問題驅動理念下阿基米德原理教學設計*

于雅楠 高 嵩

(山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250014)

于秀云

(山東師范大學校醫院 山東 濟南 250014)

1 教學背景

1.1 問題的提出

浮力作為初中教學的重難點知識之一，對學生的抽象思維和邏輯推理有相對較高的要求[1]．掌握阿基米德原理是學好浮力這一部分內容的關鍵，所以對阿基米德原理的教學設計，在初中教學中就顯得格外重要．但一般教師在講解阿基米德原理這一節時，通常僅根據課標中“探究浮力大小與哪些因素有關”來進行實驗教學[2]．通常這種通過設置單因子探究浮力影響因素的實驗在現實教學中存在著如下問題：

(1)對浮力認識部分學生受錯誤前概念影響，認為質量大的物體所受浮力也大．

(2)在浮力的單因子影響因素實驗中，學生猜想較寬泛且缺乏依據，對實驗論證中的體系變量模糊不清[3]．

(3)受知識視野層面的限制，學生本身較難認識到物體所受浮力與排開液體重力之間的聯系，從而導致學生不能從物理學自身的邏輯順序來正確理解浮力，以至于造成學生對所學知識理解片面化、零碎化的特點．

著名科學方法論學者波普爾(K. R. Popper)認為：正是問題激發我們去學習，去發展知識，去實踐，去觀察[4]．所以，針對以上問題，“問題驅動”課堂教學模式是指教師給學生營造包含所學知識的問題情境，讓學生發現并提出問題.然后，再通過教師及各種課程資源的支持和幫助，實現自主探究與合作學習．最終，在積極主動解決問題過程中激活原有知識的同時，理解同化、遷移運用新的知識．這種問題驅動下的阿基米德原理的教學設計旨在讓學生在解決問題中學習，在學習中提高解決問題的能力．

1.2 教材分析

關于阿基米德原理的學習，不同版本的教材處理方式卻不盡相同．滬科版教材通過舉例引導學生思考浮力的影響因素有哪些，進而進行探究實驗，最后講解阿基米德原理[5]．人教版的教材則是先探究浮力的影響因素有哪些，介紹阿基米德與皇冠的故事，引出浮力與排開水的關系，進而得到阿基米德原理[6]．這兩版的教材都具有一定的科學性，對阿基米德原理的實驗驗證方法也無可厚非，對于培養學生的邏輯思考能力，提高學生的實驗水平有很大的好處．但是也存在一定的缺陷：

(1)缺乏實驗原理的介紹，使學生對結論的得出感到很突然．這樣急于追求知識學習的做法很難使學生對阿基米德原理的內容有深刻的印象，往往是停留在死記原理內容、生搬硬套公式的水平，不利于對學生進行科學方法的教育．

(2)實驗過程復雜，結論不直接，學生在一步步的實驗與等待中失去了學習的興趣．

鑒于此，我們結合美國教材《科學探索者》物理分冊“運動、力與能量”中浮力的阿基米德浴缸模型[7]，以阿基米德浴缸模型為出發點，著意于知識形成過程的顯化，采用問題驅動的教學模式，對 “阿基米德原理” 的教學邏輯展開系統梳理．將教學順序調整為：第一節，認識浮力，探究阿基米德原理；第二節，探究阿基米德原理的影響因素，掌握浮力產生的根本原因；第三節，物體的浮沉條件．本節課就第一節內容展開教學設計．

1.3 教學目標

(1)形成物理觀念

通過日常現象和實驗，從物理學角度認識浮力，通過學生體驗活動和動手實驗使學生學會用彈簧測力計測量浮力，知道阿基米德原理，并能運用其解釋自然現象和解決實際生活問題．

(2)培養科學思維

從物理學視角了解阿基米德浴缸模型，掌握構建物理模型的能力，歷經阿基米德原理的發現歷程，培養學生對科學方法的學習能力和探索精神．

(3)培養科學探究意識

培養學生問題意識，根據實驗現象提出合理問題；通過學生的探究實驗，使學生經歷阿基米德原理的科學探究過程，學習科學探究方法，發展初步的科學探究能力[8]．通過科學想象與科學推理方法的結合，判斷物體浮力與排開液體重力的關系，使學生養成良好的思維習慣．

(4)樹立正確的科學態度與責任

通過從自然、生活到物理的認識過程，激發學生自主提問的能力，培養學生終身的探索興趣；通過分析、歸納得出結論，培養嚴謹的科學態度和協作精神．

1.4 教學重點與難點

重點：(1) 通過大量經驗事實，認識浮力的存在；(2) 根據阿基米德原理的發現歷程來探究阿基米德原理．

難點：對阿基米德原理的理解及應用．

2 教學準備

演示實驗器材：鐵架臺2個，水，圓筒測力計2把，升降臺，阿基米德原理實驗器，圓柱體鐵塊，盛液桶，燒杯．

3 教學流程圖

教學流程圖如圖1所示.

