陳勝鋼

（紹興市教育教學研究院，浙江 紹興 312000）

1 內容簡析

初中浮力知識主要包括浮力的概念、阿基米德定律、研究浮力大小的實驗、物體浮沉條件以及有關浮力的應用事例.學生對浮力知識的學習，總體感覺比較困難，尤其對不同狀態(tài)下，物體在液體中浮沉情況的判斷和浮力大小的計算，更覺得思維過程要求高、學習難度大.但浮力知識也正因其過程比較復雜，對培養(yǎng)學生形成正確的思維方式，具有一定的演繹能力有促進作用.如何通過復習，使學生感覺零散、模糊、難以辨認的概念和規(guī)律比新課教學時，有新的認識和明晰，形成正確的浮力知識框架，又能掌握一定的學習方法，是浮力復習課所必須面對和解決的問題.

2 設計理念

學習物理不僅需要學習物理概念和規(guī)律，更需要學習物理的思維方法和一般科學方法.《初中物理課程標準》指出：物理課程旨在提高學生的科學素養(yǎng)，讓學生：學習終身發(fā)展必需的物理基礎知識和方法，養(yǎng)成良好的思維習慣，在分析問題和解決問題時嘗試運用科學知識和科學研究方法；經歷科學探究過程，具有初步的科學探究能力，樂于參加與科學技術有關的活動，有運用研究方法的意識.科學探究既是學生學習物理的目標，又是學生學習物理的重要方法.讓學生在復習課中，用方法去追尋獲取知識的過程，體驗方法對獲取知識的重要性和必要性，主動建構浮力知識框架，領悟科學探究方法，發(fā)展科學探究能力，養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度和勇于創(chuàng)新的科學精神.

我們認為知識和方法是始終緊密地結合在一起的.所有的知識都是在一定的方法上形成的，都是在一定價值觀下形成的，一定的方法和價值觀又是知識發(fā)展的必然產物.在物理教學中，加強方法教育，使學生認識科學方法是獲得知識的主要途徑，在他們掌握物理知識的同時掌握獲得知識的方法，這既是現(xiàn)代教育的理念，也是物理教學本性所決定的.現(xiàn)代教學研究表明，方法是通向能力的橋梁，能力既依賴于知識，更依賴于方法，科學方法與學科知識的結合是物理教學的核心.

本節(jié)初中“浮力”復習課中，我們改變傳統(tǒng)的教師回顧知識要點、學生模擬練習鞏固的模式，而是以圍繞“模型”的科學方法解決問題的方式，讓學生在輕松、討論和自我建構的氛圍中，完成對浮力知識（概念和規(guī)律）的回顧梳理和再建構，不僅提高學生對所學浮力知識的重新認識，而且理解和掌握如何運用“模型”這一科學方法去實現(xiàn)這一目標的.

3 教學流程

環(huán)節(jié)1：引用故事創(chuàng)設情境，認識“模型”基本要求.

故事：教師講述，在某次國際物理學會議期間，有人向3位著名美國物理學家蓋莫夫、奧本海默和布洛赫提出一個問題：有一條裝滿石塊的船，浮在湖面的水里，如果將船上的石塊投入水中，湖里的水面會發(fā)生怎樣的變化？由于3位科學家漫不經心，把這個小問題都回答錯了.

如果你有幸作為學生代表參加那次會議，并在現(xiàn)場，你對這一小問題會怎樣去研究？

分析：解決這問題有2條途徑，一是根據(jù)物體在液體中的平衡條件，進行理論分析；二是用實驗進行研究.

實驗：如圖1，用一個較大的燒杯，盛半杯水，水面上浮一個內裝小石子的小燒杯.這里的大燒杯就相當于湖，小燒杯相當于船.記下大燒杯水面的位置，用鑷子小心將小石子放到大燒杯的水中，觀察大燒杯水面的變化，可以發(fā)現(xiàn)，水面會下降一點.

總結：上面的做法，僅僅是一個實驗嗎？我們將船和湖都進行了簡化，更加突出了我們需要解決的問題的本質——水面的變化，這里借用了一種科學方法——“模型”.經過這樣處理，問題的解決會相對簡單，思維的過程會更清晰.

