李陳樂 洪 鑫

(1. 江蘇省常州市第二十四中學,江蘇 常州 213003;2. 上海市松江區(qū)洞涇學校,上海 201600)

1 引言

初中生在學習浮力時,由于受前概念的影響，對浮力產生的原因、浮力大小的影響因素以及阿基米德原理等存在一定的認知誤區(qū)。探究“浮力大小的影響因素”是阿基米德原理的教學基礎,因此該實驗的教學設計對學生正確理解浮力具有重要的作用。筆者對“浮力大小的影響因素”實驗中學生可能存在的前概念進行分析,針對學生的前概念及其成因設計探究性實驗，貫徹“為概念轉變而教”的理念。

2 學生關于浮力的前概念

由于生活經驗的影響，學生腦海中存在較多前概念,其中存在與科學概念相左的錯誤前概念,通常會對學生的科學概念學習產生負面的干擾作用,[1]所以物理概念教學中更應注重“為概念轉變而教”。[2]但前概念因其復雜性、頑固性、自發(fā)性和內隱性等特點,[3][4]導致針對前概念的概念轉變教學存在一定的困難。

在“浮力”教學中，前概念是設計浮力教學的重要依據，國內外學者對浮力前概念進行了調查，例如美國的洛弗魯?shù)热死梦鍌€質量不同的物塊在液體中的沉浮情景調查學生的前概念,結果表明：學生對于物體的質量、浸在液體中的深度和體積等方面均存在錯誤的認識。[5]

佘曉清針對浸入物體的體積(大小)、液體的密度、物體的密度、物體浸沒的深度以及物體的水平或垂直放置這五個因素進行調查,其中物體密度、物體的水平或垂直放置以及浸沒深度是對學生具有很強的迷惑性的三個因素，調查結果表明：大部分受試者均會考慮液體和物體的密度對浮力大小的影響。[6]

易其順等人的前概念調查結果也表明：學生認為浮力大小的影響因素主要包括物體的體積、輕重、密度、空心或實心、沉浮、形狀、放置方式、吸水量以及物體浸入液體的深度等。主要的錯誤前概念集中在體積、輕重、密度和空心或實心方面。[7]

綜合以上學者的調查結果,學生對于浮力大小的影響因素的認識存在的前概念主要分為三類，如表1所示。

通過文獻梳理發(fā)現(xiàn),學生傾向于認為在浮力大小的影響因素中,物體的性質起主要作用,容易忽略液體的性質,并且對于物體與液體間的相互作用的認識存在認知誤區(qū)。

3 錯誤前概念的成因

為在物理教學中達到轉變學生錯誤前概念的目的,除了對學生的錯誤前概念進行調查、掌握學生已有認知情況外,更需對學生的錯誤前概念的形成原因進行分析,才能有的放矢，各個擊破。學生錯誤前概念的形成主要來源于生活經驗的負面干擾,也有部分來源于知識的負遷移。以下從生活情境的干擾和已學知識的負遷移兩個方面對學生關于浮力大小影響因素的錯誤前概念進行分析。

3.1 生活情境的干擾

生活經驗是學生學習科學概念的重要依托,物理教學中常應用生活事例創(chuàng)設情境,引導學生在情境中建構物理概念,這也體現(xiàn)了“從生活走向物理”的課程理念。但是由于生活情境的干擾,學生在頭腦中也形成了“浮力大小的影響因素”的錯誤前概念，表2為學生可能存在的前概念和與之相對應的生活情境。

表2

生活現(xiàn)象是紛繁復雜的,難以用單一的物理知識進行解釋，初中學生尚不具備針對復雜生活現(xiàn)象分析其中浮力的本質的能力。學生往往會認為在液體中向上浮起的物體受浮力作用,而下沉中的物體不受浮力作用。當學生認識到一切浸在液體中的物體都會受到浮力作用后,學生會根據上浮的運動情況判斷浮力大小,存在“容易浮起的物體受到的浮力更大”這樣的認識誤區(qū)。

針對物體漂浮的狀態(tài),學生很容易混淆液體表面張力現(xiàn)象和浮力現(xiàn)象,他們會認為增大物體與液體表面的接觸面積會增大浮力,浮力大小與物體和液體的接觸面積有關。

