《浮力》一節(jié)的內(nèi)容分析及探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

謝影+錢(qián)長(zhǎng)炎

摘 要：文章對(duì)現(xiàn)行人教版、滬科版、蘇科版、教科版、北師大版五個(gè)版本教科書(shū)中《浮力》一節(jié)的主要內(nèi)容進(jìn)行分析與思考，并結(jié)合《課標(biāo)》的要求，以科學(xué)探究為基礎(chǔ)，對(duì)《浮力》一節(jié)進(jìn)行探究性教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在使學(xué)生不僅學(xué)到與“浮力”有關(guān)的科學(xué)知識(shí)，還能發(fā)展科學(xué)探究的能力。

關(guān)鍵詞：浮力；科學(xué)探究；浮力的方向；浮力產(chǎn)生的原因

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）7-0009-6

“浮力”概念是義務(wù)教育物理課程中的重點(diǎn)內(nèi)容之一，也是初中學(xué)生物理學(xué)習(xí)的難點(diǎn)之一。為了幫助學(xué)生克服在學(xué)習(xí)“浮力”概念過(guò)程中出現(xiàn)的各種困難，長(zhǎng)期以來(lái)，廣大物理教學(xué)研究者及教師對(duì)此概念的教學(xué)作了多方探討。但是，就我們所掌握的文獻(xiàn)來(lái)看，對(duì)“浮力”概念一節(jié)內(nèi)容依據(jù)《課標(biāo)》的要求參考五個(gè)版本的義務(wù)教育物理教科書(shū)并且以科學(xué)探究為基礎(chǔ)的文獻(xiàn)并不多。鑒于此，本文通過(guò)對(duì)五個(gè)版本教科書(shū)中“浮力”內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析與思考，并借助低成本實(shí)驗(yàn)資源，以期在科學(xué)探究的基礎(chǔ)上對(duì)“浮力”的課堂教學(xué)提出合理的建議。

1 五版本初中物理教科書(shū)中《浮力》一節(jié)內(nèi)容的整體分析

“浮力”是對(duì)前面力學(xué)的延伸與拓展，綜合應(yīng)用有關(guān)力、力的合成、力的平衡、液體壓強(qiáng)等知識(shí)，給初中學(xué)生帶來(lái)了一定的困難?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課標(biāo)》）對(duì)《浮力》一節(jié)的要求為“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)浮力”。[1]按照《課標(biāo)》要求，對(duì)浮力內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要發(fā)揮實(shí)驗(yàn)的作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)認(rèn)識(shí)與探究浮力。不同版本的教科書(shū)都是依據(jù)《課標(biāo)》編寫(xiě)的，如圖1、2、3、4、5分別是人民教育出版社[2]（下文用“人教版”表示）、上海科學(xué)技術(shù)出版社[3]（下文用“滬科版”表示）、江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社[4]（下文用“蘇科版”表示）、教育科學(xué)出版社[5]（下文用“教科版”表示）、北京師范大學(xué)出版社[6]（下文用“北師大版”表示）五個(gè)版本的教科書(shū)中《浮力》一節(jié)的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖。探究——影響浮力大小的因素”的知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

從圖1、2、3、4、5中可以看出五個(gè)版本教科書(shū)中《浮力》一節(jié)的內(nèi)容主要包括“浮力的概念”“浮力的測(cè)量”“浮力產(chǎn)生的原因”“浮力的大小”等。但是，不同版本的教科書(shū)對(duì)同一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的處理不同，對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)安排的順序不同。