在復習浮力知識的過程中，我們會碰到許多實際的問題，有的還比較復雜，如果我們能將問題歸納為一些比較簡單的“模型”來研究和解決，就會使問題簡單化，使思路清晰.

歸納：什么是“模型”呢？在物理研究中，物理“模型”常常是一種理想模型，它是根據(jù)人們的抽象思維和想象力，采用理想化和簡化的方法，所創(chuàng)造的能再現(xiàn)原型本質聯(lián)系和內在特性的一種簡化模型.這里采用的主要是一種狀態(tài)模型.

圖1

設計意圖：從一個實際問題引入，是讓學生理解和體會到，科學研究的問題就是生活或生產中的實際問題，也是普通的自然界中存在的問題.從實際問題入手既對學生有一定的吸引力，也能創(chuàng)設較寬松的教學環(huán)境，同時，也為后面的問題研究留下伏筆.實際問題往往有多種因素影響，比較復雜，直接轉換成“模型”問題，會讓學生在思維上產生脫節(jié)感覺，因此，通過一個實驗過度，使方法問題的難度下降，也使問題更簡化和突出，使學生初步認識“模型”.

環(huán)節(jié)2：梳理浮力主要知識，感受“模型”建立過程.

問題：我們在學習浮力的時候，主要學習了哪些內容？大家討論，然后按組交流.

討論：學生相互交流、討論，準備回答學過的知識等.

交流：在學生交流的基礎上，歸納出學習過的內容主要包括：

（1）浮力的概念、單位、方向；

（2）阿基米德實驗（教師強調兩個相同：物體受到浮力與物體排開液體受到的重力相同；物體浸入液體的體積與物體排開的液體體積相同）；

（3）物體在液體中的浮沉條件和情況.

問題：一個實心物塊浸入某液體中，如何求它的浮力？

分析：一個實心物塊浸入某液體中，要求它的浮力，會有很多種情況？我們就要選擇不同的模型來突出問題，以便求解.

圖2就是我們的第1個物理“模型”，它對應的就是一個物體原型——實心物塊，浸入某種液體中的情況.我們不考慮物塊的體積大小、形狀、質量等因素，只突出實心、浸入液體等與我們研究問題相關的主要因素.

如果物體的重力小于浮力（即ρ液＞ρ物），就是圖3的“模型”，但最終是圖6的“模型”；

如果物體的重力大于浮力（即ρ液＜ρ物），就是圖4的“模型”，但最終是圖5的“模型”；

如果物體的重力等于浮力（即ρ液＝ρ物），就是圖2的“模型”.

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

我們明白了這樣的關系，也就基本清楚了怎樣去建立“模型”.

說明：我們在新課學習的時候，已經知道，求解浮力主要有阿基米德法、狀態(tài)分析法和用彈簧秤稱重法.針對前面分析，其實最終結果是求解“模型”2、5和6三種情況下的浮力，這也是整個浮力內容中最典型的3種問題.

對于“模型”2的狀況，我們可以用阿基米德法：用量筒測出物塊體積，問題就解決；也可以用彈簧秤稱重法和狀態(tài)分析法：先在空氣中稱出物塊的重G空，根據(jù)懸浮的狀態(tài)，也就知道了它受到的浮力；

對于“模型”5的狀況，我們可以用阿基米德法：用量筒測出物塊體積，問題就解決；也可以用彈簧秤稱重法：先在空氣中稱出物塊的重G空，再稱出物塊在液體中的視重G液，浮力F＝G空-G液，也就知道了它受到的浮力.

對于“模型”6的狀況，我們可以用彈簧秤稱重法和狀態(tài)分析法：在空氣中稱出物塊的重G空，根據(jù)漂浮的狀態(tài)，得到浮力F＝G空，也就知道了它受到的浮力；

歸納：運用“模型”解決浮力問題的關鍵：正確建立合適的模型（能反映物理的本質屬性和主要特征），選擇相符合的方法.

