摘 要：關(guān)于浮力的方向，蘇科版教材上的定義是“向上”的。但實際教學(xué)中，很多教師卻定義為“豎直向上”，這就有必要檢點教師的情境創(chuàng)設(shè)和引導(dǎo)方法。由此引發(fā)了三點思考：實驗情境的普遍性和特殊性的問題、概念表象和概念核心的問題、典型實驗和變式設(shè)計的問題。

關(guān)鍵詞：浮力；概念表象；核心知識；對比實驗

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）12-0018-4

關(guān)于浮力的概念，蘇科版八年級物理第十章第四節(jié)中，通過四幅圖提供的實驗情境，得出了“浸在液體或氣體里的物體，受到液體或氣體向上的托力，這個力叫浮力。”在教學(xué)實踐中，教師應(yīng)如何創(chuàng)設(shè)實驗情境，采用怎樣的引導(dǎo)方法，讓學(xué)生通過實驗認(rèn)識浮力呢？聽課中發(fā)現(xiàn)，教師不一樣的認(rèn)識方法和實驗設(shè)計，導(dǎo)出了異樣的觀察結(jié)論。

1 無疑處生問

在一次“浮力”優(yōu)課評比活動中，老師用實驗幫助學(xué)生建立“浮力” 的概念，為了直觀顯示浮力的方向，用細(xì)線系住乒乓球，讓學(xué)生觀察乒乓球在水中靜止時細(xì)線伸長的方向，而且在旁邊還加掛了重錘線與之對比，以此來說明浮力的方向總是豎直向上的。教師的此番設(shè)計可謂煞費苦心，由此實驗演示，學(xué)生也毫無疑問地觀察得出浮力的方向是豎直向上的，但教師板書時卻沒有“豎直”二字。那么，究竟是“向上”還是“豎直向上”呢？學(xué)生普遍獲得的認(rèn)識和得出的結(jié)論是怎樣的呢？筆者在課后隨即進(jìn)行的課堂檢測中，有意出了與此相關(guān)的一道選擇性填空題：浮力的方向是： （填“向上”或“豎直向上”）。結(jié)果，45位學(xué)生中填“向上”有12位，填“豎直向上”有33位。后經(jīng)問及幾個填“向上”的同學(xué)為什么選“向上”時，他們的回答是“書上只說向上，沒說一定豎直向上”；問及幾個填“豎直向上”的同學(xué)的理由是什么時，他們的回答是“課上的實驗事實可見”。讓他們在一起討論時，也有幾個同學(xué)疑惑地提出：為什么書上和老師在黑板上都沒有寫“豎直”二字。這樣，就在看起來沒有問題、不是問題的地方，卻產(chǎn)生了一個值得深究的問題。

評課時，筆者把這個問題提了出來，與老師們研討交流。部分老師也認(rèn)為“亦可以說豎直向上”，理由是：從浮力的本質(zhì)來看，浮力產(chǎn)生的原因是浸在液體中的物體受到液體的壓力的合力。在靜止的液體中，通常用“小液柱法”來研究（如圖1），因為靜止時液體的壓強(qiáng)隨深度的增加而增加，但在同一深度，液體向各個方向的壓強(qiáng)相等，所以小液柱的下表面受到向上的壓力與上表面受到向下的壓力的合力就是浮力，方向是豎直向上（前、后，左、右受到的壓力的合力為零）。

2 辨析中明理

鑒于此，筆者提出，假如學(xué)生叩問這樣一個問題：洗衣機(jī)工作時，浮在水面上跟著水一起轉(zhuǎn)動的乒乓球受到的浮力方向是否豎直向上？因為乒乓球不保持靜止，那么應(yīng)該通過什么手段讓學(xué)生明白此時浮力的方向呢？

此時，有的老師拿出課上用的實驗器材，用筆作攪拌器將容器中的水?dāng)嚢杵饋?，形成漩渦，看到“系住乒乓球的細(xì)線”傾斜（這位老師就是用細(xì)線系住乒乓球），說道：細(xì)線的方向就是浮力的方向，不是豎直向上，而是偏向容器側(cè)壁斜著向上（即偏離圓心向外）。上述老師的分析，恰恰暴露出他們關(guān)于浮力這部分專業(yè)知識和教學(xué)知識視野的局限性。