對(duì)于“浮力的概念”要具有完整性，即無(wú)論是液體還是氣體，對(duì)浸在其中的物體都有豎直向上的浮力，人教版與北師大版沒(méi)有出現(xiàn)氣體浮力的概念，用這兩個(gè)版本教科書(shū)的學(xué)生可能會(huì)覺(jué)得只有浸在液體中的物體才會(huì)受到浮力。人教版與蘇科版只提到浮力的方向是“向上”的，這樣對(duì)浮力的概念也是不完整的?！案×Φ臏y(cè)量”在五個(gè)版本的教科書(shū)中都以實(shí)驗(yàn)的形式來(lái)呈現(xiàn)，體現(xiàn)了教科書(shū)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的重視?！案×Ξa(chǎn)生的原因”只有蘇科版沒(méi)有體現(xiàn)，其中北師大版是通過(guò)橡皮膜實(shí)驗(yàn)來(lái)探究的，其他的三個(gè)版本都是通過(guò)物理模型進(jìn)行講解，但是大部分解釋得較為抽象。從圖4中我們還可以看到，教科版教科書(shū)在用物理模型講授浮力產(chǎn)生的原因后，又安排了“家庭實(shí)驗(yàn)室”模塊，讓學(xué)生在家里自己動(dòng)手，用橡皮膜實(shí)驗(yàn)來(lái)探究分析浮力產(chǎn)生的原因，學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐不僅可以復(fù)習(xí)課堂中所學(xué)習(xí)的知識(shí)，而且還能培養(yǎng)他們獨(dú)立工作的能力。

從《浮力》一節(jié)的整體來(lái)分析，發(fā)現(xiàn)人教版、蘇科版及北師大版教科書(shū)還在本節(jié)安排了浮力的大小。我國(guó)初中一節(jié)課是45分鐘，利用45分鐘能讓學(xué)生認(rèn)識(shí)浸在液體或氣體中的物體都受到向上的浮力，知道浮力的方向是豎直向上的；能讓學(xué)生會(huì)用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量物體在液體中所受浮力的大??；能讓學(xué)生經(jīng)歷浮力產(chǎn)生的原因的探究過(guò)程，本節(jié)課容量已經(jīng)足夠。所以筆者認(rèn)為，可以像滬科版那樣把浮力的大小與阿基米德原理一起放在下一節(jié)來(lái)探究。

2 五版本初中物理教科書(shū)中《浮力》一節(jié)的科學(xué)探究思想的體現(xiàn)

《美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》的一個(gè)突出特征就是對(duì)探究的強(qiáng)調(diào)，我國(guó)《課標(biāo)》也指出科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式。在課程基本理念中再一次強(qiáng)調(diào)“注重科學(xué)探究”。[7]科學(xué)探究在五個(gè)版本的教科書(shū)中均有不同程度的體現(xiàn)，且采取了多樣化的方式來(lái)展開(kāi)學(xué)生的科學(xué)探究活動(dòng)[8]，如表1所示。

人教版教科書(shū)基本上以文字的形式來(lái)呈現(xiàn)，這種呈現(xiàn)方式略顯枯燥，很難激起學(xué)生的好奇心。

滬科版教科書(shū)在文字?jǐn)⑹龅幕A(chǔ)上，配以圖片說(shuō)明，圖文并茂，很能吸引學(xué)生的注意力，并且在“實(shí)驗(yàn)探究”欄目設(shè)計(jì)了“探究液體浮力”與“探究空氣浮力”兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，以此來(lái)激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

蘇科版教科書(shū)以活動(dòng)入手，有文字、圖片、問(wèn)題，呈現(xiàn)形式活潑多樣，很容易激起學(xué)生探究的欲望。器材、問(wèn)題的呈現(xiàn)，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個(gè)思維空間，讓學(xué)生自己思考、設(shè)計(jì)、操作并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，有利于發(fā)展學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力及分析問(wèn)題并解決問(wèn)題的能力。由于活動(dòng)的發(fā)散性、自主性較強(qiáng)，可能對(duì)于一些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來(lái)說(shuō)，并不一定能成功地完成實(shí)驗(yàn)。

“教科版”教科書(shū)以“活動(dòng)”的形式展開(kāi)，讓學(xué)生親身感受浮力，且更加注重學(xué)生間的討論與交流。如表1所示，在本節(jié)的最后讓學(xué)生“討論交流：沉在水底的鐵球有沒(méi)有受到浮力”，通過(guò)問(wèn)題的討論，使學(xué)生更加深入地理解浮力產(chǎn)生的原因是上、下表面的壓力差。此外，在“家庭實(shí)驗(yàn)室”欄目，還讓學(xué)生自己動(dòng)手自制用具進(jìn)行課外小實(shí)驗(yàn)來(lái)探究浮力產(chǎn)生的原因。

