芻議“影響浮力大小因素”的教學設計

趙洪慧+石堯

摘 要：針對學生在影響浮力大小因素中存在的有關前概念，我們立足學生本位觀，以學生大腦中固有的前概念作為教學流程設計的出發點，以科學探究的方式作為教學設計的邏輯主線，希冀對該內容教學及學生學習困難的破解有所裨益.

關鍵詞：物理教學；浮力；前概念；學習困難

1 問題的提出

《浮力》是初中物理教學的重、難點之一，對學生的抽象思維和邏輯推理有著較高的要求，期間包含著許多容易被忽略的細節，給學生造成了沉重的認知負荷.進一步研究發現，《浮力》教學中能否使學生合理地猜想到“影響浮力大小的因素”，并做出科學正確的假設，是設計探究實驗，得出阿基米德原理的關鍵.然而在“影響浮力大小因素”內容的教學中，干擾學生正確認識形成的外因很多，僅憑教師講解傳授抑或實驗演示都無法克服學生頭腦里的錯誤觀念.

在現實教學中，有些教師習慣于使用“手按壓易拉罐”的學生實驗，即隨著易拉罐浸入水中體積的增大，學生將由觸覺體驗到浮力在逐漸增大，同時由視覺感知到排開的水也在逐漸增多，從而直接得出浮力大小與排開液體體積有關的結論.雖然這一實驗能夠幫助學生建立正確的認識，但卻不能徹底摒除學生錯誤的前概念，從根本上解決學生學習困難的問題，大腦中錯誤的前概念勢必會在今后的學習中混亂學生的認知結構，可謂“只立而不破”.此外，該實驗的思維過程較為復雜，同時涉及觸覺和視覺兩處感官認知，對尚處于具體運算階段的初中生而言，實在難以統籌兼顧.

前概念是指學生在進入課堂學習之前，通過長期的經驗積累與辨別式的學習，對日常生活中所感知的現象、事物等的非本質認識，學生意識中的前概念多與科學相悖.因此，在教學過程中撥亂反正，輔助學生形成正確的物理概念至關重要.由于錯誤的物理前概念具有超前性、廣泛性、頑固性和反復性等特點，因而使它們徹底轉變為科學的概念并非易事.鑒于此，我們立足破除學生前概念的教學理念，以科學探究為教學設計的主線，對本節課的教學內容展開系統研究.

2 探究影響浮力大小因素的教學流程

因初中生初涉物理領域，他們對物理現象充滿了好奇， 因此本節教學內容是進行探究性學習的良好載體.即從探究影響浮力大小的因素入手，讓學生依次經歷提出問題、猜想假設、制訂計劃、收集證據、分析論證、交流合作等探究環節，最終得到浮力大小與液體密度和物體浸入液體體積有關，而與物體體積、物體密度、浸入液體中深度等無關的結論，繼而為引入和學習《阿基米德原理》打下堅實基礎.

首先，我們根據教學經驗，編制了相關調查問卷，以便勘測學生大腦中的相關前概念.經調查統計可知，在影響浮力大小的因素中所涉及的學生前概念主要有物體質量、物體浸入液體體積、物體體積、物體密度、物體浸入液體深度及液體密度六個（如下表1所示），以此作為之后開展科學探究的材料.

研究表明，理論演繹對保持學生思維的嚴密性和一貫性有著不可替代的作用，是指引人們行為的風向標[1].因此在實際探究開始之前，教師可引導學生對影響因素進行理論辨析，觀察各因素之間有無包含關系，進而將其拆解到其他因素的探究中.在此，結合所學知識，學生大都會發現，由于質量等于密度與體積的乘積，如果浮力大小與物體體積有關，肯定與物體質量有關；同時如果浮力大小與物體密度有關，也肯定與物體質量有關.于是便把質量這一因素拆解到體積和密度的探究之中.這樣，通過對影響因素的理論辨析，就可以減少不必要的操作程序，為接下來的實驗探究理清方向.

基于教學過程的自組織轉變理論[2]，將教學過程可以看作是學生認知系統從被組織階段向自組織階段轉變的過程.在被組織階段，教師的示范與引導扮演著重要的角色，因此在學生提出可探究的問題及猜想后，教師就應先帶領學生一起設計實驗，使其大腦中形成理想的實驗設計模板及規范的科學探究流程.從而為后續自組織階段學生探究實驗的開展做好充足的準備.

比如，教師可以探究浮力與物體浸入液體體積大小是否有關為例，帶領學生一起尋找實驗中的控制量、自變量與因變量.在此，為直觀而清晰地理清實驗中的各種變量，可以采用填寫表格（如表2所示）的形式.

