浮力实验教学的设计与改进

邵建新+刘敏

摘 要 针对如何“认识浮力”这一教学难点，在分析教材的基础上，利用生活中触手可及的材料设计实验，对浮力概念引入、浮力的定义、浮力产生原因的教学及实验进行了設计改进，重在从认知冲突出发，转变学生错误前概念，实现对浮力知识的深入理解和应用。

关键词 浮力 认知冲突 实验设计 教学改进

一、教材分析

浮力是初中物理力学部分的重难点知识之一。认识浮力是在综合应用液体压强、压力、二力平衡等知识的基础上展开的。义务教育物理课程标准强调“通过实验，认识浮力”，旨在提高学生的科学素养。在教学设计中，我们从学生生活经验出发，通过设置与学生原有认知相冲突的问题，在认知冲突下展开教学，同时利用边教边实验的方法，让学生经历探究活动过程，使学生在感知浮力的基础上修正其“浮力前概念”，从感性认识上升到理性认识。

二、浮力概念引入的改进设计

当前在浮力教学的新课引入部分，多数教师采用图片或视频向学生展示生活中常见的浮力现象，如轮船漂浮在海面上，乒乓球放入水中会浮出水面，“冰山漂浮，死海不死”[1]等等；也有些教师让学生将浮在水面的物体（如乒乓球、饮料瓶）压入水中，亲身感受浮力的存在[2]。这些导入方式的目的是“从生活走向物理”，但是不论是图片、视频的展示，还是让学生亲身感知浮力的存在，多为学生早已熟识的生活场景，并不能很好地调动学生学习浮力这一章知识的强烈欲望。我们从与学生前概念冲突的实验现象着手，让学生开始质疑自身原本对浮力的理解，并在观察“反常”的实验现象过程中产生强烈的认知反差，从而形成强烈的学习动机。

1.让学生质疑自己

中学生原本在自身生活经验的支配下，在头脑中已经形成了对浮力的一些认识。并且中学生对自己的理解是确信的。通过提问的方式使学生对头脑中的既定答案产生质疑，在质疑之下产生不安，从而形成对接下来进一步学习的关注。如在新课开始前让学生思考：“一个完好无损的乒乓球放入水中是不是一定会漂浮在水面呢？”在中学生的生活经验中，乒乓球是肯定会漂浮在水面上的。当老师向学生提出这样的问题时，学生便开始对自己原有认知产生质疑，这种质疑相比直接提问“为什么轮船会漂浮在水面上？会使学生对浮力产生更深的认知体验和更为积极的注意。

2.制造认知冲突

通过提问，学生在质疑的状态下尝试给出自己并不笃定的答案。在学生尚处于质疑的状态下，教师将乒乓球放入去底敞口的倒立塑料瓶内，向瓶内注水，如图1甲所示，向学生展示乒乓球是可以沉在水底的。学生通过观察实验现象，感知与前概念相冲突的“反常”事实，产生新奇体验。再用瓶盖将塑料瓶口拧上，乒乓球上浮，如图1乙所示。教师一个小小的操作产生完全不同的实验现象。学生在观察实验现象的过程中再次获得新奇的体验。在演示实验中的两次新奇体验使学生对接下来的学习产生浓厚的兴趣。同时通过思考问题和实验观察，学生接下来的学习也具有了明显的目的性。该演示实验常被中学教师用来讲解浮力产生的原因[3][4]，但却存在不妥之处。例如，在教师拧上瓶盖之后，很快乒乓球便浮出水面，学生的直观体验时间太短，所能获得的认知仅停留在物体下方有液体便会上浮。在此过程中，学生并不能联想到压力差的存在，反而容易将物体浮沉与浮力的存在与否进行错误关联。