圖1 阿基米德原理教學流程圖

4 教學過程

4.1 認識浮力

雖然初中生有著許多與浮力有關的經驗，但是仍舊存在著諸多的誤區，比如，物體在水中是浮是沉是因為物體的質量不同，越輕的物體才越容易漂在水面上，浮起來的物體才受浮力，沉下去的物體就不受浮力，等等．因此，在課堂伊始教師應該創設一系列的情境，通過讓學生對這些情境中的物理現象進行描述和解釋，從而發現自己認知結構中的矛盾．具體來說，通過情境的設置，可以生成以下系列的問題.

教學事件1：引出浮力概念，認識到無論浮沉，物體都會受到浮力．

問題生成：通過萬噸巨輪浮在水面上的視頻，強化學生對浮在水面的物體一定受到浮力作用的認識，同時也將他們的注意力集中于對浮力問題的思考上．接下來沉船的視頻把學生帶入這樣的問題，漂浮的物體受到浮力，那么下沉的物體呢？此時教師不僅要讓他們表達自己的觀點，還要引導他們如何證明自己的觀點．這樣，在問題的表達和證明過程中，教學往更深的層次推進．

探索和解決：學生會有不同的答案，教師在讓他們充分討論的基礎上，可以結合學生的觀點，進行這樣的實驗，如圖1所示.

圖2 下沉物體受到浮力的實驗設計

將兩個完全相同的小鐵塊從相同高度分別在空氣中釋放，鐵塊一使其在空氣中下落，最后落入水中，鐵塊二使其在空氣中自由下落．反復多次實驗后，教師讓學生再次進行思考，在相同的條件下，為什么完全相同的兩個鐵塊，鐵塊一在鐵塊二落地后才沉入杯底．然后教師再順勢引導學生．

在此要說明的是，雖然教師在事先是把實驗準備好的，但一定要做好引導，讓眼前實驗得到學生的認可，這樣他們才能更好地將眼前的情境與自己的思考聯系在一起，也才能更好地貫徹課程標準倡導的提升學生的探究能力、思維能力的要求．

教學事件2：加深對浮力的認識，形成浮力大小與物體自身輕重無關的觀念．

問題生成：部分學生受日常生活經驗的影響，存在認為質量大的物體會下沉，質量小的物體會浮在水面上的錯誤概念，誤以為物體所受浮力大小與自身質量密切相關．

針對這種現象，教師通過進行實驗演示和視頻展示的方式，使學生們去切身體會物體所受浮力與其本身質量是否相關；通過兩個視頻的對比，幫助學生們更清晰直觀地得出結論．

探索和解決：教師通過重復圖1所示實驗“小鐵塊的下落與下沉”和播放動畫“巨輪漂浮在水面上”，引導學生思考，輪船的質量遠大于鐵塊，但是為什么輪船能浮在水面上而鐵塊卻在水中下沉了．

此時教師應該突出這一事實與學生認知的矛盾，并引導學生得出結論，不論下沉還是上浮的物體，只要浸在水中，就會受到浮力作用，且物體下沉與否與物體自身的質量沒有必然聯系．為后續知識點的講解進行鋪墊．

設計說明：對于學生來說，漂浮的巨輪受到了浮力不難理解，但是下沉的鐵塊是否也受到浮力卻是疑惑的．教師應引導學生從生活中常見現象入手，帶領學生觀察生活中與浮力有關的現象，通過漂浮和下沉兩類視頻引發學生思考．教師不斷引導，能夠把課堂逐漸從教師提出問題，到師生互動生成問題，最后到學生能主動生成問題，使學生帶著問題、帶著好奇心進入學習．

4.2 浮力方向

由于浮力方向是不能直接觀察得到的，初中生對抽象的方向很難明確理解，對浮力方向豎直向上體會不夠深刻．因此，為更好掌握浮力的方向，設計了如下演示實驗：通過讓學生觀察細線的方向給學生演示浮力是始終垂直于水平面的(即豎直向上)，從而使學生更直觀、準確地判斷浮力的方向．

教學事件3：正確認識浮力的方向.

