李秀斌 張維軍 郭志涵 潘普 朱亞君 李凌云

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

前概念 ?浮力 ?概念轉(zhuǎn)變

前概念即前科學(xué)概念，是指學(xué)習(xí)者在接受正規(guī)的科學(xué)教育之前，對從周圍獲得的各種經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工從而形成的概念，是基于感知的認(rèn)識和理解[1]。學(xué)習(xí)科學(xué)的研究結(jié)果表明，學(xué)習(xí)者總是帶著前概念進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)的，學(xué)習(xí)者已有的前概念對科學(xué)概念的學(xué)習(xí)有著直接的影響。

通常在教學(xué)之前，教師要進(jìn)行學(xué)情分析。一是要了解學(xué)習(xí)者的特征，如學(xué)習(xí)者心理特征、學(xué)習(xí)風(fēng)格等;二是了解學(xué)習(xí)者已有的知識，包括已經(jīng)掌握的預(yù)備知識與技能、前概念知識等;三是了解學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度?？梢姡案拍钪R的探查是教學(xué)實(shí)施之前必備的環(huán)節(jié)，是教學(xué)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。因此，在教學(xué)前了解學(xué)生具有什么樣的前概念知識顯得非常必要。

一、研究設(shè)計(jì)

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

二、研究結(jié)果分析

1.對浮力的認(rèn)識

用一個(gè)日常生活中常見的問題“你可以將一個(gè)落在細(xì)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(xué)生對于浮力的認(rèn)識。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，86.6%的學(xué)生認(rèn)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(xué)生對浮力有一定的感性認(rèn)識，能夠運(yùn)用浮力知識來解決生活問題。13.4%的學(xué)生選擇用筷子、木頭、吹風(fēng)機(jī)取出乒乓球，可見仍有部分學(xué)生缺少相應(yīng)的生活經(jīng)驗(yàn)，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(rèn)為造成這一現(xiàn)象的原因是什么？”時(shí)，71.3%的學(xué)生認(rèn)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(xué)生的答案是錯(cuò)誤的。在錯(cuò)誤的答案中，33%的學(xué)生認(rèn)為是因?yàn)椤八懈×Α保?5%的學(xué)生則認(rèn)為“浮力使石頭重力減小”，13%的學(xué)生認(rèn)為是“水對石頭有支持力”，12%的學(xué)生對這一現(xiàn)象無法給出任何解釋，5%的學(xué)生認(rèn)為原因是“水的阻力”。由此可見學(xué)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(rèn)識。

由表1可知，91.4%的學(xué)生認(rèn)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(gè)或多個(gè)沒有受到浮力。絕大部分學(xué)生認(rèn)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(rèn)識

在回答“由鋼鐵制作的航空母艦?zāi)芷≡诤Ｋ砻?，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(xué)生給出了正確答案，84.2%的學(xué)生都給出了錯(cuò)誤的答案。在錯(cuò)誤的答案中，28%的學(xué)生沒有回答這一問題，17%的學(xué)生認(rèn)為“鋼塊受到的浮力小于航母受到的浮力”，16%的學(xué)生認(rèn)為“航母受力面積比鋼塊大的多”，14%的學(xué)生認(rèn)為“航母體積大”?？梢姶蟛糠謱W(xué)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(yàn)，從“接觸面積、受力面積”等方面去認(rèn)識問題。

根據(jù)表2可知，28.7%的學(xué)生認(rèn)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(xué)生給出的答案是錯(cuò)誤的，其中30%的學(xué)生認(rèn)為“鹽水密度大浮力大”。通過進(jìn)一步訪談可知，盡管學(xué)生認(rèn)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(guān)系去判斷沉浮。18%的學(xué)生認(rèn)為“鹽水對雞蛋有浮力”，10%的學(xué)生認(rèn)為“鹽水密度小浮力小”，10%的學(xué)生認(rèn)為“物體重力小于物體在鹽水中受到的浮力”?？梢娫趯W(xué)習(xí)過密度概念的前提下，學(xué)生能夠從密度角度思考相關(guān)問題，但只是根據(jù)主觀經(jīng)驗(yàn)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(shí)松開手時(shí)，判斷大石塊和小木塊的沉浮”時(shí)，91.8%的學(xué)生認(rèn)為大石塊將下沉，76%的學(xué)生認(rèn)為小木塊將上浮。通過進(jìn)一步訪談可知，學(xué)生評判的依據(jù)是日常生活經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)學(xué)生根據(jù)“以前玩過，以前看到過”來判斷。認(rèn)為大石塊受到的浮力大于小木塊受到的浮力的占33.5%，認(rèn)為大石塊受到的浮力大于自身重力的占68.4%，認(rèn)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(xué)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(xué)習(xí)過二力平衡，但對于浮力和物體的重力比較認(rèn)識不全面。仍有一部分學(xué)生認(rèn)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(guān)系的認(rèn)識

當(dāng)被問到“一艘輪船自身的重力是2×106N，當(dāng)它漂在海面上時(shí)，它受到的浮力是__N”時(shí)，59.6%的學(xué)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(shí)受到的浮力是__N?！眱H有26.9%的學(xué)生的答案是正確的?？梢妼W(xué)生對漂浮時(shí)浮力與重力的關(guān)系理解并不深刻，缺乏在具體情境中運(yùn)用物理知識的能力。

