从物理学习的认知过程看阿基米德原理系列探究实验的设计，本文主要内容关键词为：阿基米德论文,认知论文,原理论文,物理论文,过程论文，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。
物理实验对物理学习的认知过程具有特殊的作用，有的实验可以增强感性认识，有的实验可以促进认知的调整，有的实验可以促进认知的转变。因此根据物理学习的认知过程来设计实验可以促进学生对所学知识的理解。阿基米德原理是初中物理最难的内容之一，原因有两个方面：一是学生对浮力大小存在着各种前概念，这些前概念干扰着学生对科学概念的理解；二是初中生的思维水平低，而要理解阿基米德原理需要高强度的思维活动。学生现有水平和教材要求之间存在很大的差距，这差距就形成了阿基米德原理学习困难的另一个原因。目前关于阿基米德原理实验的设计由于没有考虑到学生在学习阿基米德原理过程中的认知过程，因而没有能从根本上解决困难。我们认为阿基米德原理实验的设计要想从根本上克服困难必须将阿基米德原理和影响浮力大小因素联系在一起，然后根据学生学习的认知过程来设计相应的实验，给学生架设思维的台阶，增强感性认识、促进认知调整和转变。基于这样的思想，本文介绍如何根据学生学习阿基米德原理时的认知特点来设计实验。
一、阿基米德原理学习的认知过程整体分析
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，而阿基米德原理的学习就是让学生理解“物体受到的浮力等于它排开的水的重量”这一事实。由于学生思维水平比较低，因此要使学生从各种各样的前概念过渡到理解阿基米德原理不可能一步到位，必须经历如图1所示从左到右的一系列认知过程。第一个过程是“认知转变过程”，即让学生的各种前概念转变为“物体浸入水中的体积越大浮力越大”这一层次，也就是让学生认识到物体受到的浮力与物体的轻重、材料、形状、深度等没有关系，只与物体浸入液体中的体积有关，物体浸入水中的体积越大浮力越大。第二个过程是认知调整过程，即学生从“物体浸入水中的体积越大浮力越大”提升到“物体排开的水的体积越大浮力越大”的过程。第三个过程也是认知调整过程，即让学生从“物体排开的水的体积越大浮力越大”提升到“物体受到的浮力等于它排开的水的重量”的认知调整过程。因此浮力的实验教学就应该根据这三个过程设计相应的实验来促进学生认知的转变和调整。
图1
二、实验的设计
1.认知转变的实验设计
(1)认知过程分析
①研究发现学生关于浮力大小的理解主要存在“体积”“轻重”“密度”“空心实心”“沉浮”“深度”“形状”“放置方式”“吸水量”等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都得到转变和提升，让学生对浮力的认识从经验水平提升到科学概念水平。
②精心设计一系列能促进学生观念转变的情境，先使学生在这样的物理情境中，将浮力大小的种种观念暴露无余，接着让他们利用这些观念去“成功”地解决问题，然后让他们为自己的观念找到足够的理由自圆其说，最后让他们想办法来证明自己的解决办法是正确的。在他们验证的过程中会发现他们自己的经验与实验结果不一致，从而制造了认知冲突，也就在这种矛盾状态下他们开始意识到自己的观念存在缺陷，这时经过同学间的交流讨论、归纳总结，辅之以老师的引导，学生的认知就会转变为：浮力大小与浸入水中的那部分物体的体积有关。
(2)实验设计
图2
实验如图2所示，由7个物品和一个水槽组成，7个物品的体积关系为
。1、2、3、4四个物品形状完全一样，1是铁块，2、3、4是木块，5是三角形木块，且底面和4的底面相同，6和7是颜色和大小都一样的乒乓球，6装满沙子，7是空心。这7个物品按如图3所示的位置放到盛有水的透明水槽中，其中1和2是激发学生的“密度”观念，2和3是激发“放置方式”观念，3和4是激发“深度”观念，4和5是激发“形状”观念，5和6是激发“体积”观念，6和7是激发“空心实心”观念。
(3)实验教学活动过程
按如图2所示演示，然后按如下的程序进行引导：①让学生将7个物品按浮力从大到小用“＞”或“=”号排队。②让学生对他们的排队进行讨论。③让学生对自己的排序说明理由。④让学生想办法设计实验来验证自己的排队是否正确。⑤教师带领学生分别测量这7个物品的浮力。⑥让学生按实验的结果再排一次。⑦引导学生分析实验结果与物品体积关系，得出结论。