三、浮力定义的教学改进设计

浮力定义中最关键的内容包括浮力的方向、浮力的大小、施力物体和受力物体。

1.浮力的方向实验改进

通过对已有研究和教学实际的分析，探究浮力方向的实验基本为两种。一种是将乒乓球用红线固定在大烧杯底部，向烧杯内注水并将乒乓球完全浸没，观察红线在竖直方向上被拉直，再倾斜烧杯，通过实验观察得出浮力的方向总是竖直向上的[5]。另一种则是在第一种实验设计的基础上，在烧杯外侧悬挂重锤，进行对比，目的是将浮力与重力相关联[6][7]。通过教学实践发现，以上实验设计存在不足之处。首先，光的折射作用对学生观察实验现象造成干扰。由于烧杯是圆柱型容器，当教师在倾斜烧杯的过程中，仅有部分学生观察到红线是在竖直方向上，其他学生则观察到红线是倾斜的。其次，在烧杯外侧悬挂重锤，若直接悬挂于烧杯之上，则在倾斜烧杯的过程中容易产生晃动；若将重锤悬挂于铁架台之上，重锤与烧杯分离，对实验现象或造成喧宾夺主之效。

依据以上分析，我们对实验教学设计进行改进。如图2所示，首先，将大烧杯换成长方体玻璃容器，以其中一个面正对学生放置于水平桌面上，减小光的折射对实验现象产生的干扰；并在正对学生的一面上粘贴垂直于容器底部的黑色直线，让学生在实验过程中更好地区分垂直和竖直。其次，往玻璃容器内注入少部分水时，乒乓球静止漂浮在水面上，让学生分析乒乓球的受力情况。学生在进行受力分析的过程中，会自觉回顾二力平衡的知识，并将重力与浮力相关联，从而凸显物理力学知识学习的关联性，同时有利于培养学生运用知识分析实际问题的能力。最后，继续向玻璃容器内加水，直到乒乓球完全浸没，确定浮力的方向是竖直向上的，再将玻璃容器缓慢倾斜，让学生观察并得出浮力的方向总是竖直向上的，并与重力的方向相反。

2.强调施力物体和受力物体

在浮力定义的教学过程中，教师往往花费大量的精力向学生证明浮力的方向总是竖直向上的，而忽略浮力的施力物体和受力物体。浮力是液体对浸在其中物体施加的向上的力。这个力只是物体受到的所有力的一部分。强调浮力的施力物体，一方面有利于排除重力对浮力学习的干扰，使学生更好地学习浮力产生的原因；另一方面有利于转变学生“物体沉浮是由物体是否受到浮力作用”的错误概念，为物体浮沉条件的学习减少认知障碍。

四、浮力产生原因的教学改进设计

中学生原本就已经在头脑中存在许多与浮力有关的经验，加之对浮力定义的学习，对浮力已经有了更深一步的认识。但是，学生头脑中仍存在关于“一切浸在液体中的物体均受到浮力”这一错误前概念，而这一错误前概念直接影响阿基米德原理的学习和应用。由于书本上缺少演示实验的设计，有研究者进行了新的实验设计[8][9]，但是其实验器材存在不易制作或材料不易获得的缺陷。我们在学生已有知识的基础上，从学生生活经验出发，自然导入设定的认知矛盾，利用简易自制教具进行演示实验，向学生展示液体的压力差，再利用模型法分析得出浮力和物体所受液体压力差之间的关系，从而有效化解学生的认知矛盾。endprint

1.导入认知冲突

请学生列举生活中的浮力现象。学生会根据生活经验，列举常见并正确的生活实例，如，鸭子在水面玩耍、带游泳圈游泳、轮船漂浮在海面上等等。此时，教师对学生的答案给予肯定，使学生处于自我肯定的状态。然后，向学生展示屹立于水面的大桥，并让学生思考“桥墩是否受到水的浮力作用”。该问题的抛出使学生开始质疑自己的前概念，激发了学生的好奇心。

