試析“沉浮”內容中學生的概念發展路徑

一、課程標準中的相關要求

科學課程標準關于“沉浮”概念的要求涉及核心概念“物質的結構與性質”和“物質的運動與相互作用”，它對5～6年級學生的具體要求如下。

能說明常見材料在水中的沉浮現象及其用途（1）；

能比較和分析常見材料在水中的沉浮現象（2）；

能利用控制變量的方法設計方案并操作，探究不同材料在水中的沉浮現象（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（1）和（4）比較容易達成，例如：學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成目標（1）。學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，可以發現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，這樣就可以達成目標（4）。目標（2）和（3）比較難達成，因為控制變量和對比分析對小學生來說是難點，不管是設計實驗還是根據實驗現象總結歸納，都有一定的挑戰性。

二、用“預測”代替“影響”來建構概念

為了幫助學生應對這個挑戰，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、質量不同的物體的沉浮狀態”和“質量相同、體積不同的物體的沉浮狀態”，從而讓學生發現哪些因素會影響物體的沉浮狀態。

這樣的實驗材料是有結構的，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量。

為什么蘇教版教材要引導學生得出質量和體積會影響物體的沉浮狀態呢？因為課程標準要求學生能比較和分析常見材料在水中的沉浮現象，這里的“常見材料”暗示著不同密度的物體，學生在知道“密度”概念之前，適合以相同體積比質量或者相同質量比體積的方式來理解不同材料的沉浮結果。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，質量和體積一般只會發生等比例的改變，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，“質量和體積會影響物體的沉浮狀態”這樣的概念并不能幫助學生解釋類似的現象。

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

在小學階段研究沉浮問題究竟要得出什么樣的結論才能既維護科學正確，又便于學生理解呢？我認為，表述為“哪些屬性有助于預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生預判物體的沉浮。預測這個詞學生能理解，而且是在下面提到的實驗中學生要反復進行的思維活動。既然受力情況才是真正影響物體沉浮狀態的因素，那其他的物理量就應該被理解為可以用來預測物體沉浮的因素，如綜合考慮物體的質量和體積才能預測其在水中的沉浮狀態。

三、借助SOLO分類理論考查科學思維發展

關于浮力的探究涉及控制變量的方法，需要運用高階思維，所以課程標準將相關內容目標放在5～6年級是比較合適的。眾多教材都設計了對比實驗，其中一個實驗是比較體積相同、質量不同物體的沉浮情況，其結果符合大多數學生的預測；另一個實驗是比較質量相同、體積不同物體的沉浮情況，其結果與部分學生的預測有沖突。有的學生認為大的物體更容易沉，有的學生認為物體的質量相同時，不管體積如何，沉浮結果都一樣。學生將生活中常見的材料組合后再實驗，部分符合自己的預測，另一部分卻出乎意料，這種既熟悉又陌生的情況能激發他們強烈的探究欲，推動他們思維的發展。

怎么考查學生的思維發展情況呢？SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome，意為可觀察的學習結果的結構）分類理論就很適合用來設計相關評價指標。教師可以利用該理論判斷學生在回答某一具體問題時的思維結構處于哪一層次，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分類理論的創立者比格斯從量（學習要點的數量）和質（如何建構學習要點）兩個方面把學生的學習結果分為五個層次，各個層次及其表現如下。

前結構層次：無法理解和解決問題，或者被材料中的無關內容誤導，回答問題時邏輯混亂。

單點結構層次：只能涉及單一的要點，單憑一條線索就得出結論。

多點結構層次：能聯系多個要點，但這些要點是相互孤立的，未形成相關問題的知識網絡。

關聯結構層次：能夠抓住問題的多個要點，并能將這些要點聯系起來，真正理解該問題。

拓展抽象結構層次：能夠進行抽象概括，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。

據此，教師可以設計有關沉浮問題的思維發展評價指標（見表1）。

有了上述評價指標，教師就可以根據學生的相關表現判斷其思維發展層次。在學習之前，相當一部分學生的思維可能處在單點結構層次，經過在課堂上對蠟燭、石塊、木頭、羽毛等物體沉浮現象的觀察和討論，他們的思維逐漸向多點結構層次發展。而要想真正讓他們的思維提升到關聯結構層次，還得靠控制變量的實驗來實現。根據課程標準要求，在探究不同材料沉浮現象的活動中，學生的思維只要能達到關聯結構層次水平就可以了。對于可能達到拓展抽象結構層次水平的個別學生，教師應予以肯定，但不需要刻意引導其他學生達成。

