摘 要：关于浮力的方向，苏科版教材上的定义是“向上”的。但实际教学中，很多教师却定义为“竖直向上”，这就有必要检点教师的情境创设和引导方法。由此引发了三点思考：实验情境的普遍性和特殊性的问题、概念表象和概念核心的问题、典型实验和变式设计的问题。

关键词：浮力；概念表象；核心知识；对比实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）12-0018-4

关于浮力的概念，苏科版八年级物理第十章第四节中，通过四幅图提供的实验情境，得出了“浸在液体或气体里的物体，受到液体或气体向上的托力，这个力叫浮力。”在教学实践中，教师应如何创设实验情境，采用怎样的引导方法，让学生通过实验认识浮力呢？听课中发现，教师不一样的认识方法和实验设计，导出了异样的观察结论。

1 无疑处生问

在一次“浮力”优课评比活动中，老师用实验帮助学生建立“浮力” 的概念，为了直观显示浮力的方向，用细线系住乒乓球，让学生观察乒乓球在水中静止时细线伸长的方向，而且在旁边还加挂了重锤线与之对比，以此来说明浮力的方向总是竖直向上的。教师的此番设计可谓煞费苦心，由此实验演示，学生也毫无疑问地观察得出浮力的方向是竖直向上的，但教师板书时却没有“竖直”二字。那么，究竟是“向上”还是“竖直向上”呢？学生普遍获得的认识和得出的结论是怎样的呢？笔者在课后随即进行的课堂检测中，有意出了与此相关的一道选择性填空题：浮力的方向是： （填“向上”或“竖直向上”）。结果，45位学生中填“向上”有12位，填“竖直向上”有33位。后经问及几个填“向上”的同学为什么选“向上”时，他们的回答是“书上只说向上，没说一定竖直向上”；问及几个填“竖直向上”的同学的理由是什么时，他们的回答是“课上的实验事实可见”。让他们在一起讨论时，也有几个同学疑惑地提出：为什么书上和老师在黑板上都没有写“竖直”二字。这样，就在看起来没有问题、不是问题的地方，却产生了一个值得深究的问题。

评课时，笔者把这个问题提了出来，与老师们研讨交流。部分老师也认为“亦可以说竖直向上”，理由是：从浮力的本质来看，浮力产生的原因是浸在液体中的物体受到液体的压力的合力。在静止的液体中，通常用“小液柱法”来研究（如图1），因为静止时液体的压强随深度的增加而增加，但在同一深度，液体向各个方向的压强相等，所以小液柱的下表面受到向上的压力与上表面受到向下的压力的合力就是浮力，方向是竖直向上（前、后，左、右受到的压力的合力为零）。

2 辨析中明理

鉴于此，笔者提出，假如学生叩问这样一个问题：洗衣机工作时，浮在水面上跟着水一起转动的乒乓球受到的浮力方向是否竖直向上？因为乒乓球不保持静止，那么应该通过什么手段让学生明白此时浮力的方向呢？

此时，有的老师拿出课上用的实验器材，用笔作搅拌器将容器中的水搅拌起来，形成漩涡，看到“系住乒乓球的细线”倾斜（这位老师就是用细线系住乒乓球），说道：细线的方向就是浮力的方向，不是竖直向上，而是偏向容器侧壁斜着向上（即偏离圆心向外）。上述老师的分析，恰恰暴露出他们关于浮力这部分专业知识和教学知识视野的局限性。

至此，可发现存在两个问题。其一，系住乒乓球的细线伸长的方向是不能表示浮力方向的。此处“用系住乒乓球的细线”来直观显示浮力的方向，看似是对学习重力方向的一种迁移，但重力方向用重锤线来显现，是根据重锤受到的重力和细线的拉力是平衡力的原理，具有特殊性，是在特定条件下的一种间接反映，而不是本质反映，实际上细线的伸长方向应该是其产生的张力的方向。若以此为方法来显示各种情形下的浮力方向，本身就犯了认识方法上的错误。如果学生将此方法固化，形成认识定势，对今后的学习就是一种方法上的“前概念”的错误，会产生负影响。其二，当液体静止时，小液柱的前与后、左与右受到的压力可以平衡；但液体不是静止时，情况又是怎样呢。从动力学的角度进行分析：因为液体的压强与流速有关，在同一深度，流速越大，压强越小。漩涡中，靠近漩涡中心处，液体的流速大，在漩涡中的乒乓球，其靠近容器壁的那个侧面受到的压强比靠近漩涡中心的侧面受到的压强大。正因为如此，在乒乓球跟着旋转做圆周运动时，液体除了对球产生向上和向下的压力差，同时也产生向内和向外的压力差，这个向内和向外的压力的合力方向指向漩涡中心，所以乒乓球受到液体压力的合力方向由向上和向内两个方向共同决定，不是竖直向上，而是偏向漩涡中心斜着向上。

