《浮力》一節的內容分析及探究性教學設計

謝影+錢長炎

摘 要：文章對現行人教版、滬科版、蘇科版、教科版、北師大版五個版本教科書中《浮力》一節的主要內容進行分析與思考，并結合《課標》的要求，以科學探究為基礎，對《浮力》一節進行探究性教學設計，旨在使學生不僅學到與“浮力”有關的科學知識，還能發展科學探究的能力。

關鍵詞：浮力；科學探究；浮力的方向；浮力產生的原因

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）7-0009-6

“浮力”概念是義務教育物理課程中的重點內容之一，也是初中學生物理學習的難點之一。為了幫助學生克服在學習“浮力”概念過程中出現的各種困難，長期以來，廣大物理教學研究者及教師對此概念的教學作了多方探討。但是，就我們所掌握的文獻來看，對“浮力”概念一節內容依據《課標》的要求參考五個版本的義務教育物理教科書并且以科學探究為基礎的文獻并不多。鑒于此，本文通過對五個版本教科書中“浮力”內容進行系統的對比分析與思考，并借助低成本實驗資源，以期在科學探究的基礎上對“浮力”的課堂教學提出合理的建議。

1 五版本初中物理教科書中《浮力》一節內容的整體分析

“浮力”是對前面力學的延伸與拓展，綜合應用有關力、力的合成、力的平衡、液體壓強等知識，給初中學生帶來了一定的困難?！读x務教育物理課程標準（2011年版）》 （以下簡稱《課標》）對《浮力》一節的要求為“通過實驗，認識浮力”。[1]按照《課標》要求，對浮力內容的學習，要發揮實驗的作用，通過實驗來認識與探究浮力。不同版本的教科書都是依據《課標》編寫的，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?？茖W技術出版社[3]（下文用“滬科版”表示）、江蘇鳳凰科學技術出版社[4]（下文用“蘇科版”表示）、教育科學出版社[5]（下文用“教科版”表示）、北京師范大學出版社[6]（下文用“北師大版”表示）五個版本的教科書中《浮力》一節的知識結構圖。探究——影響浮力大小的因素”的知識結構圖

從圖1、2、3、4、5中可以看出五個版本教科書中《浮力》一節的內容主要包括“浮力的概念”“浮力的測量”“浮力產生的原因”“浮力的大小”等。但是，不同版本的教科書對同一個知識點的處理不同，對不同知識點安排的順序不同。

對于“浮力的概念”要具有完整性，即無論是液體還是氣體，對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有出現氣體浮力的概念，用這兩個版本教科書的學生可能會覺得只有浸在液體中的物體才會受到浮力。人教版與蘇科版只提到浮力的方向是“向上”的，這樣對浮力的概念也是不完整的?！案×Φ臏y量”在五個版本的教科書中都以實驗的形式來呈現，體現了教科書對物理實驗的重視?！案×Ξa生的原因”只有蘇科版沒有體現，其中北師大版是通過橡皮膜實驗來探究的，其他的三個版本都是通過物理模型進行講解，但是大部分解釋得較為抽象。從圖4中我們還可以看到，教科版教科書在用物理模型講授浮力產生的原因后，又安排了“家庭實驗室”模塊，讓學生在家里自己動手，用橡皮膜實驗來探究分析浮力產生的原因，學生自己動手實踐不僅可以復習課堂中所學習的知識，而且還能培養他們獨立工作的能力。

從《浮力》一節的整體來分析，發現人教版、蘇科版及北師大版教科書還在本節安排了浮力的大小。我國初中一節課是45分鐘，利用45分鐘能讓學生認識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；能讓學生會用彈簧測力計測量物體在液體中所受浮力的大??；能讓學生經歷浮力產生的原因的探究過程，本節課容量已經足夠。所以筆者認為，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來探究。