設計意圖：通過問題、討論、交流，將新課學習的有關浮力主要內容呈現(xiàn)在學生面前，給學生一個提醒回顧的準備.然后用問題、分析，將一個求解物塊受到的浮力問題，轉化為如何建立物理“模型”的可研究的問題，緊接著的歸納和說明，則起到承前啟后的功能，既將新課教學中，已學過的3種求解浮力的基本方法自然引出，又將如何處理“模型”巧妙連接，使學生在解決具體問題的寬松環(huán)境中，認識了運用“模型”解決問題的具體過程.

環(huán)節(jié)3：選擇典型浮力問題，熟悉“模型”解決方法.

問題：如圖7，兩個不同的雞蛋（M甲＜M乙）在同種液體中，受到浮力誰大？浸入液體部分的體積誰大？

思考：學生思考、分析和交流.

討論：學生討論，提出解決的方法.

歸納：在學生討論基礎上，教師歸納：這個問題，其實就是前面圖6問題的拓展，因此，仍用前面“模型”解決.根據(jù)狀態(tài)分析方法，甲和乙雞蛋在液體中都是漂浮，浮力都等于重力.所以G甲＝F甲，G乙＝F乙，但質量不同（M甲＜M乙），G甲＜G乙，所以F甲＜F乙；根據(jù)F?。溅岩篤g，因為，ρ甲＝ρ乙，g也相等，所以V甲＜V乙.

圖7

拓展：在實踐生活中，這樣的問題我們也經常碰到，也就是他們的實際原型.比如，

（1）體重相同、但胖瘦不同的倆人在同一河里受到的浮力大小與浸入河水中的體積大小關系.

（2）如圖8的冰山在水面下的體積占總體積的比例.

圖8

上述問題都可以用這樣的“模型”解決問題.

問題：如圖9（A），同一雞蛋在兩種不同液體中，受到浮力誰大？液體密度誰大？

思考：學生思考、分析和交流.

討論：學生討論，提出解決的方法.

歸納：在學生討論基礎上，教師歸納：這個問題，也是前面圖6問題的拓展，因此，仍可以用前面“模型”解決.根據(jù)狀態(tài)分析方法，甲和乙液體中的物塊都是漂浮，浮力都等于重力.所以G甲＝G乙＝F乙＝F甲，因為V甲＜V乙，由F?。溅岩篤g，可知ρ甲＞ρ乙.

拓展：上述問題，其實也就是我們經常碰到的某些實際原型，如密度計（比重計）測量液體密度［如圖9（B）］和船從海里駛入內河的情景［如圖9（C）］，其物理“模型”都一樣，解決的方法也一樣.

圖9

設計意圖：本環(huán)節(jié)是教學的重點.讓學生按照自己原來的思維方式，進行充分思考，提出自己的想法與解決方法，并進行仔細的思考、分析、交流和取舍，為的是給學生一個寬松的學習環(huán)境和思考時間，梳理和熟悉自己原有的問題，對比利用新學習的模型方法去解決問題.學生只有在排除自己的一切疑惑后才能信任和主動思考問題.問題的設計中，既體現(xiàn)了“模型”的建立與解決方法，也注意聯(lián)系更多的實際原型.

環(huán)節(jié)4：通過解決實際實例，體驗“模型”成功喜悅.

說明：在實際的問題中，我們常常會遇到2個物體連接在一起在液體中.對于這樣的問題，我們可以用如圖10和11的“模型”來反映他們.

圖10的“模型”反映的實際問題原型是2個物體疊放在一起，而且下一個物體剛好浸沒在液體中.這一“模型”其實也是在圖6“模型”的基礎上拓展的.

我們仍然可以用狀態(tài)分析法來解決這一類問題.因為二物體作為整體是漂浮，GA＋GB＝FB，V排＝VB，是解決問題的2個基本關系.

圖11的“模型”反映的實際問題原型是2個物體用細繩連接在一起，全部浸沒在液體中.這一“模型”其實是在圖2“模型”的基礎上建立起來的.我們也仍然可以用狀態(tài)分析法來解決這一類問題.

圖10

圖11

首先，把2個物體作為整體考慮，F(xiàn)A＋FB＝GA＋GB，V排＝VA＋VB，是解決問題的2個基本關系.然后，將A、B物體分別進行狀態(tài)分析，對A物體進行分析，GA＋TB＝FA，VA＝VA排；對B 物體進行分析，F(xiàn)B＋TA＝GB，VB＝VB排；而且，TA、TB分別代表A物體對B物體的拉力和B物體對A物體的拉力，且TA＝TB.