如果再从普通逻辑学的视角来看（普通逻辑不研究概念的形成过程，只研究概念的逻辑特征、逻辑方法），“概念不是反映事物的具体形象，而是抽象地反映事物的本质属性，舍弃了事物的非本质属性”，“人们通过它反映的本质属性去认识具有这些属性的事物”。浮力作为“普遍概念”（而非“单独概念”）系“反映某一类事物的概念，它的外延不是由一个单独的对象构成的，而是指有许多分子的类”。因此，对浮力概念下定义应当是“概念的概括”，而不是“概念的限制”。对概念的概括即从特殊过渡到一般，掌握事物的共同本质；对概念的限制即从一般过渡到特殊，使认识具体化。给概念下定义就是揭示被定义概念所反映对象的本质特征、共同特征。教材中在给浮力下定义时，在关于浮力方向是“向上” 抑或“竖直向上”的词语定义上，采用的“向上”是符合普通逻辑方法的。这也正说明了教材中关于“向上”的词语定义是准确的。

鉴于以上分析，可以有两种解决办法。其一，用动力学知识进行分析。这样处理，学生感觉比较抽象，难以理解。其二，能否再做新的实验，让学生直接观察到浮力的方向，但这个实验很难设计。再分析学情，学生在前面已经学过“力与运动”，知道力是物体运动状态改变的原因，会根据物体运动状态的变化来判断力的存在，那就可以沿着这一思路，创设新的实验情境，来帮助学生自我认识。换言之，可以创设对比性实验情景，抓住对物体受力分析这一核心，通过对照比较、分析研究的方法，达到异中求同，让学生在比较中认识到浮力的方向。

具体操作可采用以下步骤：

1.演示：用细线系一小铁球，让细线吊住小球在水平面上旋转，请画出小铁球的受力示意图。

2.学生实验：用搅拌器将容器里的水搅转起来，形成漩涡，乒乓球跟着转动。请画出乒乓球的受力示意图。

3.对乒乓球和小铁球的运动状况和受力情况进行比较。思考：两球的运动状态发生改变的原因是什么？小铁球受到细线拉力的方向是竖直向上的吗？如不是，应该是什么方向？乒乓球受到浮力的方向如果是竖直向上，乒乓球能在水平面内转动吗？乒乓球受到浮力和小铁球受到细线的拉力作用的效果是否一样？乒乓球受到浮力的方向应该是什么方向？

显然，通过两个实验的对比和辨析，学生能理解课本上为什么没有“竖直”二字，不是课本叙述不够严谨，而是从普遍性来说更科学、更能反映事物的普遍规律。

3 反思中求真

3.1 从实验情境的特殊性到导出结论的普遍性：力避以偏概全

“什么是浮力”属于概念探究，教师创设怎样的探究情境，关乎学生归纳的途径和结论的得出。课本提供的腾空而起的气球、浮在海面上的舰艇、在水中升起的乒乓球、浮在死海海面上的人等情境中，都能说明浮力的方向是竖直向上的。但学生生活中遇到的一些现象，如洗衣机工作时，浮在水面上跟着水一起转动的乒乓球，漩涡将浮在上面的小木块吸到水底等。这些情境中的乒乓球和小木块受到的浮力的方向确实不是竖直向上的。如仅就课本提供的情境，则显得太狭窄、太特殊，未能兼顾全面，且得出浮力方向一定是竖直向上，就显得以偏概全，以至学生生成错误认识，得不出一般性的结论。需要指出的是，我们并非刻意要让学生理解在特定情形下物体受到的浮力方向是斜着向上，因为人们对真理的认识犹如登山，攀的越高则视野越宽，认识则越深刻。对真理的认识也是有过程的，作为对初学物理的学生而言，不应要求过高，但作为教者，一是应有高于学生的认识，二是不应束缚住学生的思维空间，让错误的认识潜伏下来，给今后的学习留下隐患。记得有一位特级教师说过：初中物理教学应慷慨事实，吝啬结论。这句话的意思就是：教学中应创设丰富的情景以提供事实基础，结论的表述既要适合学生现有的认知能力（特殊性），又要留有“登高”后的认知空间（普遍性）。