表3

根據(jù)表3可知，85.1%的學(xué)生知道石塊在水中受到浮力，因此彈簧測力計(jì)示數(shù)會(huì)變小。74.5%的學(xué)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(xué)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(xué)生根據(jù)對彈簧測力計(jì)的認(rèn)識和題目所給提示能夠進(jìn)行簡單的邏輯推理，而不是根據(jù)石塊在液體中的體積進(jìn)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(xué)生知道湯圓下沉是由于浮力小于重力造成的，87%的學(xué)生認(rèn)為湯圓受熱時(shí)浮力增大。根據(jù)進(jìn)一步訪談得知，學(xué)生是根據(jù)二力平衡原理推理出結(jié)果的。在第三計(jì)算湯圓所受浮力大小的時(shí)候，90.9%的學(xué)生都遇到了困難。

表4

4.對漂浮、懸浮和下沉狀態(tài)的認(rèn)識

由表5可知，96.2%的學(xué)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(xué)生認(rèn)為物體漂浮在水面時(shí)所受浮力最大，而懸浮時(shí)除重力和浮力外還應(yīng)存在其他的力，說明學(xué)生已有的“漂浮、懸浮”前概念和物理學(xué)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(xué)生認(rèn)為A容器中液體密度最大。但是通過訪談可知，學(xué)生認(rèn)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(rèn)為能將同樣的球托到上面說明密度大?！薄懊芏却蟮囊后w浮力相對大一些，所以看哪 個(gè)球浮出的程度大就選哪個(gè)?！薄耙?yàn)闀?huì)漂在水面上所以覺得它的密度是最大的”。在進(jìn)一步追問原因時(shí)，他們卻回答不出來。在錯(cuò)誤答案中，大多數(shù)學(xué)生是猜測的。一部分學(xué)生認(rèn)為“液體密度最大小球才會(huì)下沉”，“液體的密度大于球的密度所以會(huì)浮的比較高”。

表6

三、研究結(jié)論

（1）大部分學(xué)生對浮力有一定的感性認(rèn)識，能夠運(yùn)用浮力知識來解決生活問題。

（2）大多數(shù)學(xué)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(xué)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(yàn)，從“接觸面積、受力面積”等方面去認(rèn)識問題;盡管學(xué)習(xí)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(guān)系認(rèn)識不全面。

（4）學(xué)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(xué)生認(rèn)為物體漂浮在水面時(shí)所受浮力最大，認(rèn)為懸浮時(shí)除重力和浮力外還應(yīng)存在其他的力，學(xué)生對于“漂浮、懸浮”的前概念與漂浮、懸浮科學(xué)概念之間存在偏差。

（5）對液體的密度與浮力的關(guān)系不清楚。盡管學(xué)習(xí)了密度概念，但是學(xué)生很難理解密度與物體沉浮的關(guān)系。

四、對浮力教學(xué)的建議

由于前概念來自于生活中的經(jīng)驗(yàn)，具有自發(fā)性、隱蔽性、頑固性、廣泛性等特點(diǎn)[2]，因此在探查了學(xué)生關(guān)于浮力的前概念之后，教師應(yīng)該采取相應(yīng)的教學(xué)策略進(jìn)行前概念轉(zhuǎn)變。在教學(xué)過程中，教學(xué)策略的選擇應(yīng)該根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生的特征以及前概念的特點(diǎn)而定。近年來，基于計(jì)算機(jī)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(xué)學(xué)習(xí)中[3]。基于計(jì)算機(jī)模型建構(gòu)方法超越了傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)中的觀察和實(shí)驗(yàn)，可以提供洞察宏觀和微觀世界的橋梁，進(jìn)一步拓展了科學(xué)推理和思維的空間。學(xué)生還可以通過計(jì)算機(jī)模型建構(gòu)工具創(chuàng)建知識模型，教師根據(jù)學(xué)生創(chuàng)建的模型評估學(xué)生對知識的理解。此外，學(xué)生在模型構(gòu)建中進(jìn)行交流、討論與合作，能夠引發(fā)認(rèn)知沖突，加強(qiáng)了對知識的及時(shí)反饋。因此，基于計(jì)算機(jī)模型建構(gòu)的方法應(yīng)用于浮力知識的教學(xué)，將會(huì)是一種對傳統(tǒng)概念轉(zhuǎn)變方法的有效補(bǔ)充，并在實(shí)際的教學(xué)中發(fā)揮重要作用。

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參考文獻(xiàn)

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[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(xué)高級教師;張維軍（1980-），男，江蘇江寧人，南京市天景山中學(xué)教師;郭志涵（1980-），女，江蘇江寧人，南京市天景山中學(xué)教師;潘普（1982-），男，江蘇江寧人，南京市天景山中學(xué)教師;朱亞君（1982-），女，江蘇江寧人，南京市天景山中學(xué)教師;李凌云（1979-），女，江蘇如皋人，南京曉莊學(xué)院教師教育學(xué)院副教授，碩士。]

【責(zé)任編輯 ?郭振玲】