問題生成：通過圖3實驗裝置，使學生直觀觀察到細線的方向，從而判定浮力方向，解決浮力方向究竟是豎直向上還是垂直向上的疑問．

探索和解決：在教師的指導下學生進行演示實驗，將乒乓球用紅色細線固定在長方形玻璃容器底部(此處不用圓形燒杯，避免光的折射對實驗現象造成的干擾，裝置如圖3所示).向燒杯內逐漸注入水直至將乒乓球完全浸沒，引導學生觀察細線在水中的狀態，再傾斜燒杯，觀察細線的狀態如何變化．在學生自主實驗與觀察的基礎上，得出結論，浮力的方向總是豎直向上的．

圖3 認識浮力的方向

4.3 阿基米德原理浴缸模型及溢水杯的使用和原理

溢水杯實驗是證明阿基米德原理的關鍵所在，然而在教學中，由于實驗過程中需要關注的點比較多，既有對物塊下沉的高度的關注，也有對彈簧測力計示數的讀取，并且還要關注溢出來的水的量，所以如果學生不理解每一步實驗操作的意圖的話，很難理解溢水杯實驗的原理，更無法將物體排開水的量與物體在水中所受的浮力關聯起來．所以許多教師往往無法形成合理的解決方案，不能很好地引導學生去思考、去生成問題，也就很難去解決這個關鍵的教學任務．

其實，物理學的發展史不僅能激發學生對于物理學習的興趣，也能為學生的學習提供很多啟示．阿基米德的相關經歷便能給本節課的教學一個很好的啟發．回顧這個過程，沉迷于難題的阿基米德慢慢躺入裝滿了水的浴缸中，隨著身體的漸漸浸入，從浴缸中溢出的水越來越多，而他也能夠很好地感受到水對他作用力在不斷增加．如果學生能經歷類似的體驗，則能幫助他們更好地理解溢水杯實驗的原理和實驗過程．

教學事件4：通過微實驗，搭建溢水杯模型，得出浮力與排水量之間的關系.

問題生成：通過空易拉罐逐漸壓入水中的微實驗，引導學生建立起浮力與物體排開水的體積之間的聯系，將問題聚焦于物體所受浮力與排水量之間的關系，幫助學生理解溢水杯模型．接下來教師提供以下實驗器材，燒杯、空易拉罐、水槽、適量水，并引導學生進行微實驗．實驗結束后，讓學生描述空易拉罐逐漸浸入水中的過程中，手所感受到的壓力的變化情況．教師應強調在實驗中學生要注意感受手所受壓力與易拉罐排開水的體積之間的聯系．

探索和解決：學生紛紛動手實驗，進一步體驗排水量與空易拉罐作用力的變化．此時，學生會各抒己見，但是不一定能準確表達．教師需不斷引導、點撥，直至得出如下結論，隨著空易拉罐逐漸浸入燒杯中，排開的水越來越多，易拉罐對手的作用力也越來越大．同時，教師補充阿基米德的故事，當阿基米德邁入盛滿水的浴缸中時，隨著身體逐漸浸入水中，他感受到的浮力也越來越大；同時從浴缸中溢出的水也越來越多．

教學事件5：溢水杯的使用和原理.

問題生成：教師展示溢水杯實物，結合上述阿基米德浴缸模型，向學生解釋溢水杯原理和實驗步驟，引導學生思考，物體所受浮力的大小與排開液體的重力大小之間的關系．

探索和解決：學生通過空易拉罐的微實驗及溢水杯的練習使用，可得出溢水杯的使用原理．在此教師需要強調的是溢水杯使用時，需要等待溢水口的水不再流出后再進行實驗．教師讓學生充分動手操作后，結合學生實驗操作，引導學生意識到，隨著物體逐漸進入溢水杯的過程中，物體所受浮力越來越大，溢水量也越來越多．最后通過合理科學推理方法得出，物體所受浮力大小與其排開的液體的“重力”有關．

設計意圖：本教學活動設計實驗時，引導學生層層遞進、由淺入深，體現了各個因素之間的邏輯關系，訓練了學生的邏輯思維能力．在以上教學事件中，介紹了阿基米德浴缸模型，使學生掌握了溢水杯的使用，從物理學角度建立起物體所受浮力與排開液體重力之間的聯系；并通過微實驗形成以下共識，浮力大小與排開液體重力有關．

