邵建新+劉敏

摘 要 針對(duì)如何“認(rèn)識(shí)浮力”這一教學(xué)難點(diǎn)，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(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)浮力概念引入、浮力的定義、浮力產(chǎn)生原因的教學(xué)及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，重在從認(rèn)知沖突出發(fā)，轉(zhuǎn)變學(xué)生錯(cuò)誤前概念，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮力知識(shí)的深入理解和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 浮力 認(rèn)知沖突 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 教學(xué)改進(jìn)

一、教材分析

浮力是初中物理力學(xué)部分的重難點(diǎn)知識(shí)之一。認(rèn)識(shí)浮力是在綜合應(yīng)用液體壓強(qiáng)、壓力、二力平衡等知識(shí)的基礎(chǔ)上展開(kāi)的。義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)浮力”，旨在提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們從學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)設(shè)置與學(xué)生原有認(rèn)知相沖突的問(wèn)題，在認(rèn)知沖突下展開(kāi)教學(xué)，同時(shí)利用邊教邊實(shí)驗(yàn)的方法，讓學(xué)生經(jīng)歷探究活動(dòng)過(guò)程，使學(xué)生在感知浮力的基礎(chǔ)上修正其“浮力前概念”，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)。

二、浮力概念引入的改進(jìn)設(shè)計(jì)

當(dāng)前在浮力教學(xué)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(jiàn)的浮力現(xiàn)象，如輪船漂浮在海面上，乒乓球放入水中會(huì)浮出水面，“冰山漂浮，死海不死”[1]等等；也有些教師讓學(xué)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(dǎo)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(xué)生親身感知浮力的存在，多為學(xué)生早已熟識(shí)的生活場(chǎng)景，并不能很好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)浮力這一章知識(shí)的強(qiáng)烈欲望。我們從與學(xué)生前概念沖突的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象著手，讓學(xué)生開(kāi)始質(zhì)疑自身原本對(duì)浮力的理解，并在觀察“反?！钡膶?shí)驗(yàn)現(xiàn)象過(guò)程中產(chǎn)生強(qiáng)烈的認(rèn)知反差，從而形成強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

1.讓學(xué)生質(zhì)疑自己

中學(xué)生原本在自身生活經(jīng)驗(yàn)的支配下，在頭腦中已經(jīng)形成了對(duì)浮力的一些認(rèn)識(shí)。并且中學(xué)生對(duì)自己的理解是確信的。通過(guò)提問(wèn)的方式使學(xué)生對(duì)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(duì)接下來(lái)進(jìn)一步學(xué)習(xí)的關(guān)注。如在新課開(kāi)始前讓學(xué)生思考：“一個(gè)完好無(wú)損的乒乓球放入水中是不是一定會(huì)漂浮在水面呢？”在中學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)中，乒乓球是肯定會(huì)漂浮在水面上的。當(dāng)老師向?qū)W生提出這樣的問(wèn)題時(shí)，學(xué)生便開(kāi)始對(duì)自己原有認(rèn)知產(chǎn)生質(zhì)疑，這種質(zhì)疑相比直接提問(wèn)“為什么輪船會(huì)漂浮在水面上？會(huì)使學(xué)生對(duì)浮力產(chǎn)生更深的認(rèn)知體驗(yàn)和更為積極的注意。

2.制造認(rèn)知沖突

通過(guò)提問(wèn)，學(xué)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(xué)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?jī)?nèi)，向瓶?jī)?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(xué)生通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，感知與前概念相沖突的“反?！笔聦?shí)，產(chǎn)生新奇體驗(yàn)。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(gè)小小的操作產(chǎn)生完全不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。學(xué)生在觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的過(guò)程中再次獲得新奇的體驗(yàn)。在演示實(shí)驗(yàn)中的兩次新奇體驗(yàn)使學(xué)生對(duì)接下來(lái)的學(xué)習(xí)產(chǎn)生濃厚的興趣。同時(shí)通過(guò)思考問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)觀察，學(xué)生接下來(lái)的學(xué)習(xí)也具有了明顯的目的性。該演示實(shí)驗(yàn)常被中學(xué)教師用來(lái)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(xué)生的直觀體驗(yàn)時(shí)間太短，所能獲得的認(rèn)知僅停留在物體下方有液體便會(huì)上浮。在此過(guò)程中，學(xué)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(jìn)行錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)。