2 五版本初中物理教科書中《浮力》一節的科學探究思想的體現

《美國國家科學教育標準》的一個突出特征就是對探究的強調，我國《課標》也指出科學探究既是學生的學習目標，又是重要的教學方式。在課程基本理念中再一次強調“注重科學探究”。[7]科學探究在五個版本的教科書中均有不同程度的體現，且采取了多樣化的方式來展開學生的科學探究活動[8]，如表1所示。

人教版教科書基本上以文字的形式來呈現，這種呈現方式略顯枯燥，很難激起學生的好奇心。

滬科版教科書在文字敘述的基礎上，配以圖片說明，圖文并茂，很能吸引學生的注意力，并且在“實驗探究”欄目設計了“探究液體浮力”與“探究空氣浮力”兩個探究實驗，以此來激發學生的探究興趣。

蘇科版教科書以活動入手，有文字、圖片、問題，呈現形式活潑多樣，很容易激起學生探究的欲望。器材、問題的呈現，給學生創設了一個思維空間，讓學生自己思考、設計、操作并得出實驗結論，有利于發展學生的思維能力、動手能力及分析問題并解決問題的能力。由于活動的發散性、自主性較強，可能對于一些基礎薄弱的學生來說，并不一定能成功地完成實驗。

“教科版”教科書以“活動”的形式展開，讓學生親身感受浮力，且更加注重學生間的討論與交流。如表1所示，在本節的最后讓學生“討論交流：沉在水底的鐵球有沒有受到浮力”，通過問題的討論，使學生更加深入地理解浮力產生的原因是上、下表面的壓力差。此外，在“家庭實驗室”欄目，還讓學生自己動手自制用具進行課外小實驗來探究浮力產生的原因。

“北師大版”教科書更注重體現科學探究的關鍵要素，給學生器材，告訴學生方法，讓學生自己動手做實驗，對問題進行“猜想”，根據猜想確定要研究的問題，給出實驗器材供學生選擇，讓學生“制訂計劃”“收集證據”“分析與結論”。

通過對五個版本義務教育物理教科書中《浮力》一節探究活動方式的統計與比較，可以看出，實驗類的探究活動所占比例最多，因為物理是一門以實驗為基礎的自然科學，物理實驗也是進行科學探究的主要方式之一，其地位與作用是其他任何方式都無法替代的。下文中筆者將用低成本實驗器材自制教具，通過實驗來激發學生的興趣，鍛煉學生的動手能力，使他們在“做”中逐步深入地探究浮力。

3 《浮力》一節的探究性教學設計

美國著名教育家杜威在二十世紀初就提出基礎教育階段的教師需要“探究”這種教學技能，并鼓勵教師使用“探究教學”的策略[9][10]。而科學探究強調的是以學生為主體來組織課堂教學，強調“學生們親自動手做而不是別人做給他們看的事情”。[11]為了保證學生動手實踐，而不是僅僅掌握一些支離破碎的事實，筆者根據《課標》要求并從五個版本教科書中精選適當的教學內容然后汲取他們的長處，借助低成本實驗器材，對《浮力》一節作了如下文所述的探究性教學設計（如圖6為教學流程圖）。旨在使學生不僅學到與“浮力”有關的科學知識，還能發展他們的科學探究的能力。

3.1 魔術引入，引起好奇心

在教師的指導下，讓學生把兩個乒乓球放入一個去底倒置的加蓋塑料瓶中，往瓶中加水，兩個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，重復實驗如圖7丙所示，一個乒乓球上浮而另一個沉在水底。[12] 此對比實驗不僅激發了學生的興趣，而且引起了學生的認知沖突，形成了學習動機。

3.2 以科學探究為基旨，滲透“浮力”概念教學過程的各個主要環節

（1）分組實驗，探究液體對物體的浮力

引導學生利用乒乓球、礦泉水瓶、裝了水的玻璃杯進行實驗，體驗液體對浸在其中的物體有向上的作用。

（2）演示實驗，分析氣體對物體的浮力

拿出一個氫氣球，松手后觀察氫氣球升空過程，引導學生分析其中的力學道理并猜想氫氣球升空的原因。針對這兩個實驗及生活經驗，展開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有出現氣體浮力的概念。）

