一、課程標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)要求

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于“沉浮”概念的要求涉及核心概念“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”和“物質(zhì)的運(yùn)動與相互作用”，它對5～6年級學(xué)生的具體要求如下。

能說明常見材料在水中的沉浮現(xiàn)象及其用途（1）；

能比較和分析常見材料在水中的沉浮現(xiàn)象（2）；

能利用控制變量的方法設(shè)計方案并操作，探究不同材料在水中的沉浮現(xiàn)象（3）；

知道日常生活中常見的摩擦力、彈力、浮力等都是直接施加在物體上的力（4）。

目標(biāo)（1）和（4）比較容易達(dá)成，例如：學(xué)生看圖片回憶生活中的物品，討論材料的沉浮和用途就可以達(dá)成目標(biāo)（1）。學(xué)生利用測力計先后在空氣和水中提起同一石塊，比較力的大小，可以發(fā)現(xiàn)物體只有在水中才會受到水的浮力，而且無論沉或浮，只要物體在水中就會受到浮力的作用，這樣就可以達(dá)成目標(biāo)（4）。目標(biāo)（2）和（3）比較難達(dá)成，因為控制變量和對比分析對小學(xué)生來說是難點，不管是設(shè)計實驗還是根據(jù)實驗現(xiàn)象總結(jié)歸納，都有一定的挑戰(zhàn)性。

二、用“預(yù)測”代替“影響”來建構(gòu)概念

為了幫助學(xué)生應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，蘇教版教材中將空心塑料球和橡皮泥組合起來，先后研究“體積相同、質(zhì)量不同的物體的沉浮狀態(tài)”和“質(zhì)量相同、體積不同的物體的沉浮狀態(tài)”，從而讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)哪些因素會影響物體的沉浮狀態(tài)。

這樣的實驗材料是有結(jié)構(gòu)的，但所提煉的問題值得商榷。我們知道，物體是沉是浮取決于其受力情況，即：該物體所受重力和浮力大小相比較的結(jié)果決定其在液體中的沉浮。教材中的實驗材料是特殊的組合材料，離開了這個前提，說“物體的質(zhì)量影響它的沉浮”就不太合適。一般情況下，普通物體不大可能只改變它的質(zhì)量而不改變其體積。同理，除了橡皮泥等很容易改變形狀的材料之外，常見的材料也不大可能只改變它的體積而不改變它的質(zhì)量。

為什么蘇教版教材要引導(dǎo)學(xué)生得出質(zhì)量和體積會影響物體的沉浮狀態(tài)呢？因為課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生能比較和分析常見材料在水中的沉浮現(xiàn)象，這里的“常見材料”暗示著不同密度的物體，學(xué)生在知道“密度”概念之前，適合以相同體積比質(zhì)量或者相同質(zhì)量比體積的方式來理解不同材料的沉浮結(jié)果。這個大方向是對的，但提問方式容易埋下概念錯誤的隱患。常見物體的密度既定，質(zhì)量和體積一般只會發(fā)生等比例的改變，如果不做特殊的加工處理，它在某種確定液體中的沉浮結(jié)果也是不變的。例如，一整個土豆在水中是沉的，即便把它切成土豆片也是沉的。所以，“質(zhì)量和體積會影響物體的沉浮狀態(tài)”這樣的概念并不能幫助學(xué)生解釋類似的現(xiàn)象。

如此分析后我們可以發(fā)現(xiàn)，如果從生活經(jīng)驗和直覺的角度去思考影響物體沉浮狀態(tài)的因素，其實是很難得出質(zhì)量和體積影響物體沉浮的結(jié)論的。像人教鄂教版教材“物體的沉浮和哪些因素有關(guān)”這樣的表述要稍好一些，但說“沉浮與質(zhì)量及體積有關(guān)”也不是很準(zhǔn)確。從科學(xué)分析的角度來看，沉浮狀態(tài)還是和密度有關(guān)。