至此，可發(fā)現(xiàn)存在兩個問題。其一，系住乒乓球的細(xì)線伸長的方向是不能表示浮力方向的。此處“用系住乒乓球的細(xì)線”來直觀顯示浮力的方向，看似是對學(xué)習(xí)重力方向的一種遷移，但重力方向用重錘線來顯現(xiàn)，是根據(jù)重錘受到的重力和細(xì)線的拉力是平衡力的原理，具有特殊性，是在特定條件下的一種間接反映，而不是本質(zhì)反映，實際上細(xì)線的伸長方向應(yīng)該是其產(chǎn)生的張力的方向。若以此為方法來顯示各種情形下的浮力方向，本身就犯了認(rèn)識方法上的錯誤。如果學(xué)生將此方法固化，形成認(rèn)識定勢，對今后的學(xué)習(xí)就是一種方法上的“前概念”的錯誤，會產(chǎn)生負(fù)影響。其二，當(dāng)液體靜止時，小液柱的前與后、左與右受到的壓力可以平衡；但液體不是靜止時，情況又是怎樣呢。從動力學(xué)的角度進(jìn)行分析：因為液體的壓強(qiáng)與流速有關(guān)，在同一深度，流速越大，壓強(qiáng)越小。漩渦中，靠近漩渦中心處，液體的流速大，在漩渦中的乒乓球，其靠近容器壁的那個側(cè)面受到的壓強(qiáng)比靠近漩渦中心的側(cè)面受到的壓強(qiáng)大。正因為如此，在乒乓球跟著旋轉(zhuǎn)做圓周運(yùn)動時，液體除了對球產(chǎn)生向上和向下的壓力差，同時也產(chǎn)生向內(nèi)和向外的壓力差，這個向內(nèi)和向外的壓力的合力方向指向漩渦中心，所以乒乓球受到液體壓力的合力方向由向上和向內(nèi)兩個方向共同決定，不是豎直向上，而是偏向漩渦中心斜著向上。

如果再從普通邏輯學(xué)的視角來看（普通邏輯不研究概念的形成過程，只研究概念的邏輯特征、邏輯方法），“概念不是反映事物的具體形象，而是抽象地反映事物的本質(zhì)屬性，舍棄了事物的非本質(zhì)屬性”，“人們通過它反映的本質(zhì)屬性去認(rèn)識具有這些屬性的事物”。浮力作為“普遍概念”（而非“單獨概念”）系“反映某一類事物的概念，它的外延不是由一個單獨的對象構(gòu)成的，而是指有許多分子的類”。因此，對浮力概念下定義應(yīng)當(dāng)是“概念的概括”，而不是“概念的限制”。對概念的概括即從特殊過渡到一般，掌握事物的共同本質(zhì)；對概念的限制即從一般過渡到特殊，使認(rèn)識具體化。給概念下定義就是揭示被定義概念所反映對象的本質(zhì)特征、共同特征。教材中在給浮力下定義時，在關(guān)于浮力方向是“向上” 抑或“豎直向上”的詞語定義上，采用的“向上”是符合普通邏輯方法的。這也正說明了教材中關(guān)于“向上”的詞語定義是準(zhǔn)確的。

鑒于以上分析，可以有兩種解決辦法。其一，用動力學(xué)知識進(jìn)行分析。這樣處理，學(xué)生感覺比較抽象，難以理解。其二，能否再做新的實驗，讓學(xué)生直接觀察到浮力的方向，但這個實驗很難設(shè)計。再分析學(xué)情，學(xué)生在前面已經(jīng)學(xué)過“力與運(yùn)動”，知道力是物體運(yùn)動狀態(tài)改變的原因，會根據(jù)物體運(yùn)動狀態(tài)的變化來判斷力的存在，那就可以沿著這一思路，創(chuàng)設(shè)新的實驗情境，來幫助學(xué)生自我認(rèn)識。換言之，可以創(chuàng)設(shè)對比性實驗情景，抓住對物體受力分析這一核心，通過對照比較、分析研究的方法，達(dá)到異中求同，讓學(xué)生在比較中認(rèn)識到浮力的方向。