“北師大版”教科書(shū)更注重體現(xiàn)科學(xué)探究的關(guān)鍵要素，給學(xué)生器材，告訴學(xué)生方法，讓學(xué)生自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行“猜想”，根據(jù)猜想確定要研究的問(wèn)題，給出實(shí)驗(yàn)器材供學(xué)生選擇，讓學(xué)生“制訂計(jì)劃”“收集證據(jù)”“分析與結(jié)論”。

通過(guò)對(duì)五個(gè)版本義務(wù)教育物理教科書(shū)中《浮力》一節(jié)探究活動(dòng)方式的統(tǒng)計(jì)與比較，可以看出，實(shí)驗(yàn)類(lèi)的探究活動(dòng)所占比例最多，因?yàn)槲锢硎且婚T(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)也是進(jìn)行科學(xué)探究的主要方式之一，其地位與作用是其他任何方式都無(wú)法替代的。下文中筆者將用低成本實(shí)驗(yàn)器材自制教具，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的興趣，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，使他們?cè)凇白觥敝兄鸩缴钊氲靥骄扛×Α?

3 《浮力》一節(jié)的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

美國(guó)著名教育家杜威在二十世紀(jì)初就提出基礎(chǔ)教育階段的教師需要“探究”這種教學(xué)技能，并鼓勵(lì)教師使用“探究教學(xué)”的策略[9][10]。而科學(xué)探究強(qiáng)調(diào)的是以學(xué)生為主體來(lái)組織課堂教學(xué)，強(qiáng)調(diào)“學(xué)生們親自動(dòng)手做而不是別人做給他們看的事情”。[11]為了保證學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，而不是僅僅掌握一些支離破碎的事實(shí)，筆者根據(jù)《課標(biāo)》要求并從五個(gè)版本教科書(shū)中精選適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)內(nèi)容然后汲取他們的長(zhǎng)處，借助低成本實(shí)驗(yàn)器材，對(duì)《浮力》一節(jié)作了如下文所述的探究性教學(xué)設(shè)計(jì)（如圖6為教學(xué)流程圖）。旨在使學(xué)生不僅學(xué)到與“浮力”有關(guān)的科學(xué)知識(shí)，還能發(fā)展他們的科學(xué)探究的能力。

3.1 魔術(shù)引入，引起好奇心

在教師的指導(dǎo)下，讓學(xué)生把兩個(gè)乒乓球放入一個(gè)去底倒置的加蓋塑料瓶中，往瓶中加水，兩個(gè)乒乓球由于受到浮力的作用，最終漂浮在水面（如圖7甲所示）；再把瓶蓋擰掉，重復(fù)實(shí)驗(yàn)如圖7丙所示，一個(gè)乒乓球上浮而另一個(gè)沉在水底。[12] 此對(duì)比實(shí)驗(yàn)不僅激發(fā)了學(xué)生的興趣，而且引起了學(xué)生的認(rèn)知沖突，形成了學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

3.2 以科學(xué)探究為基旨，滲透“浮力”概念教學(xué)過(guò)程的各個(gè)主要環(huán)節(jié)

（1）分組實(shí)驗(yàn)，探究液體對(duì)物體的浮力

引導(dǎo)學(xué)生利用乒乓球、礦泉水瓶、裝了水的玻璃杯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)液體對(duì)浸在其中的物體有向上的作用。

（2）演示實(shí)驗(yàn)，分析氣體對(duì)物體的浮力

拿出一個(gè)氫氣球，松手后觀察氫氣球升空過(guò)程，引導(dǎo)學(xué)生分析其中的力學(xué)道理并猜想氫氣球升空的原因。針對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)及生活經(jīng)驗(yàn)，展開(kāi)小組交流與討論并描述浮力的概念。（如圖1和5人教版與北師大版沒(méi)有出現(xiàn)氣體浮力的概念。）

（3）小組合作，探究浮力的方向

引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖8中乒乓球進(jìn)行受力分析并分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。分組實(shí)驗(yàn)?zāi)芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和合作意識(shí)，且實(shí)驗(yàn)?zāi)苤庇^展示出浮力的方向與重力的方向相反這一特征。重錘線的對(duì)比演示，有利于讓學(xué)生加深理解浮力的方向是豎直向上的。至此，浮力的概念已形成，即浸在液體（或氣體）中的物體受到豎直向上的浮力。（五個(gè)版本的教科書(shū)，只有教科版是以學(xué)生實(shí)驗(yàn)“用線把木塊拉入水中”觀察線的方向來(lái)探究浮力的方向，其他四個(gè)版本均用文字表述，且人教版與蘇科版只提到浮力的方向是“向上”的。）

