初中生浮力前概念探查

李秀斌 张维军 郭志涵 潘普 朱亚君 李凌云

学习科学研究结果表明，前概念知识对科学学习有着直接的影响。因此，在教学前探查学生的前概念是物理教学的基础工作。文章通过纸笔测试和访谈的方法，调查了初二学生有关浮力的前概念，并提出了浮力教学的建议。

前概念  浮力  概念转变

前概念即前科学概念，是指学习者在接受正规的科学教育之前，对从周围获得的各种经验进行加工从而形成的概念，是基于感知的认识和理解[1]。学习科学的研究结果表明，学习者总是带着前概念进行科学学习的，学习者已有的前概念对科学概念的学习有着直接的影响。

通常在教学之前，教师要进行学情分析。一是要了解学习者的特征，如学习者心理特征、学习风格等;二是了解学习者已有的知识，包括已经掌握的预备知识与技能、前概念知识等;三是了解学习者的学习态度。可见，前概念知识的探查是教学实施之前必备的环节，是教学方案设计的基础。因此，在教学前了解学生具有什么样的前概念知识显得非常必要。

一、研究设计

选择了南京市某中学初二年级7个班学生进行了前测，采用纸笔测试和访谈的方法。本次测试关注学生对浮力的认识、对物体沉浮条件的认识、对浮力与重力的关系的认识以及对漂浮、悬浮和下沉三种状态的比较四个方面。测试共获得了208个有效试卷，测试完之后随机选择了32名学生进行访谈。所有研究对象均未经过正规的关于浮力的科学学习。

二、研究结果分析

1.对浮力的认识

用一个日常生活中常见的问题“你可以将一个落在细长的空玻璃管底部的乒乓球拿出来吗？（不能倾倒管子，请说出你的办法。）”来测试学生对于浮力的认识。调查结果发现，86.6%的学生认为，往玻璃管中加入液体可以使乒乓球浮在水面上，最终取出乒乓球。可见大部分学生对浮力有一定的感性认识，能够运用浮力知识来解决生活问题。13.4%的学生选择用筷子、木头、吹风机取出乒乓球，可见仍有部分学生缺少相应的生活经验，没有想到从浮力角度思考问题。

在回答问题“人们在水中搬起一块石头要比在岸上搬起同一块石头容易得多，你认为造成这一现象的原因是什么？”时，71.3%的学生认为造成这一现象的原因是石头在水中受到浮力，28.7%的学生的答案是错误的。在错误的答案中，33%的学生认为是因为“水有浮力”，15%的学生则认为“浮力使石头重力减小”，13%的学生认为是“水对石头有支持力”，12%的学生对这一现象无法给出任何解释，5%的学生认为原因是“水的阻力”。由此可见学生对水中的物体是否受到浮力、浮力不能改变物体本身重力等知识没有正确的认识。

由表1可知，91.4%的学生认为“静止在水面的木头、水中的鱼、正在下沉的潜水艇、水底的石块”这些答案中的一个或多个没有受到浮力。绝大部分学生认为只有浮在水面上的物体才受到浮力，而静止在水中和下沉的物体则不受浮力作用。

2.对物体的浮沉条件的认识

在回答“由钢铁制作的航空母舰能漂浮在海水表面，而体积很小的钢块却不能浮在水面，你能说出其中的道理吗？”这一问题中，15.8%的学生给出了正确答案，84.2%的学生都给出了错误的答案。在错误的答案中，28%的学生没有回答这一问题，17%的学生认为“钢块受到的浮力小于航母受到的浮力”，16%的学生认为“航母受力面积比钢块大的多”，14%的学生认为“航母体积大”。可见大部分学生不能正确理解物体的浮沉条件，而是根据已有生活经验，从“接触面积、受力面积”等方面去认识问题。

根据表2可知，28.7%的学生认为鸡蛋在清水中受到的浮力小于鸡蛋所受的重力所以下沉，而在盐水中受到的浮力大于鸡蛋所受的重力所以漂浮。71.3%的学生给出的答案是错误的，其中30%的学生认为“盐水密度大浮力大”。通过进一步访谈可知，尽管学生认为盐水密度大于清水密度，鸡蛋在盐水中受到的浮力大，但是未能根据浮力与重力的关系去判断沉浮。18%的学生认为“盐水对鸡蛋有浮力”，10%的学生认为“盐水密度小浮力小”，10%的学生认为“物体重力小于物体在盐水中受到的浮力”。可见在学习过密度概念的前提下，学生能够从密度角度思考相关问题，但只是根据主观经验判断物体沉浮的条件。

表2

在回答问题“大石块和小木块浸没到水中，同时松开手时，判断大石块和小木块的沉浮”时，91.8%的学生认为大石块将下沉，76%的学生认为小木块将上浮。通过进一步访谈可知，学生评判的依据是日常生活经验，大多数学生根据“以前玩过，以前看到过”来判断。认为大石块受到的浮力大于小木块受到的浮力的占33.5%，认为大石块受到的浮力大于自身重力的占68.4%，认为小木块受到的浮力等于自身重力的占60.3%。由此可知，依据生活常识，大部分学生能够判断出大石块和小木块在水中的沉浮状态，尽管学习过二力平衡，但对于浮力和物体的重力比较认识不全面。仍有一部分学生认为“大石块受到的浮力比较小，不然它不可能浮不上来”、“觉得物体上浮浮力就大，下沉浮力就小”。

