體中時(shí),浸入液體的體積即為物體的體積,浸入液體的體積與浸入深度和接觸面積無關(guān),彼此相互獨(dú)立。

有學(xué)者考慮到浸入深度和浸入體積的關(guān)系,認(rèn)為探究浸入深度對(duì)浮力的影響是一個(gè)“偽探究”,不需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,直接驗(yàn)證體積的影響即可。[9]但前概念的調(diào)查結(jié)果表明,由于生活經(jīng)驗(yàn)的干擾和知識(shí)的負(fù)遷移,接觸面積和深度這兩個(gè)因素的前概念最難改變,[10]與其說探究浸入深度對(duì)浮力的影響是一個(gè)“偽探究”,不如說探究浸入深度對(duì)浮力的影響是“科學(xué)探究的證偽過程”。所以在探究浮力大小的影響因素時(shí),對(duì)于接觸面積和深度的探究應(yīng)給予足夠的重視。

綜合考慮物體部分浸入和完全浸沒兩種不同狀態(tài),對(duì)于部分浸入和完全浸沒兩種狀態(tài)應(yīng)分開進(jìn)行探究,其中完全浸沒的狀態(tài)可以歸并到探究物體的體積中去。當(dāng)物體完全浸沒時(shí),學(xué)生能夠很直觀地觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)不變,表明浮力大小與浸沒深度無關(guān),而與浸沒體積有關(guān)。但是當(dāng)物體部分浸沒時(shí),隨著深度與體積同時(shí)增大,物體所受的浮力也會(huì)增大。所以對(duì)于物體部分浸沒時(shí),浸入深度和浸入體積這兩個(gè)影響因素,需要設(shè)計(jì)浸入體積相同而浸入深度不同的實(shí)驗(yàn)探究來論證,從而轉(zhuǎn)變學(xué)生的錯(cuò)誤前概念。

4.2 實(shí)驗(yàn)探究,證實(shí)證偽

4.2.1 師生合作實(shí)驗(yàn)探究

圖1

為保證能夠穩(wěn)定讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù),可將彈簧測(cè)力計(jì)固定在鐵架臺(tái)上,用紅線標(biāo)記刻度,便于學(xué)生觀察,為連續(xù)獲得多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可通過升降臺(tái)調(diào)節(jié)水槽高度,改變浸沒深度和體積。[11]在實(shí)驗(yàn)中選用一塊密度大約為2.5 g/cm3的長方體玻璃磚,用紅色細(xì)線將其均分為如圖1所示的八個(gè)等大的部分。[12]實(shí)驗(yàn)時(shí),將彈簧測(cè)力計(jì)固定在鐵架臺(tái)上,燒杯中盛有適量水,將燒杯放置在升降臺(tái)上。用細(xì)繩栓住玻璃磚,使其懸在燒杯的上方,開始時(shí)玻璃磚未浸入水中。此時(shí)讀出彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù),測(cè)得物塊所受重力G。

控制物體浸入體積相同,改變浸入深度。當(dāng)長方體水晶玻璃磚部分浸入時(shí),只有當(dāng)分別在橫向和縱向浸沒一半體積時(shí),才能夠控制浸入體積相同而浸入深度不同，測(cè)出在兩種情況下浮力大小相等。當(dāng)物體完全浸沒時(shí),物體浸沒體積不變,此時(shí)調(diào)節(jié)升降臺(tái)的高度,再改變物體的浸沒深度，測(cè)出的浮力大小也不變。由此得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論:物體所受浮力的大小與物體浸入液體中的深度無關(guān)。

4.2.2 學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)探究

將學(xué)生分為五個(gè)實(shí)驗(yàn)小組,教師指導(dǎo)每個(gè)小組分別設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)其中某一影響因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究,并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄表格,完成實(shí)驗(yàn)探究報(bào)告。教師在學(xué)生討論實(shí)驗(yàn)計(jì)劃以及數(shù)據(jù)記錄表格時(shí)需巡回指導(dǎo),檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方案的可行性。確定方案可行后,小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn),獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論。實(shí)驗(yàn)探究中為各小組準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)器材如表3所示，其中,探究物體的形狀對(duì)浮力大小的影響所用的橡皮泥里面裹挾了少許小鋼珠,目的是增大浮力的測(cè)量值,便于利用分度值為0.1 N、量程為5 N的彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行兩次拉力大小的測(cè)量，濃鹽水的配置選擇的是常溫下溶解度大于氯化鈉的氯化鎂。

表3

通過比較部分浸沒和完全浸沒的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,論證物體所受浮力大小與物體體積以及物體浸入液體中體積的關(guān)系:當(dāng)物體部分浸沒時(shí),浮力大小與物體體積無關(guān),而是與物體浸沒在液體中的部分體積有關(guān)；當(dāng)物體完全浸沒時(shí),物體浸沒在液體中的體積即為物體體積。所以與浮力大小有關(guān)的因素是物體浸入液體中的體積。

5 結(jié)語

通過指導(dǎo)學(xué)生依據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有依據(jù)的猜想,再創(chuàng)設(shè)情境,引發(fā)學(xué)生思考,繼續(xù)猜想,提出浸入深度和浸入體積等較難理解的影響因素。這一過程注重將提出猜想與假設(shè)的機(jī)會(huì)還給學(xué)生,為學(xué)生提供充分猜想的機(jī)會(huì),以此培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力。邏輯分析的過程就是知識(shí)應(yīng)用的過程,對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生的理性思維能力大有裨益。

在實(shí)驗(yàn)探究中,對(duì)于學(xué)生易于探究的影響因素,教師為學(xué)生提供了充分的探究機(jī)會(huì),在猜想的證實(shí)與證偽的過程中,訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)探究的基本技能,指導(dǎo)學(xué)生在探究中去偽存真,通過親身體驗(yàn)獲得新知。將科學(xué)探究按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分解,指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn),加強(qiáng)學(xué)生之間的交流與合作,樹立學(xué)習(xí)共同體的觀念。

通過總結(jié)得出探究結(jié)論,獲得暫時(shí)性知識(shí),即確定了浮力大小與影響因素的定性關(guān)系。此時(shí)引發(fā)新的問題:浮力大小與這些因素具有怎樣的定量關(guān)系？帶著這個(gè)新問題出發(fā),就自然過渡到阿基米德原理的教學(xué)。從定性關(guān)系到定量關(guān)系的探究過程,是對(duì)浮力知識(shí)學(xué)習(xí)的進(jìn)一步深化。