基于“自创性实验”的阿基米德原理教学的研究，本文主要内容关键词为：阿基米德论文,自创论文,原理论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
阿基米德原理教学是初中物理教学的重点和难点之一。说它是重点，是因为阿基米德原理的学习是继所学过的液体的压强、压力、二力平衡和二力合成等知识后来展开的，又是后续学习流体力学等知识的必要基础。说它难点，这是因为学生对阿基米德原理的叙述很熟悉，公式也写得很娴熟，但学生在计算浮力时都感到题型复杂多变很难驾驭，是出错最多的知识点。因此，也得到了老师和教科书编者的普遍关注和研究，已有很多有益的建设性意见和做法。本文试从自己对“浮力”教学研究的实践与认识，谈一点自己在课堂中的尝试，以期待对“浮力”教学有更进一步的突破。
一、浮力难点形成的原因
1.来自于学生对“浮力”知识的前概念
从某种意义来说，阿基米德原理主要是给学生提供求浮力大小的一种等效方法。而关于浮力大小，在学生生活中已经有一些“前概念”，如漂着的物体有浮力、下沉的物体没有浮力。这些前概念有些是正确、有些是错误。教学中通过自创性实验对正确的经验要“放大”利用，对错误的经验要通过认知冲突纠正过来，以防止对阿基米德原理理解上形成思维的障碍。
2.来自阿基米德实验装置的综合复杂化
这个方面教科书的编者已经有所发现并做出了改进，从旧物理课本（人民教育出版社物理室编.初级中学课本物理第一册[M].北京：人民教育出版社，1987）使用国配的溢水杯组合实验装置，到现在新课标物理课本（课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育课程标准实验教科书·物理（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2005）用大烧杯代换了溢水杯。可笔者还是觉得阿基米德原理实验仍存在着实验仪器多、操作过程复杂、中间涉及无关物理量多的问题。不能很好地展现浮力大小的发生、发展和结果的过程。从这综合性很强的实验操作、现象观察和数据分析等大跨度的思维来说，学生不能很好地理解实验的本质，而被过多的实验过程所掩盖。
3.来自教师授课过程上的“空降”
大多数的教师按着教科书的顺序，几乎没有过渡，就突兀地用实验来研究浮力大小与排开水的关系。只是让学生“知道”和“记住”阿基米德原理的表达式
。
二、突破“阿基米德原理”教学的策略
我们认为要突破“阿基米德原理”教学的难点，在教学过程中要让学生经历人类探究浮力的思维的过程，让学生在探究中思维、思维中探究，采取“尝试——错误——纠正——解决——再尝试”的教学模式。为实现上述的教学过程，我们创设了一系列的功能各异的自创性实验，充分发挥实验在建立物理概念和获得规律中独特的、适合初中学生思维习惯的作用。
1.通过自创性实验突破学生在生活中形成的浮力前概念
学生在学习浮力之前头脑中已经存在着各种各样的前概念。研究发现学生关于浮力大小的理解主要存在与“体积”、“轻重”、“密度”、“空心实心”、“沉浮”、“深度”、“形状”、“放置方式”、“吸水量”等有关的9种观念，大多数的初中生同时持有三种或三种以上的观念，而且每种观念又有几种亚观念；学生运用某种观念与实验情景有很大的关系。因此浮力大小的探究活动就应该想办法让学生的各种观念在活动中得到转变和提升，让学生对浮力的认识从经验提升到科学概念水平。
2.应用自创性实验实现学生直观体验丰富表象、收获规律
通过自创性实验，改变了以往课本中借助综合性实验的做法。我们利用自创性系列实验来引导实现如下几方面：一是浮力大小与哪些因素有关；二是通过实验来探究得出，浮力大小只与物体排开液体的体积和液体的密度有关，并得出经验公式
；三是通过自创性实验来验证浮力大小等于物体排开液体所受到的重力。通过以上三步自创性实验的支撑，我们逐渐实现了经历探究、分析、归纳、概括以实现概括化的转变。在这个过程中自创性实验不仅是技术手段，更重要的是作为一种思考过程在探究中起着引领的作用。
三、基于自创性实验的教学设计
1.做好差异性实验、创设情境、获得测量浮力大小的方法
本环节通过实验，让学生感受浮力的存在并获得一种测量浮力大小的方法。
[实验1]教师手举起相同体积的一红一绿的塑料弹力球与橡皮泥球，将它们放入水中，观察到绿色的橡皮泥下沉，红色塑料弹力球上浮。接着老师问，沉在水中的塑料弹力球不受浮力吗？受浮力前概念的影响，多数学生都认为，不受浮力。这样自然过渡到下一个如何测出浮力大小的环节中。那么如何知道沉在水中的绿色球受没受浮力呢？学生没有测浮力的经历，很多学生陷入深思中。这时教师用弹簧秤测量细线系好的绿色橡皮泥球，让学生观察有多重，可以找学生来读数以增加印象。然后用手向上托，问道，为什么示数减小了，学生会明白是受手向上托力的缘故。这样创设弹簧秤示数减小的情境，对橡皮泥球有没有浮力，是否有帮助呀？这时多数学生都会想到把橡皮泥放入水中称量，观察示数是否减小来检验是否受到了浮力。并进一步总结上述实验过程，得到测量浮力大小的方法，即