3.2 从“概念表象”到“概念核心”：对概念的深度构建

不少教师在概念教学的过程中，对概念背后的“核心”究竟是什么，对这个概念中有哪些关键的知识是需要学生深度学习的，哪些只要通过教师点拨一下学生就可以观察得出的，等等问题缺少深入的研究和把握，而一味地把教学的重心指向所谓的概念描述的主要特征——“概念表象”，忽略了概念的核心——知识内在的思维方式。 比如，在“浮力”概念的教学上，把重心放在了如何能让学生看到向上之托力，“导致学生在观察、思考过程中，形成对所学概念的‘思维表象，阻碍了学生向学习目标的深度追溯”。

有效的概念教学应当追问和直抵“核心知识”，抓住知识的核心要害进行深入剖析，使学生从本质上掌握埋藏在“概念表象”背后的“核心知识”。“浮力”这一概念的核心知识就是：在实验探究中应用已学过的“力与运动”的知识，对浸在液体中的物体的受力进行判断、分析、比较及推理；而“向上之托力”只是“概念表象”。在授课中，教师如果一味地追求让学生能观察到浮力的方向，而忽视了探究中的“受力分析”这一核心环节的深入学习，就不能把隐匿在结论之中的内在思维方式再现出来，释放其应有的发展价值，也就达不到对浮力概念内涵的深度构建。

从科学准确地理解浮力概念的教学要求来说，就是要引导学生观察与“浮力方向”有关联的“其他区域”——“影响源”，并通过判断、分析、比较及推理等思维活动，穿透“概念表象”，在挖掘其背后原因的基础上，引导学生自主建立浮力概念，促进学生深度把握浮力的本质内涵和物理思考力的提升。这样，也就避免了游离核心知识，落入“概念表象”之巢穴。

3.3 从源于课本的典型实验到变式设计的再实验：延伸实验链

为了达到对物理概念、原理的深刻认识，实际教学中，想通过某一典型实验“一次到位”、理解透彻，有时很困难，往往需要跟进“变式设计”，运用方法迁移等手段，进行二次甚至三次类比实验，形成实验链，以完成对知识内容由表及里、由特殊到一般的完整认识。如果本课例中教师在教学设计中就有预设，演示乒乓球在静止的水中受到浮力的实验后，再提出如果容器中的水是转动的，用对比性实验进行二次认识，即使学生在第一次认识中生成了“抑或竖直向上”的“错误”认识，也恰好为深入探究的“对比实验”作了导引，形成了生成性教学的活的课程资源，延生出破解概念核心的实验链。

在很多情况下“二次实验”是必须的，教材中需要通过变式设计延伸实验链的还很多。例如，苏科版第八章中“判断重力的方向”，教材中的原实验如图2。这样的教学设计虽然有利于通过变化木板的倾角α，直观显现悬线OA始终与工作台面垂直，但是从学生认知的角度看，“竖直向下”是一个很抽象的概念，学生很可能提出这样一个问题：“工作台面真的水平吗？”这时，就需要改进实验素材进行再次实验，可将图2中的“用重垂线来显示重力方向”予以保留，（下转第23页）（上接第20页）用长方形水槽构建真实的水平面来代替“看似水平的工作台面”，用直角三角板来判断重垂线与水平面的关系。实验中，保持直角三角板的与重锤线重合的那条直角边不动，且以这条边为轴，转动三角板，观察另一条直角边与水槽中的其他水平线是否垂直。通过再一次的真实探究，使学生对“工作台面真的水平吗？”这一问题自然得到求证。这样，“重力方向是竖直向下”的这一概念就自然使学生深信无疑。

通过变式设计延伸实验链，有时是为了“证伪”（如“浮力方向”的再实验），消解误识；有时是为了“证真”（如“重力方向”的再实验），形成真认识。探究是一种多侧面、多形式的活动，教师应针对初中学生的认知特点，尽可能提供给他们丰富、多样的材料，并且加以恰当的理性引导，逐步提升他们缜密的思维品质。

参考文献：

[1]《普通逻辑》编写组.普通逻辑[M].上海：上海人民出版社，1980.

[2]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社，2000.

[3]于正军.目标评价：从“概念表象”走向“核心知识”[J].中小学教师培训，2015（1）：40—42.

[4]蔡剑，陈斌.变式设计：实验教学的支持性改进[J].物理教学，2015，37（6）：48—50.

（栏目编辑 刘 荣）