隨后，教師引導學生設法對這些變量進行控制.譬如，用同一物體做實驗可以保證物體的體積、密度一樣，將物體浸入水中能夠確保液體密度相同，然而怎樣才能使物體浸入深度相同，浸入體積不同呢？可謂本實驗設計的難點，這就需要選擇特定的物體作為實驗對象，這里我們使用的是長方體物塊，將長方體三個不同側面依次浸入水中，以某一浸入深度為準，在其他側面做出相應的標記.

在此，教師要演示實驗操作，并帶領學生設計實驗表格，敘述實驗步驟，記錄實驗數據.值得強調的是，教師一定要注意操作的規范性，并用語言強調諸如“不要使物體接觸杯底或杯壁”等操作事項，從而幫助學生大腦中形成直觀的表象，為后面自行實驗奠定良好的基礎.最終通過學生對數據的分析歸納，得出“浮力大小與物體浸入液體體積有關，物體浸在液體中的體積越大，浮力越大”的結論.

接下來的教學過程將進入由被組織向自組織轉變的過程，屆時教師要將其他因素的探究“放權”于學生.鑒于課堂時間有限，其余四個猜想因素的驗證不可能由一組設計完成，因此將任務進行分配，每組研究一個因素.在這期間教師由教學設計者瞬間變身為課程設計者，悉心為學生安排相應的實驗儀器，如在探究浮力大小與液體密度關系實驗中，提供密度較大的硫酸銅溶液和密度較小的酒精溶液；在探究浮力大小與物體密度關系實驗中，給學生準備了體積相同的銅塊和鐵塊等.

由此，各組學生從實驗設計到數據收集，再到分析論證，一以貫之.最后各組選派一名代表匯報實驗數據及實驗結果，進而匯總得到實驗結論——浮力大小與物體自身體積、密度及浸入液體深度無關，而與液體密度和物體浸入液體體積有關.為以后的阿基米德原理的得出做好鋪墊

3 思考與啟示

3.1 學生親身體驗，糾正錯誤概念endprint

物理概念是物理學的基礎和核心，而錯誤的前概念則可謂物理概念學習的絆腳石，如果不能進行有效的概念轉變，物理概念的學習便會退化為死記硬背的機械學習，使學生喪失學習興趣.然而錯誤前概念的轉變，不能采用說教式地強行灌輸，而應設法巧妙地融入到整個教學過程之中.因而我們立足學生本位觀，以學生大腦中固有的前概念作為教學流程設計的出發點，使學生親歷知識的形成過程.當學生在實驗探究中發現，客觀事實與自己的相異構想產生了沖突，就會暴露出其錯誤的前概念，造成認知結構的失衡，從而使之正確看待自己原有的生活經驗，進行對比性反思，最終促成原有知識結構的順應，用科學概念替換原有的錯誤概念，實現錯誤前概念的有效轉變.

3.2 教師以身作則，學生模仿操作

科學探究屬于一種特殊的技能，既涉及操作層面，又涉及心智層面，其掌握對于初中學生而言有著不小的困難.因此教師的示范作用與學生的主觀能動要配合得當，才能取得預想的效果.如何處理好這二者的辯證關系，既發揮教師在課堂上的主導地位，又能夠體現學生在課堂中的主體意識呢？在此，我們以教學過程的自組織轉變理論為理論依托，將本節課劃分成被組織過程與自組織過程兩個階段，在被組織階段，教師從教學論角度，充分發揮其示范作用，而在自組織階段，教師從課程論角度為學生籌備實驗器材，為其提供學以致用的機會，從而促使學生大腦中“生成“科學探究的操作程序，使學生在今后的探究中無需搜腸刮肚，便能迅速找到研究問題的有效途徑.

3.3 使用具體事物，克服想象困難

大量一線教學經驗表明，很多學生對于物體浸入液體體積（V排）的理解都不盡如人意，而更傾向于物體浸入液體體積（V浸）的理解.這是因為物體排開液體體積不如物體浸入液體體積直觀，需要借助想象思維才能充分理解.所謂想象思維是指根據現有知識和事實，發揮高度的抽象和聯想能力，超脫現實，設想未知的變化過程[3]，是形式運算階段所應具有的思維能力.而初中生大都處于具體運算水平，想象力較弱，對外界事物的理解難以具體事物的支持.因此，在因素猜想中選用了具體而易觀察的物體浸入體積，并在后續教學中，鑒于“V浸易于觀察，難于測量；V排不易觀察，易于測量，難于理解”的研究結論[4]，再借助體積守恒的思想，用“排水法”完成由V浸到V排的合理過渡.

參考文獻：

[1][4] 石堯.蠡測阿基米德原理教學的邏輯[J].課程教學研究，2016（10）：63～66.

[2] 邢紅軍.自組織表征理論：一種物理問題解決的新理論[J].課程·教材·教法，2009，29（4）：60～64.

[3] 邢紅軍. 中小學思維教學的深化研究[J].課程·教材·教法，2016，36（7）：33～39.endprint