具體操作可采用以下步驟：

1.演示：用細(xì)線系一小鐵球，讓細(xì)線吊住小球在水平面上旋轉(zhuǎn)，請畫出小鐵球的受力示意圖。

2.學(xué)生實驗：用攪拌器將容器里的水?dāng)囖D(zhuǎn)起來，形成漩渦，乒乓球跟著轉(zhuǎn)動。請畫出乒乓球的受力示意圖。

3.對乒乓球和小鐵球的運(yùn)動狀況和受力情況進(jìn)行比較。思考：兩球的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變的原因是什么？小鐵球受到細(xì)線拉力的方向是豎直向上的嗎？如不是，應(yīng)該是什么方向？乒乓球受到浮力的方向如果是豎直向上，乒乓球能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動嗎？乒乓球受到浮力和小鐵球受到細(xì)線的拉力作用的效果是否一樣？乒乓球受到浮力的方向應(yīng)該是什么方向？

顯然，通過兩個實驗的對比和辨析，學(xué)生能理解課本上為什么沒有“豎直”二字，不是課本敘述不夠嚴(yán)謹(jǐn)，而是從普遍性來說更科學(xué)、更能反映事物的普遍規(guī)律。

3 反思中求真

3.1 從實驗情境的特殊性到導(dǎo)出結(jié)論的普遍性：力避以偏概全

“什么是浮力”屬于概念探究，教師創(chuàng)設(shè)怎樣的探究情境，關(guān)乎學(xué)生歸納的途徑和結(jié)論的得出。課本提供的騰空而起的氣球、浮在海面上的艦艇、在水中升起的乒乓球、浮在死海海面上的人等情境中，都能說明浮力的方向是豎直向上的。但學(xué)生生活中遇到的一些現(xiàn)象，如洗衣機(jī)工作時，浮在水面上跟著水一起轉(zhuǎn)動的乒乓球，漩渦將浮在上面的小木塊吸到水底等。這些情境中的乒乓球和小木塊受到的浮力的方向確實不是豎直向上的。如僅就課本提供的情境，則顯得太狹窄、太特殊，未能兼顧全面，且得出浮力方向一定是豎直向上，就顯得以偏概全，以至學(xué)生生成錯誤認(rèn)識，得不出一般性的結(jié)論。需要指出的是，我們并非刻意要讓學(xué)生理解在特定情形下物體受到的浮力方向是斜著向上，因為人們對真理的認(rèn)識猶如登山，攀的越高則視野越寬，認(rèn)識則越深刻。對真理的認(rèn)識也是有過程的，作為對初學(xué)物理的學(xué)生而言，不應(yīng)要求過高，但作為教者，一是應(yīng)有高于學(xué)生的認(rèn)識，二是不應(yīng)束縛住學(xué)生的思維空間，讓錯誤的認(rèn)識潛伏下來，給今后的學(xué)習(xí)留下隱患。記得有一位特級教師說過：初中物理教學(xué)應(yīng)慷慨事實，吝嗇結(jié)論。這句話的意思就是：教學(xué)中應(yīng)創(chuàng)設(shè)豐富的情景以提供事實基礎(chǔ)，結(jié)論的表述既要適合學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知能力（特殊性），又要留有“登高”后的認(rèn)知空間（普遍性）。

3.2 從“概念表象”到“概念核心”：對概念的深度構(gòu)建

不少教師在概念教學(xué)的過程中，對概念背后的“核心”究竟是什么，對這個概念中有哪些關(guān)鍵的知識是需要學(xué)生深度學(xué)習(xí)的，哪些只要通過教師點撥一下學(xué)生就可以觀察得出的，等等問題缺少深入的研究和把握，而一味地把教學(xué)的重心指向所謂的概念描述的主要特征——“概念表象”，忽略了概念的核心——知識內(nèi)在的思維方式。 比如，在“浮力”概念的教學(xué)上，把重心放在了如何能讓學(xué)生看到向上之托力，“導(dǎo)致學(xué)生在觀察、思考過程中，形成對所學(xué)概念的‘思維表象，阻礙了學(xué)生向?qū)W習(xí)目標(biāo)的深度追溯”。

有效的概念教學(xué)應(yīng)當(dāng)追問和直抵“核心知識”，抓住知識的核心要害進(jìn)行深入剖析，使學(xué)生從本質(zhì)上掌握埋藏在“概念表象”背后的“核心知識”?！案×Α边@一概念的核心知識就是：在實驗探究中應(yīng)用已學(xué)過的“力與運(yùn)動”的知識，對浸在液體中的物體的受力進(jìn)行判斷、分析、比較及推理；而“向上之托力”只是“概念表象”。在授課中，教師如果一味地追求讓學(xué)生能觀察到浮力的方向，而忽視了探究中的“受力分析”這一核心環(huán)節(jié)的深入學(xué)習(xí)，就不能把隱匿在結(jié)論之中的內(nèi)在思維方式再現(xiàn)出來，釋放其應(yīng)有的發(fā)展價值，也就達(dá)不到對浮力概念內(nèi)涵的深度構(gòu)建。