三、浮力定義的教學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)

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?yàn)改進(jìn)

通過(guò)對(duì)已有研究和教學(xué)實(shí)際的分析，探究浮力方向的實(shí)驗(yàn)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(méi)，觀察紅線在豎直方向上被拉直，再傾斜燒杯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在燒杯外側(cè)懸掛重錘，進(jìn)行對(duì)比，目的是將浮力與重力相關(guān)聯(lián)[6][7]。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，以上實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在不足之處。首先，光的折射作用對(duì)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象造成干擾。由于燒杯是圓柱型容器，當(dāng)教師在傾斜燒杯的過(guò)程中，僅有部分學(xué)生觀察到紅線是在豎直方向上，其他學(xué)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(guò)程中容易產(chǎn)生晃動(dòng)；若將重錘懸掛于鐵架臺(tái)之上，重錘與燒杯分離，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或造成喧賓奪主之效。

依據(jù)以上分析，我們對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。如圖2所示，首先，將大燒杯換成長(zhǎng)方體玻璃容器，以其中一個(gè)面正對(duì)學(xué)生放置于水平桌面上，減小光的折射對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象產(chǎn)生的干擾；并在正對(duì)學(xué)生的一面上粘貼垂直于容器底部的黑色直線，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)，乒乓球靜止漂浮在水面上，讓學(xué)生分析乒乓球的受力情況。學(xué)生在進(jìn)行受力分析的過(guò)程中，會(huì)自覺(jué)回顧二力平衡的知識(shí)，并將重力與浮力相關(guān)聯(lián)，從而凸顯物理力學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)性，同時(shí)有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)分析實(shí)際問(wèn)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(méi)，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(xué)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(qiáng)調(diào)施力物體和受力物體

在浮力定義的教學(xué)過(guò)程中，教師往往花費(fèi)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(duì)浸在其中物體施加的向上的力。這個(gè)力只是物體受到的所有力的一部分。強(qiáng)調(diào)浮力的施力物體，一方面有利于排除重力對(duì)浮力學(xué)習(xí)的干擾，使學(xué)生更好地學(xué)習(xí)浮力產(chǎn)生的原因；另一方面有利于轉(zhuǎn)變學(xué)生“物體沉浮是由物體是否受到浮力作用”的錯(cuò)誤概念，為物體浮沉條件的學(xué)習(xí)減少認(rèn)知障礙。

四、浮力產(chǎn)生原因的教學(xué)改進(jìn)設(shè)計(jì)

中學(xué)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(yàn)，加之對(duì)浮力定義的學(xué)習(xí)，對(duì)浮力已經(jīng)有了更深一步的認(rèn)識(shí)。但是，學(xué)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(cuò)誤前概念，而這一錯(cuò)誤前概念直接影響阿基米德原理的學(xué)習(xí)和應(yīng)用。由于書(shū)本上缺少演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，有研究者進(jìn)行了新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[8][9]，但是其實(shí)驗(yàn)器材存在不易制作或材料不易獲得的缺陷。我們?cè)趯W(xué)生已有知識(shí)的基礎(chǔ)上，從學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，自然導(dǎo)入設(shè)定的認(rèn)知矛盾，利用簡(jiǎn)易自制教具進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，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(xué)生的認(rèn)知矛盾。endprint