（3）小組合作，探究浮力的方向

引導學生對圖8中乒乓球進行受力分析并分組進行實驗。分組實驗能激發學生學習的興趣和合作意識，且實驗能直觀展示出浮力的方向與重力的方向相反這一特征。重錘線的對比演示，有利于讓學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。（五個版本的教科書，只有教科版是以學生實驗“用線把木塊拉入水中”觀察線的方向來探究浮力的方向，其他四個版本均用文字表述，且人教版與蘇科版只提到浮力的方向是“向上”的。）

3.3 以精心設計的實驗為抓手，引導學生突破“浮力”認識誤區

（1）演示實驗，提出問題并猜想

根據在水中漂浮的乒乓球受到浮力，進而使學生猜想：在水中會下沉的鐵塊，浸沒在水中時是否會受到浮力。引導學生說出猜想的原因，強調猜想要通過實驗來檢驗。

（2）學生分組實驗，檢驗猜想

用手向上托物體時，引導學生觀察彈簧測力計示數減少，慢慢拿開手，彈簧測力計又恢復原來示數（見圖9甲、乙）。此時提出問題：當把物體浸沒在水中時彈簧測力計示數會如何變化呢？引導學生對圖9丙中浸沒在水中的物體進行受力分析，最后引導學生討論得出：F=G-F。

引導學生用此方法，分組實驗測量浮力，并分析總結得出：不僅漂浮的物體受到浮力，在液體中下沉的物體，浸沒在液體中的物體也受到浮力。（學生對浮力并不陌生，漂浮的物體受到浮力很容易被學生接受，但浸沒在液體中的物體也受到浮力還需要學生親自做實驗來體會才行。分組實驗不僅使學生掌握彈簧測力計測量浮力的方法，而且培養了學生合作的意識。）

3.4 實驗探究浮力產生的原因，充分體現科學探究的各關鍵要素

（1）低成本物理實驗，引起學生的認知沖突

教師引導學生提出問題：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有受到浮力。）浮力是如何產生的呢？并對沉在水底的原因進行猜想。此外，適時引導學生回憶液體的內部存在壓強。

通過小組實驗不僅能鍛煉學生的動手能力，還能激發學生的好奇心，而學生的好奇心促使他們想對浮力產生的原因一探究竟，此時，教師可以引導學生通過建立物理模型來分析。

（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，長方體浸沒在水中，其左右兩個側面和前后兩個側面的面積相等，并且對應部位距水面的深度相同（見圖11）。引導學生對長方體左右、前后及上下六個面所受液體的壓強與壓力進行分析，可總結得出浸在液體中的物體，其對物體向上和向下的壓力差就是浮力產生的原因。也就是說，要想產生浮力，向上的壓力要比向下的壓力大。

引入物理模型不僅可以復習前一章液體壓強的知識而且還能發展學生的抽象思維能力，同時可以啟發學生用“物理模型”來解決物理實際問題，如讓學生用浮力產生的原因解釋乒乓球沉入水底的現象及思考橋墩與打入水底的木樁是否受到浮力，體現“從物理走向社會”的課程基本理念。（此時，學生已經對浮力的概念有了系統的認識，即浸在空氣中的物體受到浮力，漂浮在液面的物體與浸沒在液體中的物體受到浮力，物體底部與水底緊密結合的物體不受到浮力，也就是說液體或氣體對物體向上與向下的壓力差就是浮力，要想產生浮力，向上的壓力要比向下的壓力大。）