從科學(xué)準(zhǔn)確地理解浮力概念的教學(xué)要求來說，就是要引導(dǎo)學(xué)生觀察與“浮力方向”有關(guān)聯(lián)的“其他區(qū)域”——“影響源”，并通過判斷、分析、比較及推理等思維活動，穿透“概念表象”，在挖掘其背后原因的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生自主建立浮力概念，促進(jìn)學(xué)生深度把握浮力的本質(zhì)內(nèi)涵和物理思考力的提升。這樣，也就避免了游離核心知識，落入“概念表象”之巢穴。

3.3 從源于課本的典型實驗到變式設(shè)計的再實驗：延伸實驗鏈

為了達(dá)到對物理概念、原理的深刻認(rèn)識，實際教學(xué)中，想通過某一典型實驗“一次到位”、理解透徹，有時很困難，往往需要跟進(jìn)“變式設(shè)計”，運(yùn)用方法遷移等手段，進(jìn)行二次甚至三次類比實驗，形成實驗鏈，以完成對知識內(nèi)容由表及里、由特殊到一般的完整認(rèn)識。如果本課例中教師在教學(xué)設(shè)計中就有預(yù)設(shè)，演示乒乓球在靜止的水中受到浮力的實驗后，再提出如果容器中的水是轉(zhuǎn)動的，用對比性實驗進(jìn)行二次認(rèn)識，即使學(xué)生在第一次認(rèn)識中生成了“抑或豎直向上”的“錯誤”認(rèn)識，也恰好為深入探究的“對比實驗”作了導(dǎo)引，形成了生成性教學(xué)的活的課程資源，延生出破解概念核心的實驗鏈。

在很多情況下“二次實驗”是必須的，教材中需要通過變式設(shè)計延伸實驗鏈的還很多。例如，蘇科版第八章中“判斷重力的方向”，教材中的原實驗如圖2。這樣的教學(xué)設(shè)計雖然有利于通過變化木板的傾角α，直觀顯現(xiàn)懸線OA始終與工作臺面垂直，但是從學(xué)生認(rèn)知的角度看，“豎直向下”是一個很抽象的概念，學(xué)生很可能提出這樣一個問題：“工作臺面真的水平嗎？”這時，就需要改進(jìn)實驗素材進(jìn)行再次實驗，可將圖2中的“用重垂線來顯示重力方向”予以保留，（下轉(zhuǎn)第23頁）（上接第20頁）用長方形水槽構(gòu)建真實的水平面來代替“看似水平的工作臺面”，用直角三角板來判斷重垂線與水平面的關(guān)系。實驗中，保持直角三角板的與重錘線重合的那條直角邊不動，且以這條邊為軸，轉(zhuǎn)動三角板，觀察另一條直角邊與水槽中的其他水平線是否垂直。通過再一次的真實探究，使學(xué)生對“工作臺面真的水平嗎？”這一問題自然得到求證。這樣，“重力方向是豎直向下”的這一概念就自然使學(xué)生深信無疑。

通過變式設(shè)計延伸實驗鏈，有時是為了“證偽”（如“浮力方向”的再實驗），消解誤識；有時是為了“證真”（如“重力方向”的再實驗），形成真認(rèn)識。探究是一種多側(cè)面、多形式的活動，教師應(yīng)針對初中學(xué)生的認(rèn)知特點，盡可能提供給他們豐富、多樣的材料，并且加以恰當(dāng)?shù)睦硇砸龑?dǎo)，逐步提升他們縝密的思維品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《普通邏輯》編寫組.普通邏輯[M].上海：上海人民出版社，1980.

[2]張憲魁.物理科學(xué)方法教育[M].青島：中國海洋大學(xué)出版社，2000.

[3]于正軍.目標(biāo)評價：從“概念表象”走向“核心知識”[J].中小學(xué)教師培訓(xùn)，2015（1）：40—42.

[4]蔡劍，陳斌.變式設(shè)計：實驗教學(xué)的支持性改進(jìn)[J].物理教學(xué)，2015，37（6）：48—50.

（欄目編輯 劉 榮）