1.導(dǎo)入認(rèn)知沖突

請(qǐng)學(xué)生列舉生活中的浮力現(xiàn)象。學(xué)生會(huì)根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，列舉常見(jiàn)并正確的生活實(shí)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(shí)，教師對(duì)學(xué)生的答案給予肯定，使學(xué)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(xué)生思考“橋墩是否受到水的浮力作用”。該問(wèn)題的拋出使學(xué)生開(kāi)始質(zhì)疑自己的前概念，激發(fā)了學(xué)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(duì)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(gè)壓力差是浮力的本質(zhì)，因此將浮力作用的過(guò)程進(jìn)行分解，讓學(xué)生直觀感知到這個(gè)壓力差的存在，對(duì)學(xué)習(xí)浮力至關(guān)重要。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示這個(gè)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(kāi)幾個(gè)洞，并將一個(gè)密封良好的氣球輕輕放入倒立的塑料瓶?jī)?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?jī)?nèi)注水，直至氣球下落至瓶口處，在此期間，讓學(xué)生認(rèn)真觀察，并分析氣球下落的原因。這一步實(shí)驗(yàn)操作，讓學(xué)生感知到液體對(duì)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(yùn)動(dòng)。在此期間，學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并分析氣球上浮的原因。這一步實(shí)驗(yàn)操作，氣球上升，讓學(xué)生感知到液體對(duì)物體存在一個(gè)向上和向下的壓力差，當(dāng)這個(gè)壓力差足夠大時(shí)可以使物體上浮。

3.運(yùn)用模型法分析浮力與液體壓力差之間的關(guān)系

演示實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示液體對(duì)物體向上和向下的壓力差。但實(shí)驗(yàn)并不足以說(shuō)明浮力產(chǎn)生的原因就是這個(gè)壓力差，也不能說(shuō)明浮力的大小就等于這個(gè)壓力差。通過(guò)建立理想模型，如圖4所示，將一個(gè)長(zhǎng)方體物塊豎直浸沒(méi)到液體中，運(yùn)用二力平衡、壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)、壓力的知識(shí)推導(dǎo)出浮力就是液體對(duì)物體向上和向下的壓力差。

由于液體對(duì)長(zhǎng)方體上表面的壓強(qiáng)小于下表面的壓強(qiáng)，即有

P向上>P向下

因?yàn)殚L(zhǎng)方體上下表面的面積相等，再結(jié)合壓強(qiáng)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(duì)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(jìn)一步分析得出：如果不存在液體對(duì)物體向上的壓力或液體對(duì)物體向上的壓力小于向下的壓力，均不存在浮力（有興趣進(jìn)一步探究的讀者可閱讀文獻(xiàn)[10]）。

4.回歸實(shí)踐，解決認(rèn)知沖突

通過(guò)對(duì)浮力的定義，方向以及浮力產(chǎn)生的原因進(jìn)行的分析，學(xué)生已經(jīng)對(duì)浮力有了全新的、深入的理論認(rèn)識(shí)。在理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生分析新課引入部分的乒乓球沉浮實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和“橋墩是否受到水的浮力作用”問(wèn)題，將浮力知識(shí)的學(xué)習(xí)回歸于實(shí)際問(wèn)題的解決。一方面，將浮力知識(shí)與生活實(shí)際相聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)運(yùn)用于實(shí)踐的意識(shí)和能力；另一方面，通過(guò)對(duì)實(shí)際問(wèn)題的分析，解決認(rèn)知上的矛盾，從根本上糾正學(xué)生“一切浸在液體中的物體均受到浮力”的錯(cuò)誤前概念，幫助學(xué)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(dǎo)思想及實(shí)驗(yàn)改進(jìn)所撰寫(xiě)的教學(xué)設(shè)計(jì)在第四屆華夏杯物理教學(xué)創(chuàng)新大賽中榮獲一等獎(jiǎng)，在比賽的模擬授課環(huán)節(jié)獲得了很好的教學(xué)效果。

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【責(zé)任編輯 孫曉雯】endprint