4.4 探究阿基米德原理

關于阿基米德原理的“浮力僅與物體排開的水所受的重力有關且與之相等”這一結論，學生會覺得突然難以理解，諸如浮力與深度、物體密度、物體體積有關等前概念常會相當頑固．這些前概念的干擾將影響后續內容的學習．且現有的各種版本的物理教材驗證阿基米德原理的實驗有的過于復雜，影響了學生對原理的理解；有的過于簡單，不能使學生充分理解原理的具體內容，存在一定的缺陷．在平時的教學中，我們可以取長補短，重新審視一下各教材的實驗，找到解決問題的方法．

教學事件6：測量物體所受浮力.

問題生成：在教師的引導下學生已經認識到，物體所受浮力與排開液體重力存在著某些聯系，那么精確測量出物體所受浮力便成了找到這種聯系的關鍵所在．于是，教師通過演示實驗用彈簧測力計測出鐵塊在空氣中的重力，將掛在彈簧測力計下的鐵塊完全浸入水中，引導學生觀察彈簧測力計示數變化．接下來將學生的注意力聚焦在彈簧測力計兩次稱量的不同示數上來，引導學生進行討論思考，為什么彈簧測力計示數會減小，彈簧測力計減小的示數是什么．

探索和解決：在此之前學生只學習了二力平衡相關知識，對于同一直線上的三力平衡尚不能較好掌握，教師首先對二力平衡拓展延伸，講解三力平衡知識．進而引導學生對鐵塊進行受力分析，在學生的討論合作中可以得出由于鐵塊受到豎直向上的浮力導致彈簧測力計示數減小，且浮力的大小等于鐵塊重力減去彈簧測力計示數．最后，教師引導學生進行歸納總結，得出能夠測得物體所受浮力大小的方法之一——稱重法．

設計意圖：教師通過借助受力分析的方法，使學生逐步了解稱重法，進而嘗試測量不同物體所受浮力的大小，為下一步阿基米德原理實驗做好鋪墊．時刻注意引導學生自己去動手、去歸納綜合，提高他們的參與感，保持對課堂的興趣．

教學事件7：測量排開液體的重力.

問題生成：在教師的引導下，學生掌握了測量物體浮力大小的方法，接下來，最重要的就是要使學生能精確地測量出排開液體的重力．于是，設計了如圖4所示實驗裝置．

圖4 測量排開液體的重力實驗示意圖

教師引導并提示學生如何測量排開液體重力大小．在實驗過程中，教師再次提示學生分別記錄兩個彈簧測力計示數變化．提出問題，如何通過這個實驗準確測出物體排開液體的重力．

探索和解決：學生自主設計實驗步驟，教師對學生步驟進行總結，并在講臺上進行演示實驗．

(1)如圖4所示，將溢水杯置于升降臺上，并將水倒入溢水杯，使水面升到溢水口．在鐵架臺上掛上分別鉤著物塊及盛液桶的彈簧測力計，并分別記下它們的示數G和G桶；

(2)緩慢上升升降臺，將物塊逐漸浸入液體中直至完全浸沒，觀察兩個彈簧測力計的示數變化．當溢水口中的水溢完時，分別記錄兩個彈簧測力計示數，算出浮力大小和排開液體的重力．

教師呈現如下表格(表1)，并將課堂交給學生，讓學生進行分組實驗“探究物體部分浸入水中時物體所受浮力與排開液體重力的關系”，并讓學生完成表1中數據的測量．

表1 物體部分浸入液體時的測量數據

教師收集數據引導學生進行歸納總結，可以得出：“浸入液體中物體所受浮力大小等于物體排開的液體所受的重力大小”．這就是阿基米德原理，即F浮=G排液．

設計意圖:通過將科學想象與科學探究相結合的方式，培養出學生的設計探究能力和動手操作能力，并在此基礎上，使學生具備能描述并合理解釋探究的結果及變化趨勢的能力．

教學事件8：推導F浮=G排液=m排g=ρ液gV排.