3.2 已學知識的負遷移

在學習浮力之前,學生已經學習了質量和密度的概念,其中學生對密度的理解存在困難,他們可能會認為較小的物體的密度更大,并且由于在小學學習數(shù)學時對形狀的過度強調,學生也可能會認為浮力大小與物體的形狀有關。[8]

在探究浮力大小的影響因素之前,學生也學習了液體壓強的知識,并且已經了解浮力是由液體對物體向上和向下的壓力差產生的。但正因為壓力差的分析導致學生對壓力與浮力關系存在困惑:大多數(shù)學生已經意識到,液體對物體的各個表面施加的壓力隨著深度的增加而增加,他們可能會忽略浮力是上下表面的壓力差,認為物體所受浮力的大小也與深度相關。他們也可能認識到浮力是上下表面的壓力差,但仍認為壓力差——浮力也隨深度的增加而增加。

由于密度知識和液體壓強知識的不當遷移,學生難以從浮力的直觀現(xiàn)象中認識影響浮力大小的深層次原因。

4 轉變錯誤前概念的探究教學

學生的錯誤前概念主要源于他們的小學科學學習和日常生活經驗,要轉變學生關于“浮力”的錯誤前概念，在教學中就需要給學生提供充分的實驗探究機會。[9]

4.1 邏輯分析,歸并猜想

在“浮力大小的影響因素”的教學中,對于學生和教師共同提出的多個猜想,并不是所有的猜想都需要通過實驗探究進行論證,在實驗探究前的邏輯分析也是必要的。雖然不能通過嚴格的邏輯證偽來排除以上的猜想,但是通過邏輯分析可以歸并非獨立的影響因素,從而確定需要通過實驗進行探究的影響因素。通過邏輯分析歸并猜想的過程可以理解為“弱”證偽,即排除并非需實驗探究的猜想的過程。

4.1.1 質量、體積、密度和重力等的邏輯歸并

對以上前概念中物體性質和液體性質中的質量、體積、密度和重力等相關因素進行歸并,確定需要通過實驗進行驗證的影響因素。由G=mg可知：質量與常量g的乘積即為重力,兩者之間是不獨立的,所以只需通過實驗探究其中之一即可。由物體的質量、密度和體積的關系m=ρV可知：若只探究質量,而不知道它具體是和密度、體積有關,還是與密度和體積都有關,因此不能只探究質量；反過來,若既探究密度又探究體積,不僅可以確定和這兩者之間的關系,同時也探究了和質量的關系。綜上分析可知,當物體的密度和體積確定時,其質量和重力的大小都是確定的,所以只需探究物體的密度和體積對物體所受浮力大小的影響即可。同理,欲探究與液體相關的質量、密度、體積和重力的影響,只需探究液體的密度和體積即可。

4.1.2 對浸入深度、浸入體積和接觸面積等的邏輯歸并

物體和液體對浮力大小的影響可以通過控制變量法實現(xiàn)有效的驗證，但對于深度和接觸面積的實驗探究設計存在一定的困難。因為當物體部分浸入液體中時,浸入液體的體積與浸入深度和接觸面積的關系有V=Sh,這與以上質量、密度和體積關系的邏輯分析與歸并相似,所以需探究其中浸入深度和接觸面積這兩個影響因素。當物體完全浸沒到液體中時,浸入液體的體積即為物體的體積,浸入液體的體積與浸入深度和接觸面積無關,彼此相互獨立。

有學者考慮到浸入深度和浸入體積的關系,認為探究浸入深度對浮力的影響是一個“偽探究”,不需要通過實驗進行驗證,直接驗證體積的影響即可。[9]但前概念的調查結果表明,由于生活經驗的干擾和知識的負遷移,接觸面積和深度這兩個因素的前概念最難改變,[10]與其說探究浸入深度對浮力的影響是一個“偽探究”,不如說探究浸入深度對浮力的影響是“科學探究的證偽過程”。所以在探究浮力大小的影響因素時,對于接觸面積和深度的探究應給予足夠的重視。