在小學(xué)階段研究沉浮問題究竟要得出什么樣的結(jié)論才能既維護(hù)科學(xué)正確，又便于學(xué)生理解呢？我認(rèn)為，表述為“哪些屬性有助于預(yù)測物體在水中的沉浮”比較合適，意思是考查和比較哪些物理屬性有助于學(xué)生預(yù)判物體的沉浮。預(yù)測這個詞學(xué)生能理解，而且是在下面提到的實驗中學(xué)生要反復(fù)進(jìn)行的思維活動。既然受力情況才是真正影響物體沉浮狀態(tài)的因素，那其他的物理量就應(yīng)該被理解為可以用來預(yù)測物體沉浮的因素，如綜合考慮物體的質(zhì)量和體積才能預(yù)測其在水中的沉浮狀態(tài)。

三、借助SOLO分類理論考查科學(xué)思維發(fā)展

關(guān)于浮力的探究涉及控制變量的方法，需要運(yùn)用高階思維，所以課程標(biāo)準(zhǔn)將相關(guān)內(nèi)容目標(biāo)放在5～6年級是比較合適的。眾多教材都設(shè)計了對比實驗，其中一個實驗是比較體積相同、質(zhì)量不同物體的沉浮情況，其結(jié)果符合大多數(shù)學(xué)生的預(yù)測；另一個實驗是比較質(zhì)量相同、體積不同物體的沉浮情況，其結(jié)果與部分學(xué)生的預(yù)測有沖突。有的學(xué)生認(rèn)為大的物體更容易沉，有的學(xué)生認(rèn)為物體的質(zhì)量相同時，不管體積如何，沉浮結(jié)果都一樣。學(xué)生將生活中常見的材料組合后再實驗，部分符合自己的預(yù)測，另一部分卻出乎意料，這種既熟悉又陌生的情況能激發(fā)他們強(qiáng)烈的探究欲，推動他們思維的發(fā)展。

怎么考查學(xué)生的思維發(fā)展情況呢？SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome，意為可觀察的學(xué)習(xí)結(jié)果的結(jié)構(gòu)）分類理論就很適合用來設(shè)計相關(guān)評價指標(biāo)。教師可以利用該理論判斷學(xué)生在回答某一具體問題時的思維結(jié)構(gòu)處于哪一層次，是無序還是有序，是具體還是抽象，是單維還是多維。

具體來說，SOLO分類理論的創(chuàng)立者比格斯從量（學(xué)習(xí)要點的數(shù)量）和質(zhì)（如何建構(gòu)學(xué)習(xí)要點）兩個方面把學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果分為五個層次，各個層次及其表現(xiàn)如下。

前結(jié)構(gòu)層次：無法理解和解決問題，或者被材料中的無關(guān)內(nèi)容誤導(dǎo)，回答問題時邏輯混亂。

單點結(jié)構(gòu)層次：只能涉及單一的要點，單憑一條線索就得出結(jié)論。

多點結(jié)構(gòu)層次：能聯(lián)系多個要點，但這些要點是相互孤立的，未形成相關(guān)問題的知識網(wǎng)絡(luò)。

關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次：能夠抓住問題的多個要點，并能將這些要點聯(lián)系起來，真正理解該問題。

