《浮力》一节的内容分析及探究性教学设计

谢影+钱长炎

摘 要：文章对现行人教版、沪科版、苏科版、教科版、北师大版五个版本教科书中《浮力》一节的主要内容进行分析与思考，并结合《课标》的要求，以科学探究为基础，对《浮力》一节进行探究性教学设计，旨在使学生不仅学到与“浮力”有关的科学知识，还能发展科学探究的能力。

关键词：浮力；科学探究；浮力的方向；浮力产生的原因

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）7-0009-6

“浮力”概念是义务教育物理课程中的重点内容之一，也是初中学生物理学习的难点之一。为了帮助学生克服在学习“浮力”概念过程中出现的各种困难，长期以来，广大物理教学研究者及教师对此概念的教学作了多方探讨。但是，就我们所掌握的文献来看，对“浮力”概念一节内容依据《课标》的要求参考五个版本的义务教育物理教科书并且以科学探究为基础的文献并不多。鉴于此，本文通过对五个版本教科书中“浮力”内容进行系统的对比分析与思考，并借助低成本实验资源，以期在科学探究的基础上对“浮力”的课堂教学提出合理的建议。

1 五版本初中物理教科书中《浮力》一节内容的整体分析

“浮力”是对前面力学的延伸与拓展，综合应用有关力、力的合成、力的平衡、液体压强等知识，给初中学生带来了一定的困难。《义务教育物理课程标准（2011年版）》 （以下简称《课标》）对《浮力》一节的要求为“通过实验，认识浮力”。[1]按照《课标》要求，对浮力内容的学习，要发挥实验的作用，通过实验来认识与探究浮力。不同版本的教科书都是依据《课标》编写的，如图1、2、3、4、5分别是人民教育出版社[2]（下文用“人教版”表示）、上海科学技术出版社[3]（下文用“沪科版”表示）、江苏凤凰科学技术出版社[4]（下文用“苏科版”表示）、教育科学出版社[5]（下文用“教科版”表示）、北京师范大学出版社[6]（下文用“北师大版”表示）五个版本的教科书中《浮力》一节的知识结构图。探究——影响浮力大小的因素”的知识结构图

从图1、2、3、4、5中可以看出五个版本教科书中《浮力》一节的内容主要包括“浮力的概念”“浮力的测量”“浮力产生的原因”“浮力的大小”等。但是，不同版本的教科书对同一个知识点的处理不同，对不同知识点安排的顺序不同。

对于“浮力的概念”要具有完整性，即无论是液体还是气体，对浸在其中的物体都有竖直向上的浮力，人教版与北师大版没有出现气体浮力的概念，用这两个版本教科书的学生可能会觉得只有浸在液体中的物体才会受到浮力。人教版与苏科版只提到浮力的方向是“向上”的，这样对浮力的概念也是不完整的。“浮力的测量”在五个版本的教科书中都以实验的形式来呈现，体现了教科书对物理实验的重视。“浮力产生的原因”只有苏科版没有体现，其中北师大版是通过橡皮膜实验来探究的，其他的三个版本都是通过物理模型进行讲解，但是大部分解释得较为抽象。从图4中我们还可以看到，教科版教科书在用物理模型讲授浮力产生的原因后，又安排了“家庭实验室”模块，让学生在家里自己动手，用橡皮膜实验来探究分析浮力产生的原因，学生自己动手实践不仅可以复习课堂中所学习的知识，而且还能培养他们独立工作的能力。

从《浮力》一节的整体来分析，发现人教版、苏科版及北师大版教科书还在本节安排了浮力的大小。我国初中一节课是45分钟，利用45分钟能让学生认识浸在液体或气体中的物体都受到向上的浮力，知道浮力的方向是竖直向上的；能让学生会用弹簧测力计测量物体在液体中所受浮力的大小；能让学生经历浮力产生的原因的探究过程，本节课容量已经足够。所以笔者认为，可以像沪科版那样把浮力的大小与阿基米德原理一起放在下一节来探究。