問題生成：上一部分已經通過實驗驗證了F浮=G排液，接下來引導學生思考物體所受的浮力究竟與哪些因素有關．

探索和解決：教師引導學生利用所學的知識推導公式F浮=G排液=m排g=ρ液V排g．并根據推導的公式進而得出F浮與ρ液和V排有關．教師此時應特意強調V排的含義，即浸沒時，V排=V物；部分浸入時，V排

設計意圖:通過科學推理方法，推導得出浮力的大小與哪些影響因素有關，并推導出F浮與ρ和F浮與V排的準確的數量關系，培養了學生良好的思維習慣．

4.5 課堂鞏固利用F浮與ρ液及V排關系來解題并進行本節課小結

【例題】關于物體受到的浮力，下列說法正確的是( )

A．浮在水面的物體受到的浮力比沉在水底的物體受到的浮力大

B．物體排開水的體積越大受到的浮力越大

C．沒入水中的物體在水中位置越深受到的浮力越大

D．物體的密度越大受到的浮力越小

設計意圖:本題著重培養學生如何分析、挖掘物理題中隱含條件的途徑和方法．學生要解好物理題，必須要有扎實的物理知識和相關學科的知識，綜合分析和解決問題的能力．在解物理習題時，經常會遇到這種情況，有些解題的必要條件，題中并為明確給出，而是隱含在字里行間．充分挖掘隱含條件，明確題目要求，采用合適方法，是解好這類題的關鍵．

課后作業(動手做一做):最后布置一個發明作業，能否將彈簧測力計改裝成一個直接測浮力的測力計，直接測量浮力大小．

5 教學反思

5.1 注重過程教學發展探究能力

本節課主要以問題驅動、實驗探究為主，在每個環節中，都給了學生充分展現自我的舞臺．為了使學生樹立真正的“問題意識”，該教學設計通過學生之間的討論合作來解決真實性問題，使得隱含于問題背后的知識被充分發掘，最終形成自主學習和解決問題的能力．該教學設計以圍繞“認識浮力、理解阿基米德原理”為主線， 帶領學生實現從生活場景到物理知識的認知．在經歷科學探究、科學思維的過程中，引導學生形成正確的物理觀念．正如美國教育家施瓦布所說，“學生的學習過程和科學家的研究過程在本質上是一致的．”[9]因此學生應像科學家一樣去 “發現”問題、解決問題．“問題驅動”始終把“發現提問”“表征問題”“解決問題”作為培養學生問題意識的關鍵，而提高學生提出問題和解決問題的能力貫穿于教學的全過程，最終使學生在積極的思維中獵獲知識，掌握技能，提高學習能力．

5.2 借鑒物理史實引導學生發展

本節課以“問題驅動”為教學方法，以實驗探究為教學主線，充分發揮學生作為課堂主人翁的作用，利用阿基米德浴缸模型與溢水杯的歷史故事與原理講解調動學生的學習興趣．在教學設計和實際授課中，帶著問題去探求解決問題，打破了課堂封閉沉悶的傳統格局，打造了開放兼容、合作探究的交流平臺．通過恰當引導和適時鼓勵，激發學生的探究熱情和學習興趣，培養了學生實驗能力、獲取信息的能力、與人合作的能力以及表達自己意見的能力，使學生終身受益．

5.3 注重探究過程培養學生邏輯思維能力

本節課運用了“問題驅動”教學策略，以問題作向導，以探究式教學為中心的自主合作的學習方法，有效地激發了學生的學習熱情．使學生歷經探究過程比得到結論更有意義，探究活動讓學生學到學科知識的同時，又能提高創新能力與邏輯思維，更能喚起學生探索與創新的樂趣．而將科學想象與科學推理方法相結合，較好地建立起浮力與排開液體重力之間的聯系．“問題驅動”教學策略的應用，一方面能夠充分調動學生主觀能動性，讓他們在不斷地思考問題，不斷地解決問題及反思實踐中磨煉及享受成功，另一方面也培養了他們善于思考、敢于質疑、勇于批判以及勤于動手的良好習慣，為其可持續發展提供了保證，甚至可以讓學生終生受益．

總之，通過梳理阿基米德原理這節課的教學過程，可以深刻體會到問題驅動的作用，通過系列問題的形成和解決，有效推動了教學過程的展開和學生活動的深入．學生在對問題的提出、反思和解決的過程中，行動是主動的，思考是積極的，他們的智慧成果可以得到較好的展示、檢驗和梳理，通過對問題的探究過程，物理觀念得以形成、科學思維的能力也得到鍛煉和提升．這樣的教學過程，也能夠更好地滿足課程標準對教學的要求．