綜合考慮物體部分浸入和完全浸沒兩種不同狀態(tài),對于部分浸入和完全浸沒兩種狀態(tài)應分開進行探究,其中完全浸沒的狀態(tài)可以歸并到探究物體的體積中去。當物體完全浸沒時,學生能夠很直觀地觀察到彈簧測力計示數(shù)不變,表明浮力大小與浸沒深度無關,而與浸沒體積有關。但是當物體部分浸沒時,隨著深度與體積同時增大,物體所受的浮力也會增大。所以對于物體部分浸沒時,浸入深度和浸入體積這兩個影響因素,需要設計浸入體積相同而浸入深度不同的實驗探究來論證,從而轉變學生的錯誤前概念。

4.2 實驗探究,證實證偽

4.2.1 師生合作實驗探究

圖1

為保證能夠穩(wěn)定讀出彈簧測力計的示數(shù),可將彈簧測力計固定在鐵架臺上,用紅線標記刻度,便于學生觀察,為連續(xù)獲得多組實驗數(shù)據,可通過升降臺調節(jié)水槽高度,改變浸沒深度和體積。[11]在實驗中選用一塊密度大約為2.5 g/cm3的長方體玻璃磚,用紅色細線將其均分為如圖1所示的八個等大的部分。[12]實驗時,將彈簧測力計固定在鐵架臺上,燒杯中盛有適量水,將燒杯放置在升降臺上。用細繩栓住玻璃磚,使其懸在燒杯的上方,開始時玻璃磚未浸入水中。此時讀出彈簧測力計示數(shù),測得物塊所受重力G。

控制物體浸入體積相同,改變浸入深度。當長方體水晶玻璃磚部分浸入時,只有當分別在橫向和縱向浸沒一半體積時,才能夠控制浸入體積相同而浸入深度不同，測出在兩種情況下浮力大小相等。當物體完全浸沒時,物體浸沒體積不變,此時調節(jié)升降臺的高度,再改變物體的浸沒深度，測出的浮力大小也不變。由此得出實驗結論:物體所受浮力的大小與物體浸入液體中的深度無關。

4.2.2 學生分組實驗探究

將學生分為五個實驗小組,教師指導每個小組分別設計實驗，對其中某一影響因素進行實驗探究,并設計實驗數(shù)據的記錄表格,完成實驗探究報告。教師在學生討論實驗計劃以及數(shù)據記錄表格時需巡回指導,檢測實驗方案的可行性。確定方案可行后,小組進行實驗,獲得實驗數(shù)據,分析數(shù)據獲得實驗結論。實驗探究中為各小組準備的實驗器材如表3所示，其中,探究物體的形狀對浮力大小的影響所用的橡皮泥里面裹挾了少許小鋼珠,目的是增大浮力的測量值,便于利用分度值為0.1 N、量程為5 N的彈簧測力計進行兩次拉力大小的測量，濃鹽水的配置選擇的是常溫下溶解度大于氯化鈉的氯化鎂。

表3

通過比較部分浸沒和完全浸沒的實驗結果,論證物體所受浮力大小與物體體積以及物體浸入液體中體積的關系:當物體部分浸沒時,浮力大小與物體體積無關,而是與物體浸沒在液體中的部分體積有關；當物體完全浸沒時,物體浸沒在液體中的體積即為物體體積。所以與浮力大小有關的因素是物體浸入液體中的體積。

5 結語

通過指導學生依據生活經驗進行有依據的猜想,再創(chuàng)設情境,引發(fā)學生思考,繼續(xù)猜想,提出浸入深度和浸入體積等較難理解的影響因素。這一過程注重將提出猜想與假設的機會還給學生,為學生提供充分猜想的機會,以此培養(yǎng)學生的發(fā)散思維能力。邏輯分析的過程就是知識應用的過程,對于增強學生的理性思維能力大有裨益。

在實驗探究中,對于學生易于探究的影響因素,教師為學生提供了充分的探究機會,在猜想的證實與證偽的過程中,訓練學生的科學探究的基本技能,指導學生在探究中去偽存真,通過親身體驗獲得新知。將科學探究按照實驗內容進行分解,指導學生進行分組實驗,加強學生之間的交流與合作,樹立學習共同體的觀念。

通過總結得出探究結論,獲得暫時性知識,即確定了浮力大小與影響因素的定性關系。此時引發(fā)新的問題:浮力大小與這些因素具有怎樣的定量關系？帶著這個新問題出發(fā),就自然過渡到阿基米德原理的教學。從定性關系到定量關系的探究過程,是對浮力知識學習的進一步深化。