談“探究浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

羅宏衛(wèi)

“控制變量法”是初中物理探究實(shí)驗(yàn)的基本方法，該設(shè)計(jì)思想貫穿初中物理教材的始終。這樣，會(huì)讓學(xué)生在探究涉及多個(gè)變量的物理問(wèn)題時(shí)，把“控制變量”作為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的首要選項(xiàng)，讓“控制變量”的意識(shí)在學(xué)生大腦中根深蒂固。

人教版初中物理教材中，第一次明確提出“控制變量”的是八年級(jí)下冊(cè)《浮力》中“探究浮力的大小跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

教材首先根據(jù)三個(gè)有關(guān)實(shí)例提出猜想；浮力的大小可能跟固體的密度、液體的密度、固體浸入液體中的體積和固體浸入液體中的深度有關(guān)。然后提出“在檢驗(yàn)浮力的大小與其中某一個(gè)量的關(guān)系時(shí)，必須使其他量保持不變”。而在具體的探究設(shè)計(jì)過(guò)程中，則是先把彈簧測(cè)力計(jì)下懸掛的圓柱體“浸沒(méi)在一種液體中”，分別在液體內(nèi)不同深度來(lái)探究浮力的大小是否跟深度有關(guān)。這就控制了固體的密度、液體的密度和浸入液體中的體積，只改變了深度，從而確定浮力的大小與深度無(wú)關(guān)。

我曾經(jīng)也是按照教材的設(shè)計(jì)思路來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的。上述實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)看似無(wú)懈可擊，但在探究浮力的大小跟物體浸在液體中的體積有關(guān)時(shí)，就出現(xiàn)了狀況。教材是這樣設(shè)計(jì)的：“把彈簧測(cè)力計(jì)下懸掛的圓柱體浸在液體中的體積逐漸增大”。由于前面已經(jīng)得出了浮力與深度無(wú)關(guān)的結(jié)論，因而可以得到“物體浸在液體中的體積越大，浮力越大”的結(jié)論。當(dāng)時(shí)，我遇到一個(gè)較真的學(xué)生，他提出：該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了兩個(gè)變量——深度和浸入的體積，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也會(huì)得出浸沒(méi)前的物體所受浮力的大小與深度有關(guān)的結(jié)論。我被他問(wèn)得一愣，而后，在非常嚴(yán)肅的表情下用“前面已經(jīng)得到了浮力的大小與深度無(wú)關(guān)的結(jié)論”搪塞過(guò)去。

看著該同學(xué)帶著不滿意的表情轉(zhuǎn)身離去的背影，我心中似打翻了五味瓶：前面說(shuō)的“與深度無(wú)關(guān)”是在“浸沒(méi)”的情況下得出的，而現(xiàn)在是“浸沒(méi)前”的情形。學(xué)生雖被我唬住了，但其心中不滿意，仍有疑問(wèn)啦！何況本節(jié)明確提出“控制變量”，該設(shè)計(jì)沒(méi)有把變量控制下來(lái)，才會(huì)讓該同學(xué)產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)，他的問(wèn)題是對(duì)的！如果按這樣的設(shè)計(jì)思路引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，會(huì)造成學(xué)生在規(guī)律的認(rèn)知上的混亂，不能正確地認(rèn)識(shí)浮力大小的有關(guān)因素。學(xué)生在今后的物理探究實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一些不夠嚴(yán)密的設(shè)計(jì)方法，不能養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。不論是于知識(shí)的傳承還是于學(xué)生品質(zhì)的發(fā)展，都是不利的。

后經(jīng)周密的思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了如下的改進(jìn)。

第一步，探究浮力的大小與浸在液體中的體積的關(guān)系：

分別用懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)下的三個(gè)大小不同的鋁塊（體積相差較明顯）浸沒(méi)在同一種液體中的同一深度處，可以得到“物體浸在液體中的體積越大，浮力越大”的結(jié)論。該設(shè)計(jì)控制了其他三個(gè)變量，只改變了“浸在液體中的體積”。

第二步，探究浮力的大小與物體浸在液體中的深度的關(guān)系：

首先，用一個(gè)長(zhǎng)高比明顯相差大的長(zhǎng)方體鋁塊，分別在其豎面和側(cè)面刻出體積的1/3、1/2和2/3的標(biāo)記。然后，分別把長(zhǎng)方體鋁塊豎著和側(cè)著掛在彈簧測(cè)力計(jì)下，讓其體積的1/3刻線處與液面相平（長(zhǎng)方體鋁塊的下表面與液面平行），通過(guò)測(cè)量算出浮力的大小，加以比較；后依次測(cè)出液面位于1/2和2/3處時(shí)，豎放和側(cè)放的浮力，加以比較。這樣，在每次測(cè)量過(guò)程中，都控制了其他因素而改變了深度。但由于浸入液體內(nèi)的體積相同，因而每次測(cè)得的浮力也相同，從而得出“浸沒(méi)前”的物體受到的浮力大小與深度無(wú)關(guān)的結(jié)論。

接著，按照教材所述方法，探究“浸沒(méi)后”的物體受到的浮力大小與深度無(wú)關(guān)的結(jié)論和其他有關(guān)因素的探究。

上述前兩步的探究，不但嚴(yán)格控制了變量，而且每一步都是通過(guò)測(cè)量，得出三組數(shù)據(jù)后分析得出的結(jié)論，讓所得的結(jié)論更具說(shuō)服力。從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)到分析論證更加嚴(yán)密，學(xué)生更加信服得出的結(jié)論。同時(shí)，培養(yǎng)了其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)研究品質(zhì)和一絲不茍的生活習(xí)慣。

我對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)后，面向全體學(xué)生向原先提出問(wèn)題的同學(xué)致以真誠(chéng)的道歉，同時(shí)感謝他的提問(wèn)，讓我們找到了解決問(wèn)題的辦法。通過(guò)嚴(yán)密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在科學(xué)探究中更加嚴(yán)謹(jǐn)，使他們勤于思考，勇于探索真理，成為學(xué)習(xí)的真正主人。使老師在今后的教學(xué)活動(dòng)中，讓學(xué)生多思考、多動(dòng)手，善于挖掘?qū)W生的智慧，通過(guò)縝密的研討后，求得最佳的教與學(xué)的方法，成為學(xué)生學(xué)習(xí)的真正主導(dǎo)者。

編輯 謝尾合