拓展抽象結(jié)構(gòu)層次：能夠進(jìn)行抽象概括，從理論的高度分析問題，而且能夠深化問題，使問題本身的意義得到拓展。

據(jù)此，教師可以設(shè)計有關(guān)沉浮問題的思維發(fā)展評價指標(biāo)（見表1）。

有了上述評價指標(biāo)，教師就可以根據(jù)學(xué)生的相關(guān)表現(xiàn)判斷其思維發(fā)展層次。在學(xué)習(xí)之前，相當(dāng)一部分學(xué)生的思維可能處在單點結(jié)構(gòu)層次，經(jīng)過在課堂上對蠟燭、石塊、木頭、羽毛等物體沉浮現(xiàn)象的觀察和討論，他們的思維逐漸向多點結(jié)構(gòu)層次發(fā)展。而要想真正讓他們的思維提升到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次，還得靠控制變量的實驗來實現(xiàn)。根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)要求，在探究不同材料沉浮現(xiàn)象的活動中，學(xué)生的思維只要能達(dá)到關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)層次水平就可以了。對于可能達(dá)到拓展抽象結(jié)構(gòu)層次水平的個別學(xué)生，教師應(yīng)予以肯定，但不需要刻意引導(dǎo)其他學(xué)生達(dá)成。

教師借助上述評價指標(biāo)，結(jié)合學(xué)生課堂上的表現(xiàn)判斷其思維發(fā)展水平，并據(jù)此搭建合適的教學(xué)“腳手架”，能保證教學(xué)的有效性。

四、巧用懸浮材料搭建思維“腳手架”

蘇教版教材在利用控制變量研究物體沉浮現(xiàn)象的實驗中采用空心球這一材料，此設(shè)計很巧妙，因為學(xué)生可以很方便地改變空心球的質(zhì)量（如圖1）。此外，教材在提示中要求學(xué)生先預(yù)測三個球的沉浮狀態(tài)是否一樣，目的在于激發(fā)他們的科學(xué)思維。這一步驟非常必要，但問題也隨之而來：在此情境中，沉浮狀態(tài)是不好準(zhǔn)確預(yù)測的。學(xué)生既不能直觀地看到小球的輕重關(guān)系，也不知道到底有幾個球會浮，不能排除三個都沉，或三個都浮的可能。

人教鄂教版教材在這個環(huán)節(jié)使用的材料能解決部分問題，它用的是裝有染色水的透明藥瓶和裝有不同數(shù)量彈珠的氣球。這種貼近學(xué)生生活的創(chuàng)意可謂獨具匠心（如圖2）：透明藥瓶能讓學(xué)生一看就知道材料之間的質(zhì)量差異，氣球里相同的彈珠數(shù)量也容易被看清。

我們不妨融合兩個版本教材的優(yōu)點，用透明藥瓶和“氣球—彈珠”組合材料，每組采用三個等級，且巧用懸浮現(xiàn)象。即：調(diào)整三個藥瓶的質(zhì)量梯度，使得中等質(zhì)量的那個藥瓶正好懸浮，然后讓學(xué)生預(yù)測另外兩個藥瓶在水中是沉還是浮（如圖3）。這時預(yù)測就變得有據(jù)可依：只要比懸浮的那個瓶子輕一點就會漂浮，重一點的就會沉在水底。同理，教師也可以巧妙把握大小居中的帶彈珠氣球的吹氣量，使其正好懸浮在水中，隨后讓學(xué)生預(yù)測更小的和更大的帶彈珠氣球放入水中是沉還是浮。

五、在變化的情境和反思中強(qiáng)化概念

即便有了合適的材料和正確的導(dǎo)向，浮力的教學(xué)還是不太容易。學(xué)生初步建構(gòu)了科學(xué)概念之后，還要在變化的情境中靈活運(yùn)用，這樣才能夯實他們對概念的理解。

蘇教版教材中拓展應(yīng)用的環(huán)節(jié)是，讓A4紙在水中承載更多的硬幣，但這樣牽涉到的變量太多，如從平面到立體的形狀變化，紙張吸水性的影響等，且費時較長，在課堂上完不成。故事“曹沖稱象”引入了傳統(tǒng)文化固然很好，但學(xué)生只能若有所悟，很難解釋清楚。這個故事中，曹沖利用了等效替代的方法，想到船前后兩次排開水的體積相同時受到的浮力也相同。靜止漂浮說明船受力平衡，此時船和石頭的總重量等于船和大象的總重量，用可分割的石頭替代不可分割的大象，最后分開稱重求和，這無疑是非常聰明的做法。但是學(xué)生不知道浮力的大小與排開水的體積的關(guān)系，也不知道受力平衡的條件。因此，對這個故事的分析也就只能到“與浮力有關(guān)”為止，受到的啟發(fā)有限。