2.展示物体所受液体压力差

浮力是由于液体对浸在其中的物体施加的向上和向下的压力差而产生的。这个压力差是浮力的本质，因此将浮力作用的过程进行分解，让学生直观感知到这个压力差的存在，对学习浮力至关重要。为此，我们设计了一个简易实验向学生展示这个压力差，如图3所示。

第一步，将内壁平整的塑料瓶去底，在瓶口侧边处开几个洞，并将一个密封良好的气球轻轻放入倒立的塑料瓶内，气球刚好卡住，然后将塑料瓶倒立放置于水平桌面上。

第二步，向瓶内注水，直至气球下落至瓶口处，在此期间，让学生认真观察，并分析气球下落的原因。这一步实验操作，让学生感知到液体对物体向下的压力。

第三步，将塑料瓶放入空的玻璃容器内，向玻璃容器内注水，直至气球向上运动。在此期间，学生认真观察实验现象，并分析气球上浮的原因。这一步实验操作，气球上升，让学生感知到液体对物体存在一个向上和向下的压力差，当这个压力差足够大时可以使物体上浮。

3.运用模型法分析浮力与液体压力差之间的关系

演示实验向学生展示液体对物体向上和向下的压力差。但实验并不足以说明浮力产生的原因就是这个压力差，也不能说明浮力的大小就等于这个压力差。通过建立理想模型，如图4所示，将一个长方体物块竖直浸没到液体中，运用二力平衡、压强、液体压强、压力的知识推导出浮力就是液体对物体向上和向下的压力差。

由于液体对长方体上表面的压强小于下表面的压强，即有

P向上>P向下

因为长方体上下表面的面积相等，再结合压强定义式P，可得

F向上>F向下

所以F浮 =F向上-F向下

从而得出结论：浮力是液体对物体向上和向下的压力差，而且浮力的方向总是竖直向上的。进一步分析得出：如果不存在液体对物体向上的压力或液体对物体向上的压力小于向下的压力，均不存在浮力（有兴趣进一步探究的读者可阅读文献[10]）。

4.回归实践，解决认知冲突

通过对浮力的定义，方向以及浮力产生的原因进行的分析，学生已经对浮力有了全新的、深入的理论认识。在理论认识的基础上，引导学生分析新课引入部分的乒乓球沉浮实验的实验现象和“桥墩是否受到水的浮力作用”问题，将浮力知识的学习回归于实际问题的解决。一方面，将浮力知识与生活实际相联系，培养学生将所学运用于实践的意识和能力；另一方面，通过对实际问题的分析，解决认知上的矛盾，从根本上纠正学生“一切浸在液体中的物体均受到浮力”的错误前概念，帮助学生更深刻地理解阿基米德原理的适用条件。

依据上述指导思想及实验改进所撰写的教学设计在第四届华夏杯物理教学创新大赛中荣获一等奖，在比赛的模拟授课环节获得了很好的教学效果。

参考文献

[1] 宋爱国.《浮力》教学设计赏析[J].中学物理教学参考，2013（8）.

[2] 虞凯天.华师大版八年级科学《浮力》教学设计与反思[J].中学物理，2015 （4）.

[3] 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（4）.

[4] 易其顺，蒋志年.物理学科中“浮力”实验教学的研究[J].教学与管理，2006（12）.

[5] 姜娜.自制教具做好实验突破难点——浮力第1课时教学的改进与设计[J].中学物理，2011 （20）.

[6] 程挺模.關于《浮力》一节“浮力方向”的设计评析[J].中学物理：初中版，2013（4）.

[7] 陈风青.对浮力实验和阿基米德实验的改进[J].物理实验，2013（8）.

[8] 陆昶，陆美清.用实验突破浮力教学难点的研究与实践[J].中学物理教学参考，2015（9）.

[9] 程银生.改进实验：探究浮力产生的原因[J].学周刊，2016（32）.

[10] 邵建新.论浮力的计算[J].物理与工程，2006（32）.

【责任编辑 孙晓雯】endprint