2 五版本初中物理教科书中《浮力》一节的科学探究思想的体现

《美国国家科学教育标准》的一个突出特征就是对探究的强调，我国《课标》也指出科学探究既是学生的学习目标，又是重要的教学方式。在课程基本理念中再一次强调“注重科学探究”。[7]科学探究在五个版本的教科书中均有不同程度的体现，且采取了多样化的方式来展开学生的科学探究活动[8]，如表1所示。

人教版教科书基本上以文字的形式来呈现，这种呈现方式略显枯燥，很难激起学生的好奇心。

沪科版教科书在文字叙述的基础上，配以图片说明，图文并茂，很能吸引学生的注意力，并且在“实验探究”栏目设计了“探究液体浮力”与“探究空气浮力”两个探究实验，以此来激发学生的探究兴趣。

苏科版教科书以活动入手，有文字、图片、问题，呈现形式活泼多样，很容易激起学生探究的欲望。器材、问题的呈现，给学生创设了一个思维空间，让学生自己思考、设计、操作并得出实验结论，有利于发展学生的思维能力、动手能力及分析问题并解决问题的能力。由于活动的发散性、自主性较强，可能对于一些基础薄弱的学生来说，并不一定能成功地完成实验。

“教科版”教科书以“活动”的形式展开，让学生亲身感受浮力，且更加注重学生间的讨论与交流。如表1所示，在本节的最后让学生“讨论交流：沉在水底的铁球有没有受到浮力”，通过问题的讨论，使学生更加深入地理解浮力产生的原因是上、下表面的压力差。此外，在“家庭实验室”栏目，还让学生自己动手自制用具进行课外小实验来探究浮力产生的原因。

“北师大版”教科书更注重体现科学探究的关键要素，给学生器材，告诉学生方法，让学生自己动手做实验，对问题进行“猜想”，根据猜想确定要研究的问题，给出实验器材供学生选择，让學生“制订计划”“收集证据”“分析与结论”。

通过对五个版本义务教育物理教科书中《浮力》一节探究活动方式的统计与比较，可以看出，实验类的探究活动所占比例最多，因为物理是一门以实验为基础的自然科学，物理实验也是进行科学探究的主要方式之一，其地位与作用是其他任何方式都无法替代的。下文中笔者将用低成本实验器材自制教具，通过实验来激发学生的兴趣，锻炼学生的动手能力，使他们在“做”中逐步深入地探究浮力。

3 《浮力》一节的探究性教学设计

美国著名教育家杜威在二十世纪初就提出基础教育阶段的教师需要“探究”这种教学技能，并鼓励教师使用“探究教学”的策略[9][10]。而科学探究强调的是以学生为主体来组织课堂教学，强调“学生们亲自动手做而不是别人做给他们看的事情”。[11]为了保证学生动手实践，而不是仅仅掌握一些支离破碎的事实，笔者根据《课标》要求并从五个版本教科书中精选适当的教学内容然后汲取他们的长处，借助低成本实验器材，对《浮力》一节作了如下文所述的探究性教学设计（如图6为教学流程图）。旨在使学生不仅学到与“浮力”有关的科学知识，还能发展他们的科学探究的能力。

3.1 魔术引入，引起好奇心

在教师的指导下，让学生把两个乒乓球放入一个去底倒置的加盖塑料瓶中，往瓶中加水，两个乒乓球由于受到浮力的作用，最终漂浮在水面（如图7甲所示）；再把瓶盖拧掉，重复实验如图7丙所示，一个乒乓球上浮而另一个沉在水底。[12] 此对比实验不仅激发了学生的兴趣，而且引起了学生的认知冲突，形成了学习动机。