對此，教師可以換用生活中的常見材料，通過演示實驗讓學(xué)生鞏固概念。

例如，教師先出示一個蘋果塊，放入水中，待其漂浮穩(wěn)定后，讓學(xué)生說說觀察到的現(xiàn)象。學(xué)生說完后，教師繼續(xù)出示一個完整的蘋果，讓學(xué)生預(yù)測放入水中會怎樣并問他們?yōu)槭裁催@么預(yù)測。學(xué)生驗證后，請他們解釋為什么那么大的蘋果在水中仍然會浮起來。

在實驗過程中，掌握得比較好的學(xué)生能預(yù)測出完整的蘋果也是浮在水面上的并說出理由：雖然完整的蘋果質(zhì)量更大，但體積也變大了。掌握不太好的學(xué)生可能會預(yù)測錯誤，教師可以在實驗后向他們解釋：完整蘋果和蘋果片相比，質(zhì)量和體積在相同程度地增加，所以沉浮情況相同。

學(xué)生通常好奇且不理解鐵船為什么能浮在水面上，盡管這個現(xiàn)象他們經(jīng)常見到。雖然船用了鐵這種相對大密度的材料，但通過改變形狀增大其包圍的體積（排開水的體積）后，船也能浮起來。為了幫助他們理解，教師可以引入學(xué)生比較熟悉的材料——橡皮泥，具體做法如下。

首先，教師出示橡皮泥，放入水中，讓學(xué)生觀察其沉下去的現(xiàn)象，然后提問：“有沒有辦法讓橡皮泥在水中浮起來？”學(xué)生可能提到借助漂浮物或在水中加鹽的方法，教師可以演示，重點是將橡皮泥捏成空心包子狀后放入水中，讓學(xué)生觀察其沉浮情況，并解釋原因——橡皮泥的質(zhì)量沒有變，但是總體積變大了，原本下沉的橡皮泥浮了起來。

然后，教師將空心包子狀的橡皮泥（用稍微硬一點的橡皮泥比較好）剖成兩半，讓學(xué)生預(yù)測放入水中后是沉還是浮。教師先演示實驗，再帶著學(xué)生討論為什么船形的橡皮泥一樣會浮——和包子狀的橡皮泥相比，體積減小了一半，質(zhì)量也減小了一半，結(jié)果還是一樣。遷移：鐵塊放入水中會沉，但是做成有船艙的輪船就能浮起來，這是為什么——質(zhì)量不變的情況下，總體積增大了。

最后，教師可以問學(xué)生在研究浮力的這節(jié)課上有什么收獲，有沒有什么觀點改變了以及為什么改變自己的觀點。這既引導(dǎo)學(xué)生回顧了概念轉(zhuǎn)變的過程，強(qiáng)化了新概念，又達(dá)成了課程標(biāo)準(zhǔn)中的學(xué)業(yè)要求“認(rèn)識到要基于證據(jù)得出結(jié)論，面對有說服力的證據(jù)時能調(diào)整自己的觀點”，培養(yǎng)了他們的科學(xué)態(tài)度。

小結(jié)

學(xué)生在小學(xué)階段探究耐人尋味的“沉浮”問題，是為初中深入學(xué)習(xí)抽象的浮力概念積累感性經(jīng)驗。對于該內(nèi)容的教學(xué)，教師既不能講得太深，又要讓學(xué)生有所悟，并能夠在現(xiàn)有的思維水平下合理解釋一些現(xiàn)象。這是小學(xué)科學(xué)課經(jīng)常會面臨的難題，教師只有認(rèn)真研究課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生的學(xué)情，才能實現(xiàn)平衡。