請選擇“模型”解決下列問題.

題1.如圖12有密度為ρ1、體積為V1的金屬球，放在圓柱形容器底部.頂部拴著一個密度為ρ2的木球，容器內盛有密度為ρ0、深度足夠的液體，且ρ1＞ρ0＞ρ2，不考慮大氣壓的作用.求：

（1）所栓木球體積至少多大時，才能使金屬球對容器底部的壓力為0.

（2）金屬球對容器底部剛好無壓力，且處于靜止狀態(tài)時，木球所受浮力與木球所受重力之差是多少？

圖12

題2.如圖13所示，在一塊浮在水面的長方體木塊上放一質量為204 g的鐵塊甲，木塊恰好浸沒在水中.拿掉鐵塊甲，用細線把鐵塊乙系在木塊下面，木塊也恰好浸沒在水中.已知木塊的密度為0.4g／cm3，鐵的密度為7.8g／cm3，則鐵塊乙的質量為

（A）204g. （B）214g. （C）234g. （D）254g.

思考：學生思考、選擇 “模型”、解決問題.

交流：學生說明自己選擇的“模型”和解決問題的方法，互相交流、補充.

歸納：在學生討論、交流的基礎上，將解決方法進行歸納、提升.

題1：可以用圖11“模型”進行狀態(tài)分析法解決.

（1）G木＋G鐵＝F木＋F鐵，

ρ2V木g＋ρ1V1g＝ρ0V木g＋ρ0V1g，

V木＝（ρ1-ρ0）V1／（ρ0-ρ2）.

（2）F木-G木＝ρ0V木g-ρ2V木g＝ （ρ0-ρ2）V木·g＝（ρ1-ρ0）V1g.

題2：可以用圖11的“模型”進行狀態(tài)分析解決.

甲狀態(tài)時：G木＋G鐵1＝F木，ρ木V木g＋ρ鐵V鐵1g＝ρ水V木g，則 （ρ水-ρ木）V木g＝204g.

圖13

乙狀態(tài)時：G木＋G鐵2＝F木＋F鐵，ρ木V木g＋ρ鐵V鐵2g＝ρ水V鐵2g＋ρ水V木g，V鐵2g（ρ鐵-ρ水）＝204g.所以 V鐵2＝30cm3，M鐵＝234g.

總結：我們借助物理“模型”來解決浮力問題時，關鍵是建立合適的“模型”，能反映實際問題的本質.具體說，“模型”主要反映了物體在液體中的狀態(tài)和變化，而忽略物體的形狀、軟硬、甚至大小等次要問題.因此，如果我們把實際原型進行歸納，“模型”主要也就是圖2和圖6兩種，其中，圖2可以拓展出圖11的“模型”，圖6可以拓展出圖10的“模型”.在用“模型”解決實際問題時，要分清實際原型的主要特征，選擇正確的物理“模型”去解決.

問題：請為沉船打撈建立一個物理“模型”.

活動：學生討論、設計“模型”.

交流：學生在全班進行交流.

歸納：在學生討論、交流基礎上，提出沉船打撈的兩種基本“模型”.

一是沉船還在海底表面上，如圖14“模型”，B是沉船，A是浮筒.

浮筒灌滿水下放到沉船邊，栓在沉船上，放水后，浮筒浮力不變，重力下降，F(xiàn)A＋FB＞GA＋GB，沉船上升.這也是潛水艇和孔明燈的上浮原理.因為他們的上浮原理相同，所以，“模型”相同.

圖14

圖15

二是沉船已經被邊上淤泥包圍，沉船本身不僅沒有受到浮力，還受到水的壓力，如圖15“模型”，同樣的B是沉船，A是浮筒，浮筒灌滿水下放到沉船邊，栓在沉船上，放水后，浮筒浮力不變，重力下降，F(xiàn)A＝GA＋GB＋pS，其中p代表B物體上表面受到的壓強，S是上表面面積.