3.对浮力与重力的关系的认识

当被问到“一艘轮船自身的重力是2×106N，当它漂在海面上时，它受到的浮力是__N”时，59.6%的学生能够根据“二力平衡”的知识给出正确答案，但对于第二问“如果在这艘轮船上装了1.2×106N货物，则它此时受到的浮力是__N。”仅有26.9%的学生的答案是正确的。可见学生对漂浮时浮力与重力的关系理解并不深刻，缺乏在具体情境中运用物理知识的能力。

表3

根据表3可知，85.1%的学生知道石块在水中受到浮力，因此弹簧测力计示数会变小。74.5%的学生能依据二力平衡原理算出物体所受浮力大小，并有28.8%的学生能够依据第二小问的提示推算出“石块全部浸没到水中，石块受到的浮力为1.6N”。通过访谈可知，在解题过程中学生根据对弹簧测力计的认识和题目所给提示能够进行简单的逻辑推理，而不是根据石块在液体中的体积进行推算。

生汤圆在锅里下沉和熟汤圆在锅里上浮的现象在日常生活中较为常见。根据表4可知，83.2%的学生知道汤圆下沉是由于浮力小于重力造成的，87%的学生认为汤圆受热时浮力增大。根据进一步访谈得知，学生是根据二力平衡原理推理出结果的。在第三计算汤圆所受浮力大小的时候，90.9%的学生都遇到了困难。

表4

4.对漂浮、悬浮和下沉状态的认识

由表5可知，96.2%的学生无法对于物体处在漂浮、悬浮和下沉三种状态下所受浮力大小做出正确判断。不少学生认为物体漂浮在水面时所受浮力最大，而悬浮时除重力和浮力外还应存在其他的力，说明学生已有的“漂浮、悬浮”前概念和物理学上定义的漂浮、悬浮概念存在偏差。

表5

根据表6可知，65.9%的学生认为A容器中液体密度最大。但是通过访谈可知，学生认为A中液体密度大的原因却不相同。如：“球不变，表示体积不变，所以我认为能将同样的球托到上面说明密度大。”“密度大的液体浮力相对大一些，所以看哪 个球浮出的程度大就选哪个。”“因为会漂在水面上所以觉得它的密度是最大的”。在进一步追问原因时，他们却回答不出来。在错误答案中，大多数学生是猜测的。一部分学生认为“液体密度最大小球才会下沉”，“液体的密度大于球的密度所以会浮的比较高”。

表6

三、研究结论

（1）大部分学生对浮力有一定的感性认识，能够运用浮力知识来解决生活问题。

（2）大多数学生对浮力存在这样的迷思概念，即只有浮在水面上的物体才受到浮力，而静止在水中和下沉的物体则不受浮力作用。

（3）学生不能正确理解物体的浮沉条件，而是根据已有生活经验，从“接触面积、受力面积”等方面去认识问题;尽管学习过二力平衡，但对于物体沉浮状态与浮力和重力之间的关系认识不全面。

（4）学生无法对于物体处在漂浮、悬浮和下沉三种状态下所受浮力大小做出正确判断。不少学生认为物体漂浮在水面时所受浮力最大，认为悬浮时除重力和浮力外还应存在其他的力，学生对于“漂浮、悬浮”的前概念与漂浮、悬浮科学概念之间存在偏差。

（5）对液体的密度与浮力的关系不清楚。尽管学习了密度概念，但是学生很难理解密度与物体沉浮的关系。

四、对浮力教学的建议

由于前概念来自于生活中的经验，具有自发性、隐蔽性、顽固性、广泛性等特点[2]，因此在探查了学生关于浮力的前概念之后，教师应该采取相应的教学策略进行前概念转变。在教学过程中，教学策略的选择应该根据教学内容、学生的特征以及前概念的特点而定。近年来，基于计算机模型建构（建模）的方法作为一种有效的概念转变策略被用于科学学习中[3]。基于计算机模型建构方法超越了传统的科学教学中的观察和实验，可以提供洞察宏观和微观世界的桥梁，进一步拓展了科学推理和思维的空间。学生还可以通过计算机模型建构工具创建知识模型，教师根据学生创建的模型评估学生对知识的理解。此外，学生在模型构建中进行交流、讨论与合作，能够引发认知冲突，加强了对知识的及时反馈。因此，基于计算机模型建构的方法应用于浮力知识的教学，将会是一种对传统概念转变方法的有效补充，并在实际的教学中发挥重要作用。

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参考文献

[1] 曾珍.儿童“沉浮”前概念研究综述[J].成都大学学报：社科版，2013（5）.

[2] 咸蕊.初中生化学前概念的探查及教学对策的研究[D].北京：首都师范大学，2008.

[3] 张宝辉，张金磊，黄龙翔.计算机建模在教学评价中的应用研究[J].中国电化教育，2013（4）.

[作者：李秀斌（1959-），男，江苏江宁人，南京市江宁区教育局教研室，中学高级教师;张维军（1980-），男，江苏江宁人，南京市天景山中学教师;郭志涵（1980-），女，江苏江宁人，南京市天景山中学教师;潘普（1982-），男，江苏江宁人，南京市天景山中学教师;朱亚君（1982-），女，江苏江宁人，南京市天景山中学教师;李凌云（1979-），女，江苏如皋人，南京晓庄学院教师教育学院副教授，硕士。]

【责任编辑  郭振玲】