3.3 以精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)為抓手，引導(dǎo)學(xué)生突破“浮力”認(rèn)識(shí)誤區(qū)

（1）演示實(shí)驗(yàn)，提出問(wèn)題并猜想

根據(jù)在水中漂浮的乒乓球受到浮力，進(jìn)而使學(xué)生猜想：在水中會(huì)下沉的鐵塊，浸沒(méi)在水中時(shí)是否會(huì)受到浮力。引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出猜想的原因，強(qiáng)調(diào)猜想要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。

（2）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)猜想

用手向上托物體時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生觀察彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)減少，慢慢拿開(kāi)手，彈簧測(cè)力計(jì)又恢復(fù)原來(lái)示數(shù)（見(jiàn)圖9甲、乙）。此時(shí)提出問(wèn)題：當(dāng)把物體浸沒(méi)在水中時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)會(huì)如何變化呢？引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖9丙中浸沒(méi)在水中的物體進(jìn)行受力分析，最后引導(dǎo)學(xué)生討論得出：F=G-F。

引導(dǎo)學(xué)生用此方法，分組實(shí)驗(yàn)測(cè)量浮力，并分析總結(jié)得出：不僅漂浮的物體受到浮力，在液體中下沉的物體，浸沒(méi)在液體中的物體也受到浮力。（學(xué)生對(duì)浮力并不陌生，漂浮的物體受到浮力很容易被學(xué)生接受，但浸沒(méi)在液體中的物體也受到浮力還需要學(xué)生親自做實(shí)驗(yàn)來(lái)體會(huì)才行。分組實(shí)驗(yàn)不僅使學(xué)生掌握彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量浮力的方法，而且培養(yǎng)了學(xué)生合作的意識(shí)。）

3.4 實(shí)驗(yàn)探究浮力產(chǎn)生的原因，充分體現(xiàn)科學(xué)探究的各關(guān)鍵要素

（1）低成本物理實(shí)驗(yàn)，引起學(xué)生的認(rèn)知沖突

教師引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題：如圖10所示，沉在水底的乒乓球是否受到浮力的作用呢？（借鑒教科版的“討論交流”沉在水底的鐵球有沒(méi)有受到浮力。）浮力是如何產(chǎn)生的呢？并對(duì)沉在水底的原因進(jìn)行猜想。此外，適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生回憶液體的內(nèi)部存在壓強(qiáng)。

通過(guò)小組實(shí)驗(yàn)不僅能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力，還能激發(fā)學(xué)生的好奇心，而學(xué)生的好奇心促使他們想對(duì)浮力產(chǎn)生的原因一探究竟，此時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)建立物理模型來(lái)分析。

（2）建立物理模型，理性分析

模型介紹：在圓柱形容器注入一定量的水，長(zhǎng)方體浸沒(méi)在水中，其左右兩個(gè)側(cè)面和前后兩個(gè)側(cè)面的面積相等，并且對(duì)應(yīng)部位距水面的深度相同（見(jiàn)圖11）。引導(dǎo)學(xué)生對(duì)長(zhǎng)方體左右、前后及上下六個(gè)面所受液體的壓強(qiáng)與壓力進(jìn)行分析，可總結(jié)得出浸在液體中的物體，其對(duì)物體向上和向下的壓力差就是浮力產(chǎn)生的原因。也就是說(shuō)，要想產(chǎn)生浮力，向上的壓力要比向下的壓力大。

引入物理模型不僅可以復(fù)習(xí)前一章液體壓強(qiáng)的知識(shí)而且還能發(fā)展學(xué)生的抽象思維能力，同時(shí)可以啟發(fā)學(xué)生用“物理模型”來(lái)解決物理實(shí)際問(wèn)題，如讓學(xué)生用浮力產(chǎn)生的原因解釋乒乓球沉入水底的現(xiàn)象及思考橋墩與打入水底的木樁是否受到浮力，體現(xiàn)“從物理走向社會(huì)”的課程基本理念。（此時(shí)，學(xué)生已經(jīng)對(duì)浮力的概念有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，即浸在空氣中的物體受到浮力，漂浮在液面的物體與浸沒(méi)在液體中的物體受到浮力，物體底部與水底緊密結(jié)合的物體不受到浮力，也就是說(shuō)液體或氣體對(duì)物體向上與向下的壓力差就是浮力，要想產(chǎn)生浮力，向上的壓力要比向下的壓力大。）