2.第一个认知调整的实验设计
(1)认知过程分析
学生在前面的实验活动中已经理解浮力与物体的形状、放置方式、深度、轻重、空心和实心等都没有关系，而只跟浸入液体中的那部分物体的体积有关，浸入液体的体积越大浮力就越大。可是由浮力大小的原理可知，物体受到的浮力与物体排开的液体的体积有关。因此有必要再让学生的认知水平从“浸入液体的体积越大浮力就越大”调整为“物体排开的水的体积越大浮力就越大”。由于“物体排开水的体积”比较抽象，因此学生的这个提升将面临困难。如果能够设计一个实验，让学生明显看出两个物体浸入水中时浮力不同，但又不容易看出两物体的体积谁大谁小，同时，又因为浸入水中，两物体排开的水的体积差别又很明显，这样学生的思维角度就从“物体浸入水中的体积”转移到“物体排开的水的体积”上来，从而实现了认知的调整。
(2)实验设计
如下页图3所示，实验的整体结构由天平、升降台、水槽、两个玻璃杯和配重物（包括圆柱体和三柱体）组成。圆柱体和三柱体由不同的材料做成，但它们质量相等体积相等（学生不容易看出两物体的体积谁大谁小，但浸入水中时浮力明显不同；这样，学生的思维角度从“物体浸入水中的体积”转移到“物体排开的水的体积”上来）。两个玻璃杯是普通玻璃杯，它们都装满水，且分别放于圆柱体和三柱体的正下方。升降台放在天平的底板上，水槽放在升降台上，两个配重物（圆柱体和三柱体）分别挂在天平的两端，由于两个配重物质量相等所以，天平保持水平。
(3)实验教学活动过程
①按如下页图3所示进行演示，问学生天平为什么水平。②分别向两个杯子注满水，然后让学生预测，若调高升降台使两物浸没入水中。会有什么现象，重点是玻璃杯中的水会怎样？天平是否还水平？③问学生为什么？④调高升降台使两物体全部浸入两个杯中（如图4）。（边操作边问学生观察到什么现象，重点是天平不水平、水被排出）⑤问学生天平为什么不水平。⑥降低升降台，使两物体离开水面（如图5），问学生哪边杯子排开的水较多。⑦问学生浮力大小与排开的水的体积有什么关系。（这样学生就会提出“物体受到的浮力与物体排开的液体的体积有关，排开的液体的体积越大浮力就越大”这一猜想）⑧让学生想办法设计实验来证明这一猜想。
3.第二个认知调整的实验设计
(1)认知过程分析
学生经过前面的实验活动对浮力的理解已从原来的经验水平提升到了“物体排开水的体积越大浮力就越大”这一水平，还有必要让学生的理解再提升到“物体所受的浮力等于物体所排开的水的重量”这一层次上来。由于初中生思维水平较低，这就决定了这个提升同样面临巨大困难。这正是浮力探究教学的最大难点，而要想突破这个难点，必须创设一个情境，先以学生熟悉的知识作为载体（如图6中的天平），将“物体所受的浮力等于它所排开的水的重量”这一阿基米德原理隐藏其中，在学生运用所熟悉的知识、技能来操作的过程中就会发现一些奇怪的现象（这些现象就是因为所要研究的对象所引起的），通过这一现象在学生的头脑中建立起“浮力”与“排开水的重量”之间的联系，从而促使学生猜想到“物体所受的浮力的大小等于它所排开的水的重量”，从而实现认知的调整。
(2)实验设计
如图6所示，整个仪器由天平、升降台、两个相同玻璃筒，铝柱和配重物组成。两个筒分别装有同量的水，一个固定在升降台上，另一个挂在天平的一端。铝柱挂在上玻璃筒的底部，上玻璃筒与铝柱的总重量等于右边配重物的质量。
(3)实验教学活动过程
①按如图6调平天平，问学生天平为什么水平。②问学生若上移试管口，使铝柱浸入下玻璃杯的水中，天平会怎样？下玻璃杯的水又怎样？③调高升降台，使铝柱浸没入水中（如图7）。④问学生天平为什么不水平了。⑤问学生怎样才能使天平恢复水平。⑥引导学生往试管加水。⑦问学生加多少水才能使天平又恢复水平（引导学生加的水的重量等于受到的浮力）。⑧加水使天平水平（如图8）。⑨问学生天平为什么又水平。⑩指导学生比较两试管中液面上升高度。(11)问学生试管1中加的水与试管2中上升的水有什么关系。(12)当学生回答体积相同时，问学生铝柱受到的浮力与它所排开的水的重量有什么关系？(13)学生会提出“物体受到的浮力等于它所排开的水的重量”这一猜想。(14)引导学生设计实验来验证这一猜想，这样又可以组成一个完美的探究活动。