教師借助上述評價指標，結合學生課堂上的表現判斷其思維發展水平，并據此搭建合適的教學“腳手架”，能保證教學的有效性。

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象的實驗中采用空心球這一材料，此設計很巧妙，因為學生可以很方便地改變空心球的質量（如圖1）。此外，教材在提示中要求學生先預測三個球的沉浮狀態是否一樣，目的在于激發他們的科學思維。這一步驟非常必要，但問題也隨之而來：在此情境中，沉浮狀態是不好準確預測的。學生既不能直觀地看到小球的輕重關系，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節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量彈珠的氣球。這種貼近學生生活的創意可謂獨具匠心（如圖2）：透明藥瓶能讓學生一看就知道材料之間的質量差異，氣球里相同的彈珠數量也容易被看清。

我們不妨融合兩個版本教材的優點，用透明藥瓶和“氣球—彈珠”組合材料，每組采用三個等級，且巧用懸浮現象。即：調整三個藥瓶的質量梯度，使得中等質量的那個藥瓶正好懸浮，然后讓學生預測另外兩個藥瓶在水中是沉還是浮（如圖3）。這時預測就變得有據可依：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，隨后讓學生預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化概念

即便有了合適的材料和正確的導向，浮力的教學還是不太容易。學生初步建構了科學概念之后，還要在變化的情境中靈活運用，這樣才能夯實他們對概念的理解。

蘇教版教材中拓展應用的環節是，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”引入了傳統文化固然很好，但學生只能若有所悟，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。但是學生不知道浮力的大小與排開水的體積的關系，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”為止，受到的啟發有限。

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，待其漂浮穩定后，讓學生說說觀察到的現象。學生說完后，教師繼續出示一個完整的蘋果，讓學生預測放入水中會怎樣并問他們為什么這么預測。學生驗證后，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，掌握得比較好的學生能預測出完整的蘋果也是浮在水面上的并說出理由：雖然完整的蘋果質量更大，但體積也變大了。掌握不太好的學生可能會預測錯誤，教師可以在實驗后向他們解釋：完整蘋果和蘋果片相比，質量和體積在相同程度地增加，所以沉浮情況相同。

學生通常好奇且不理解鐵船為什么能浮在水面上，盡管這個現象他們經常見到。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，讓學生觀察其沉下去的現象，然后提問：“有沒有辦法讓橡皮泥在水中浮起來？”學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，讓學生觀察其沉浮情況，并解釋原因——橡皮泥的質量沒有變，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，讓學生預測放入水中后是沉還是浮。教師先演示實驗，再帶著學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，質量也減小了一半，結果還是一樣。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——質量不變的情況下，總體積增大了。

最后，教師可以問學生在研究浮力的這節課上有什么收獲，有沒有什么觀點改變了以及為什么改變自己的觀點。這既引導學生回顧了概念轉變的過程，強化了新概念，又達成了課程標準中的學業要求“認識到要基于證據得出結論，面對有說服力的證據時能調整自己的觀點”，培養了他們的科學態度。

小結

學生在小學階段探究耐人尋味的“沉浮”問題，是為初中深入學習抽象的浮力概念積累感性經驗。對于該內容的教學，教師既不能講得太深，又要讓學生有所悟，并能夠在現有的思維水平下合理解釋一些現象。這是小學科學課經常會面臨的難題，教師只有認真研究課程標準和學生的學情，才能實現平衡。