（3）家庭實(shí)驗(yàn)室，探究浮力產(chǎn)生的原因

利用課外時(shí)間，教師與學(xué)生一起自制教具（見(jiàn)圖12甲）[13]來(lái)探究浮力產(chǎn)生的原因，實(shí)驗(yàn)時(shí)往小瓶中加水，水會(huì)從小瓶底部滲透到大瓶中，在大瓶中的水位沒(méi)有達(dá)到一定高度之前，兩球都沉在水底（見(jiàn)圖12乙）；當(dāng)大瓶中的水位高過(guò)小瓶底部一定高度時(shí)，小瓶中的乒乓球就會(huì)浮起（見(jiàn)圖12丙），而大瓶中的乒乓球卻不會(huì)浮起。（從表1可以看出五個(gè)版本的教科書(shū)只有教科版在用物理模型講授浮力產(chǎn)生的原因后，又安排了“家庭實(shí)驗(yàn)室”模塊，讓學(xué)生課外探究。圖12的兵乓球和塑料瓶組合實(shí)驗(yàn)與教科版橡皮膜實(shí)驗(yàn)相比，更具有趣味性且材料易取，容易制作。）

4 結(jié)論與討論

首先，科學(xué)探究一直是基礎(chǔ)教育中備受關(guān)注的重要課題之一，教育界普遍認(rèn)為科學(xué)探究應(yīng)作為教育的核心。探究教學(xué)不同于被動(dòng)的接受學(xué)習(xí)，它要求學(xué)生積極參與探究活動(dòng)的過(guò)程，邊做邊學(xué)，通過(guò)真正的“做”科學(xué)，學(xué)生既學(xué)到知識(shí)內(nèi)容，也更深入地掌握了運(yùn)用和探究那些知識(shí)所必需的思維方法，使探究能力得以提高，同時(shí)形成正確的對(duì)待科學(xué)問(wèn)題的態(tài)度。[14]因此，在教學(xué)中，教師不僅要注重讓學(xué)生掌握物理概念和某些規(guī)律，而且應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生自己提出問(wèn)題、討論問(wèn)題、自己努力找出答案，總而言之便是突出學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體性。

其次，教師擁有的關(guān)于科學(xué)探究和科學(xué)內(nèi)容的知識(shí)越多，他們自己就越能成為有效的探究者，也就越能勝任探究性教學(xué)，幫助學(xué)生通過(guò)探究活動(dòng)加深對(duì)科學(xué)概念和科學(xué)探究的理解。[15]因此，物理教師只有對(duì)科學(xué)探究充分了解，才能更加有效地利用教科書(shū)上的科學(xué)探究?jī)?nèi)容靈活設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，使探究既作為一種學(xué)習(xí)成果又作為一種學(xué)習(xí)方法，從而實(shí)現(xiàn)真正的科學(xué)探究。

再者，作為教師，要盡可能用多種教學(xué)資源，因此，要認(rèn)真鉆研教材并把多個(gè)版本教科書(shū)作深入探討而后取長(zhǎng)補(bǔ)短，而不是以某單一教科書(shū)作為備課素材。

最后，新課標(biāo)倡導(dǎo)的是“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，一切教學(xué)活動(dòng)都必須以學(xué)生的積極性與主動(dòng)性為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)這一教學(xué)理念與學(xué)生的實(shí)際情況，來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)膬?nèi)容來(lái)進(jìn)行課堂教學(xué)設(shè)計(jì)。

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[13]曹林.自制浮力成因演示器的再討論[J].物理通報(bào)，2009（9）：61.

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[15]（美）國(guó)家研究理事會(huì)科學(xué)、數(shù)學(xué)及技術(shù)教育中心《國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》科學(xué)探究附屬讀物編委會(huì).羅興凱，等，譯.科學(xué)探究與國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)——教與學(xué)的指南[M].北京：科學(xué)普及出版社，2013：133.（欄目編輯 趙保鋼）