設計意圖：學習的目的是為了解決問題，也是物理教學的本意.本環(huán)節(jié)的目的就是希望學生認識到，運用物理“模型”解決問題時，需要選擇正確的“模型”，對于不同的實際問題，需要創(chuàng)設符合要求的“模型”.這選擇與創(chuàng)設的過程本身就是一種問題解決的方法，不同的思維方法就會有不同的選擇與創(chuàng)設，這也就是價值觀的體現(xiàn).

4 教學心得

（1）創(chuàng)設“模型”情景是教學的基礎.

復習的本意應是溫故知新，溫習舊的知識，得到新的理解和體會，提升解決實際問題的能力.溫故應達到，既能使原有知識進一步被認識，將零散的知識構建起一定的網絡，又能對錯誤認識、遺漏殘缺的知識得到補充完善.知新更應對知識產生新的認識與理解，對如何獲取該知識的方法有新的體會，并在新的認識和理解基礎上，提升運用知識和方法解決簡單實際問題的能力，將知識與方法內化在自己的知識框架中.采用“模型”的方法可以開辟一種新穎的復習形式，在復習舊知識的過程中，理解科學方法是有效的復習方法.以講浮力故事的形式引入，不僅是節(jié)約時間，引起學生的興趣和好奇心，更在于可以營造建立“模型”的課堂氛圍，突出建立“模型”應強調的條件與要求，因此，創(chuàng)設這樣的環(huán)境是教學的基礎.

（2）建立“模型”思想是本課的關鍵.

本節(jié)課的教學目標是復習有關浮力知識，并理解運用“模型”的科學方法是進行有效復習的重要途徑.如何建立“模型”、運用“模型”解決問題、拓展“模型”的思維特點就成為本節(jié)課的關鍵.

法國科學方法論學者阿雷說過：“科學的基本活動就是探索和制定模型.”模型作為一種科學方法，根據(jù)人們的抽象思維和想象力，采用理想化和純粹化的方法，能突出原型本質聯(lián)系和內在特性的一種簡化模型.利用建立模型解決問題是物理學中十分重要的研究方法，它不僅在形成正確理論的過程中起著重要的作用，也能指導人們對物理現(xiàn)象、物理規(guī)律認識上，對形成正確的價值觀有促進作用.在運用模型進行問題研究和復習時，要抓住模型的建立是對原型（研究對象和物理過程等）摒棄各種次要因素的影響，進行極度的簡化和理想化處理，突出了決定事物狀態(tài)、影響事物發(fā)展變化的本質聯(lián)系的特點，要重視對建立模型思維過程展示，重視模型與原型的對比和聯(lián)系，使學生認識模型是對原型簡化和理想化的抽象結果，是為解決問題而建立的，反過來模型可為原型提供解釋的理論基礎.在研究浮力問題中建立模型的關鍵是突出需要解決的狀態(tài)，舍棄無關的形狀、軟硬等次要因素.任何浮力模型都必須反映研究問題的本質，同一問題可以建立不同的模型.模型是解決浮力問題的一種方法，不是唯一方法.

（3）運用“模型”分析是成功的靈魂.

物理知識具有很強的聯(lián)系性，人們的記憶思維是有一定缺陷的，往往造成學了后面忘了前面，復習課可以幫助學生減少遺忘，拓展與深化有關知識，加強知識間的聯(lián)系，將新課學習中分散的概念、規(guī)律等知識系統(tǒng)化、網絡化，有利于知識的整合和條理化，便于學生建構成自己的知識框架.

運用模型方法進行浮力復習，要抓住將零碎的、易混淆的、過程不清楚等概念和問題，運用不同模型去表現(xiàn)的關鍵，突出研究最典型的模型，使學生充分認識模型反映的是哪些本質特征.分析模型與原型之間的聯(lián)系、分析運用怎樣的方法解決模型問題是教學達成目標的靈魂.要通過有目的、有計劃的模型建立與解決，深入理解各概念和規(guī)律之間的聯(lián)系和區(qū)別，豐富概念的內涵和拓展概念的外延，探索獲取有關知識和規(guī)律的途徑與方法.通過運用模型的方法進行浮力復習，要使學生樹立以物體（過程）原型為基礎的科學精神，養(yǎng)成邏輯分析的思維品質，提高選擇不同方法解決實際問題的能力，進一步認識科學的本質.