3.2 以科学探究为基旨，渗透“浮力”概念教学过程的各个主要环节

（1）分组实验，探究液体对物体的浮力

引导学生利用乒乓球、矿泉水瓶、装了水的玻璃杯进行实验，体验液体对浸在其中的物体有向上的作用。

（2）演示实验，分析气体对物体的浮力

拿出一个氢气球，松手后观察氢气球升空过程，引导学生分析其中的力学道理并猜想氢气球升空的原因。针对这两个实验及生活经验，展开小组交流與讨论并描述浮力的概念。（如图1和5人教版与北师大版没有出现气体浮力的概念。）

（3）小组合作，探究浮力的方向

引导学生对图8中乒乓球进行受力分析并分组进行实验。分组实验能激发学生学习的兴趣和合作意识，且实验能直观展示出浮力的方向与重力的方向相反这一特征。重锤线的对比演示，有利于让学生加深理解浮力的方向是竖直向上的。至此，浮力的概念已形成，即浸在液体（或气体）中的物体受到竖直向上的浮力。（五个版本的教科书，只有教科版是以学生实验“用线把木块拉入水中”观察线的方向来探究浮力的方向，其他四个版本均用文字表述，且人教版与苏科版只提到浮力的方向是“向上”的。）

3.3 以精心设计的实验为抓手，引导学生突破“浮力”认识误区

（1）演示实验，提出问题并猜想

根据在水中漂浮的乒乓球受到浮力，进而使学生猜想：在水中会下沉的铁块，浸没在水中时是否会受到浮力。引导学生说出猜想的原因，强调猜想要通过实验来检验。

（2）学生分组实验，检验猜想

用手向上托物体时，引导学生观察弹簧测力计示数减少，慢慢拿开手，弹簧测力计又恢复原来示数（见图9甲、乙）。此时提出问题：当把物体浸没在水中时弹簧测力计示数会如何变化呢？引导学生对图9丙中浸没在水中的物体进行受力分析，最后引导学生讨论得出：F=G-F。

引导学生用此方法，分组实验测量浮力，并分析总结得出：不仅漂浮的物体受到浮力，在液体中下沉的物体，浸没在液体中的物体也受到浮力。（学生对浮力并不陌生，漂浮的物体受到浮力很容易被学生接受，但浸没在液体中的物体也受到浮力还需要学生亲自做实验来体会才行。分组实验不仅使学生掌握弹簧测力计测量浮力的方法，而且培养了学生合作的意识。）

3.4 实验探究浮力产生的原因，充分体现科学探究的各关键要素

（1）低成本物理实验，引起学生的认知冲突

教师引导学生提出问题：如图10所示，沉在水底的乒乓球是否受到浮力的作用呢？（借鉴教科版的“讨论交流”沉在水底的铁球有没有受到浮力。）浮力是如何产生的呢？并对沉在水底的原因进行猜想。此外，适时引导学生回忆液体的内部存在压强。

通过小组实验不仅能锻炼学生的动手能力，还能激发学生的好奇心，而学生的好奇心促使他们想对浮力产生的原因一探究竟，此时，教师可以引导学生通过建立物理模型来分析。

（2）建立物理模型，理性分析

模型介绍：在圆柱形容器注入一定量的水，长方体浸没在水中，其左右两个侧面和前后两个侧面的面积相等，并且对应部位距水面的深度相同（见图11）。引导学生对长方体左右、前后及上下六个面所受液体的压强与压力进行分析，可总结得出浸在液体中的物体，其对物体向上和向下的压力差就是浮力产生的原因。也就是说，要想产生浮力，向上的压力要比向下的压力大。

引入物理模型不仅可以复习前一章液体压强的知识而且还能发展学生的抽象思维能力，同时可以启发学生用“物理模型”来解决物理实际问题，如让学生用浮力产生的原因解释乒乓球沉入水底的现象及思考桥墩与打入水底的木桩是否受到浮力，体现“从物理走向社会”的课程基本理念。（此时，学生已经对浮力的概念有了系统的认识，即浸在空气中的物体受到浮力，漂浮在液面的物体与浸没在液体中的物体受到浮力，物体底部与水底紧密结合的物体不受到浮力，也就是说液体或气体对物体向上与向下的压力差就是浮力，要想产生浮力，向上的压力要比向下的压力大。）

