试析“沉浮”内容中学生的概念发展路径

一、课程标准中的相关要求

科学课程标准关于“沉浮”概念的要求涉及核心概念“物质的结构与性质”和“物质的运动与相互作用”，它对5～6年级学生的具体要求如下。

能说明常见材料在水中的沉浮现象及其用途（1）；

能比较和分析常见材料在水中的沉浮现象（2）；

能利用控制变量的方法设计方案并操作，探究不同材料在水中的沉浮现象（3）；

知道日常生活中常见的摩擦力、弹力、浮力等都是直接施加在物体上的力（4）。

目标（1）和（4）比较容易达成，例如：学生看图片回忆生活中的物品，讨论材料的沉浮和用途就可以达成目标（1）。学生利用测力计先后在空气和水中提起同一石块，比较力的大小，可以发现物体只有在水中才会受到水的浮力，而且无论沉或浮，只要物体在水中就会受到浮力的作用，这样就可以达成目标（4）。目标（2）和（3）比较难达成，因为控制变量和对比分析对小学生来说是难点，不管是设计实验还是根据实验现象总结归纳，都有一定的挑战性。

二、用“预测”代替“影响”来建构概念

为了帮助学生应对这个挑战，苏教版教材中将空心塑料球和橡皮泥组合起来，先后研究“体积相同、质量不同的物体的沉浮状态”和“质量相同、体积不同的物体的沉浮状态”，从而让学生发现哪些因素会影响物体的沉浮状态。

这样的实验材料是有结构的，但所提炼的问题值得商榷。我们知道，物体是沉是浮取决于其受力情况，即：该物体所受重力和浮力大小相比较的结果决定其在液体中的沉浮。教材中的实验材料是特殊的组合材料，离开了这个前提，说“物体的质量影响它的沉浮”就不太合适。一般情况下，普通物体不大可能只改变它的质量而不改变其体积。同理，除了橡皮泥等很容易改变形状的材料之外，常见的材料也不大可能只改变它的体积而不改变它的质量。

为什么苏教版教材要引导学生得出质量和体积会影响物体的沉浮状态呢？因为课程标准要求学生能比较和分析常见材料在水中的沉浮现象，这里的“常见材料”暗示着不同密度的物体，学生在知道“密度”概念之前，适合以相同体积比质量或者相同质量比体积的方式来理解不同材料的沉浮结果。这个大方向是对的，但提问方式容易埋下概念错误的隐患。常见物体的密度既定，质量和体积一般只会发生等比例的改变，如果不做特殊的加工处理，它在某种确定液体中的沉浮结果也是不变的。例如，一整个土豆在水中是沉的，即便把它切成土豆片也是沉的。所以，“质量和体积会影响物体的沉浮状态”这样的概念并不能帮助学生解释类似的现象。

如此分析后我们可以发现，如果从生活经验和直觉的角度去思考影响物体沉浮状态的因素，其实是很难得出质量和体积影响物体沉浮的结论的。像人教鄂教版教材“物体的沉浮和哪些因素有关”这样的表述要稍好一些，但说“沉浮与质量及体积有关”也不是很准确。从科学分析的角度来看，沉浮状态还是和密度有关。

在小学阶段研究沉浮问题究竟要得出什么样的结论才能既维护科学正确，又便于学生理解呢？我认为，表述为“哪些属性有助于预测物体在水中的沉浮”比较合适，意思是考查和比较哪些物理属性有助于学生预判物体的沉浮。预测这个词学生能理解，而且是在下面提到的实验中学生要反复进行的思维活动。既然受力情况才是真正影响物体沉浮状态的因素，那其他的物理量就应该被理解为可以用来预测物体沉浮的因素，如综合考虑物体的质量和体积才能预测其在水中的沉浮状态。