。这种测量浮力大小的方法是为后续研究浮力大小与哪些因素和浮力大小等于排开水重的必要知识，是认知结构中必须具备的经验。
2.做好趣味性实验，创设思维冲突、感受浮力大小
通过自制的一个实验装置的演示过程，让学生直观体验到浮力有大小的问题。从而在思维上过渡到浮力大小与哪些因素有关的探究。
演示实验[实验2]如图1所示的装置是两个去了上部的饮料瓶，通过三通管与另一个饮料瓶K连接起来。演示时，A中倒入适量（一半）的酒精；B中倒入与A等液面的饱和食盐水。将相同体积和质量的自制沉浮子C、D，分别放入A容器的酒精中和B容器的饱和盐水中，观察到浮子D下沉，浮子C飘浮。当用手挤压可变形的塑料贮水器J，水就通过三通管，同时分别进入容器A、B中，我们观察到A容器中浮子D上升，B容器中浮子C下沉。通过这两不同颜色的球的一上一下，让学生感受到物体所受的浮力确实有大小的事实。从而让学生产生浮力大小与哪些因素有关的问题，为下面的浮力大小与哪些因素有关的探讨创设了有意义的情景。
3.做好探究性实验，体验影响浮力大小的因素、得到浮力大小的规律
通过浮力大小与物体的密度、液体的密度、浸入液体的深度、物体的形状、物体的质量等各种因素的实验探究，很容易得到浮力大小与液体的密度与物体排开液体的体积有关的结果。可是这种认识明显带有个体认识成分，并且还存在原始、肤浅、片面、模糊的特征。要使这种直接经验更长效地植入学生个体知识体系，还要经历一个概念化或规律性的过程，只有“经验”升华为“思想”才是我们探究的最后目的。然而按现行教科书的方法，把这个“经验”直接过渡到理解阿基米德原理，那就远远超过了学生思维跨度。为此，我们的做法是，先得到反映浮力大小因素的实验规律——浮力的定律。即，物体在液体中所受到的浮力与液体的密度成正比、与物体排开的体积成正比。即。这样做法的好处：一是对影响浮力大小的决定因素更能直观地反映在表达式上，这是因为学生已经习惯这种表达方式了，如，已经学过的液体压强大小的规律、还有欧姆定律等表达形式。二是这种形式浮力定律的表达式，比隐藏在阿基米德原理中的规律，在思维上更能有助于灵活地解决浮力问题。
4.做好模型化实验，得到浮力产生的原因，认识浮力的本质
我们从教学实践来看，由于没有直观教具的支持，不能形成清晰的表象，对浮力产生理解不够深入，不能直接显示浸在水中的物体上下表面所处的压强不同，从而不能直观形象地说明浮力产生的原因。因此我们用如下的自创性实验来解决。
演示实验[实验3]如图2所示，A是水槽；B是橡皮膜；C、D用橡皮膜感知能显示正方体表面所受压强大小的上压强计和下压强计；E是用玻璃管烧制成后内盛有色液体，可显示正方体上、下表面所受液体压强不同的“U”型显压器，当与上、下压强计连接后形成一个封闭的“双头U型”压强计系统；F是用来支承上、下压强计的四面体，并与上、下压强计构成一个从外观上观察是一个正方体。
浮子放在空的水槽内，在浮子与水槽之间，随着水逐渐完全浸没浮子，放一个“十”型架子，再把浮子放在“十”型架子上，只要倒水，下压强计受水向上的压力，使“U”型管中有色液柱的左右液面在同一水平面上的情况被破坏，左端液面上升右端液面下降。随着水的深度增加，浮子浮了起来，从而表明浮子受向上的压力而浮起。
分析浮力产生原因，从而得出浮力大小等于物体排开液体所受到的重力。可简捷地用如图3来说明师生共同的分析过程。在帮助学生分析推理的过程中，要渗透归纳的思想，即研究一个物理量是由两个因素决定时，两个因素是否可以用一个物理量来表征的物理思想。分析过程中要结合涉及公式p=F/s、p=
gh、V=Sh、ρ=m/V、G=mg等.
5.做好对比实验，减少思维环节，理解阿基米德原理
演示实验[实验4]将课本里阿基米德实验中的小桶换成一只非常薄的质量可忽略的塑料袋，挂在弹簧测力计的秤钩上，其示数为0N，这是因为塑料袋所受的重力小于弹簧秤的感量。这样省去了先测出小桶的重力，再测出小桶和排开的液体的总重力，然后作差得到物体排开水的重力。用塑料袋承接物体排开的水，只需测出塑料袋中溢出的水的重力就可以了。这样的改进不但在操作步骤上得到了简化，更主要的是原理上更加直观了。采用这种对比式实验装置，避免了多次分步操作以及相应的思维跟踪的分析记忆。如图3所示，操作时，只强调观察物体浸入水中时它上面的弹簧测力计的示数减小了多少和水被物体排开进入塑料袋后它上面的弹簧测力计的示数增加多少的比较即可。