（3）家庭實驗室，探究浮力產生的原因

利用課外時間，教師與學生一起自制教具（見圖12甲）[13]來探究浮力產生的原因，實驗時往小瓶中加水，水會從小瓶底部滲透到大瓶中，在大瓶中的水位沒有達到一定高度之前，兩球都沉在水底（見圖12乙）；當大瓶中的水位高過小瓶底部一定高度時，小瓶中的乒乓球就會浮起（見圖12丙），而大瓶中的乒乓球卻不會浮起。（從表1可以看出五個版本的教科書只有教科版在用物理模型講授浮力產生的原因后，又安排了“家庭實驗室”模塊，讓學生課外探究。圖12的兵乓球和塑料瓶組合實驗與教科版橡皮膜實驗相比，更具有趣味性且材料易取，容易制作。）

4 結論與討論

首先，科學探究一直是基礎教育中備受關注的重要課題之一，教育界普遍認為科學探究應作為教育的核心。探究教學不同于被動的接受學習，它要求學生積極參與探究活動的過程，邊做邊學，通過真正的“做”科學，學生既學到知識內容，也更深入地掌握了運用和探究那些知識所必需的思維方法，使探究能力得以提高，同時形成正確的對待科學問題的態度。[14]因此，在教學中，教師不僅要注重讓學生掌握物理概念和某些規律，而且應鼓勵學生自己提出問題、討論問題、自己努力找出答案，總而言之便是突出學生在學習中的主體性。

其次，教師擁有的關于科學探究和科學內容的知識越多，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，幫助學生通過探究活動加深對科學概念和科學探究的理解。[15]因此，物理教師只有對科學探究充分了解，才能更加有效地利用教科書上的科學探究內容靈活設計探究活動，使探究既作為一種學習成果又作為一種學習方法，從而實現真正的科學探究。

再者，作為教師，要盡可能用多種教學資源，因此，要認真鉆研教材并把多個版本教科書作深入探討而后取長補短，而不是以某單一教科書作為備課素材。

最后，新課標倡導的是“以學生為主體”的教學理念，一切教學活動都必須以學生的積極性與主動性為出發點，根據這一教學理念與學生的實際情況，來選擇恰當的內容來進行課堂教學設計。

參考文獻：

[1]教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：17.

[2]人民教育出版社課程教材研究所.義務教育教科書物理八年級下冊[M].北京：人民教育出版社，2012：48-52.

[3]義務教育物理課程標準實驗教科書編寫組.義務教育教科書物理八年級全一冊[M].上海：上?？茖W技術出版社，2012：168-171.

[4]劉炳昇，李容.義務教育教科書物理八年級下冊[M].南京：江蘇鳳凰科學技術出版社，2012：91-93.

[5]吳祖仁.義務教育教科書八年級下冊[M].北京：教育科學出版社，2012：58-60.

[6]閆金鐸.義務教育教科書物理八年級下冊[M].北京：北京師范大學出版社，2013：75-79.

[7]教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012：3.

[8]姜雪梅.不同版本義務教育“課標”實驗教科書中科學探究活動的比較研究[D].吉林：東北師范大學碩士學位論文，2005：7-8.

[9]John Dewey.Method in Science Teaching[J].General Science Quarterly，1916，1（1）：3-9

[10] John Dewey.Method in Science Teaching[J].Science Education，1945，29（3）：119-123.

[11]（美）國家研究理事會.戢守志，等，譯.美國國家科學教育標準[M].北京：科學技術文獻出版社，1999：26.

[12]劉健智，張乃霽.《浮力》探究教學的思考及創新[J].中學物理教學參考，2014，44（4）：32.

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

[14]羅星凱.實施科學探究性學習必須正視的問題[J].全球教育展望，2004，33（3）：43-46.

[15]（美）國家研究理事會科學、數學及技術教育中心《國家科學教育標準》科學探究附屬讀物編委會.羅興凱，等，譯.科學探究與國家科學教育標準——教與學的指南[M].北京：科學普及出版社，2013：133.（欄目編輯 趙保鋼）