（3）家庭实验室，探究浮力产生的原因

利用课外时间，教师与学生一起自制教具（见图12甲）[13]来探究浮力产生的原因，实验时往小瓶中加水，水会从小瓶底部渗透到大瓶中，在大瓶中的水位没有达到一定高度之前，两球都沉在水底（见图12乙）；当大瓶中的水位高过小瓶底部一定高度时，小瓶中的乒乓球就会浮起（见图12丙），而大瓶中的乒乓球却不会浮起。（从表1可以看出五个版本的教科书只有教科版在用物理模型讲授浮力产生的原因后，又安排了“家庭实验室”模块，让学生课外探究。图12的兵乓球和塑料瓶组合实验与教科版橡皮膜实验相比，更具有趣味性且材料易取，容易制作。）

4 结论与讨论

首先，科学探究一直是基础教育中备受关注的重要课题之一，教育界普遍认为科学探究应作为教育的核心。探究教学不同于被动的接受学习，它要求学生积极参与探究活动的过程，边做边学，通过真正的“做”科学，学生既学到知识内容，也更深入地掌握了运用和探究那些知识所必需的思维方法，使探究能力得以提高，同时形成正确的对待科学问题的态度。[14]因此，在教学中，教师不仅要注重让学生掌握物理概念和某些规律，而且应鼓励学生自己提出问题、讨论问题、自己努力找出答案，总而言之便是突出学生在学习中的主体性。

其次，教师拥有的关于科学探究和科学内容的知识越多，他们自己就越能成为有效的探究者，也就越能胜任探究性教学，帮助学生通过探究活动加深对科学概念和科学探究的理解。[15]因此，物理教师只有对科学探究充分了解，才能更加有效地利用教科书上的科学探究内容灵活设计探究活动，使探究既作为一种学习成果又作为一种学习方法，从而实现真正的科学探究。

再者，作为教师，要尽可能用多种教学资源，因此，要认真钻研教材并把多個版本教科书作深入探讨而后取长补短，而不是以某单一教科书作为备课素材。

最后，新课标倡导的是“以学生为主体”的教学理念，一切教学活动都必须以学生的积极性与主动性为出发点，根据这一教学理念与学生的实际情况，来选择恰当的内容来进行课堂教学设计。

参考文献：

[1]教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：17.

[2]人民教育出版社课程教材研究所.义务教育教科书物理八年级下册[M].北京：人民教育出版社，2012：48-52.

[3]义务教育物理课程标准实验教科书编写组.义务教育教科书物理八年级全一册[M].上海：上海科学技术出版社，2012：168-171.

[4]刘炳昇，李容.义务教育教科书物理八年级下册[M].南京：江苏凤凰科学技术出版社，2012：91-93.

[5]吴祖仁.义务教育教科书八年级下册[M].北京：教育科学出版社，2012：58-60.

[6]闫金铎.义务教育教科书物理八年级下册[M].北京：北京师范大学出版社，2013：75-79.

[7]教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012：3.

[8]姜雪梅.不同版本义务教育“课标”实验教科书中科学探究活动的比较研究[D].吉林：东北师范大学硕士学位论文，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）国家研究理事会.戢守志，等，译.美国国家科学教育标准[M].北京：科学技术文献出版社，1999：26.

[12]刘健智，张乃霁.《浮力》探究教学的思考及创新[J].中学物理教学参考，2014，44（4）：32.

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

[14]罗星凯.实施科学探究性学习必须正视的问题[J].全球教育展望，2004，33（3）：43-46.

[15]（美）国家研究理事会科学、数学及技术教育中心《国家科学教育标准》科学探究附属读物编委会.罗兴凯，等，译.科学探究与国家科学教育标准——教与学的指南[M].北京：科学普及出版社，2013：133.（栏目编辑 赵保钢）