三、借助SOLO分类理论考查科学思维发展

关于浮力的探究涉及控制变量的方法，需要运用高阶思维，所以课程标准将相关内容目标放在5～6年级是比较合适的。众多教材都设计了对比实验，其中一个实验是比较体积相同、质量不同物体的沉浮情况，其结果符合大多数学生的预测；另一个实验是比较质量相同、体积不同物体的沉浮情况，其结果与部分学生的预测有冲突。有的学生认为大的物体更容易沉，有的学生认为物体的质量相同时，不管体积如何，沉浮结果都一样。学生将生活中常见的材料组合后再实验，部分符合自己的预测，另一部分却出乎意料，这种既熟悉又陌生的情况能激发他们强烈的探究欲，推动他们思维的发展。

怎么考查学生的思维发展情况呢？SOLO（Structure of the Observed Learning Outcome，意为可观察的学习结果的结构）分类理论就很适合用来设计相关评价指标。教师可以利用该理论判断学生在回答某一具体问题时的思维结构处于哪一层次，是无序还是有序，是具体还是抽象，是单维还是多维。

具体来说，SOLO分类理论的创立者比格斯从量（学习要点的数量）和质（如何建构学习要点）两个方面把学生的学习结果分为五个层次，各个层次及其表现如下。

前结构层次：无法理解和解决问题，或者被材料中的无关内容误导，回答问题时逻辑混乱。

单点结构层次：只能涉及单一的要点，单凭一条线索就得出结论。

多点结构层次：能联系多个要点，但这些要点是相互孤立的，未形成相关问题的知识网络。

关联结构层次：能够抓住问题的多个要点，并能将这些要点联系起来，真正理解该问题。

拓展抽象结构层次：能够进行抽象概括，从理论的高度分析问题，而且能够深化问题，使问题本身的意义得到拓展。

据此，教师可以设计有关沉浮问题的思维发展评价指标（见表1）。

有了上述评价指标，教师就可以根据学生的相关表现判断其思维发展层次。在学习之前，相当一部分学生的思维可能处在单点结构层次，经过在课堂上对蜡烛、石块、木头、羽毛等物体沉浮现象的观察和讨论，他们的思维逐渐向多点结构层次发展。而要想真正让他们的思维提升到关联结构层次，还得靠控制变量的实验来实现。根据课程标准要求，在探究不同材料沉浮现象的活动中，学生的思维只要能达到关联结构层次水平就可以了。对于可能达到拓展抽象结构层次水平的个别学生，教师应予以肯定，但不需要刻意引导其他学生达成。

教师借助上述评价指标，结合学生课堂上的表现判断其思维发展水平，并据此搭建合适的教学“脚手架”，能保证教学的有效性。

四、巧用悬浮材料搭建思维“脚手架”

苏教版教材在利用控制变量研究物体沉浮现象的实验中采用空心球这一材料，此设计很巧妙，因为学生可以很方便地改变空心球的质量（如图1）。此外，教材在提示中要求学生先预测三个球的沉浮状态是否一样，目的在于激发他们的科学思维。这一步骤非常必要，但问题也随之而来：在此情境中，沉浮状态是不好准确预测的。学生既不能直观地看到小球的轻重关系，也不知道到底有几个球会浮，不能排除三个都沉，或三个都浮的可能。

人教鄂教版教材在这个环节使用的材料能解决部分问题，它用的是装有染色水的透明药瓶和装有不同数量弹珠的气球。这种贴近学生生活的创意可谓独具匠心（如图2）：透明药瓶能让学生一看就知道材料之间的质量差异，气球里相同的弹珠数量也容易被看清。

我们不妨融合两个版本教材的优点，用透明药瓶和“气球—弹珠”组合材料，每组采用三个等级，且巧用悬浮现象。即：调整三个药瓶的质量梯度，使得中等质量的那个药瓶正好悬浮，然后让学生预测另外两个药瓶在水中是沉还是浮（如图3）。这时预测就变得有据可依：只要比悬浮的那个瓶子轻一点就会漂浮，重一点的就会沉在水底。同理，教师也可以巧妙把握大小居中的带弹珠气球的吹气量，使其正好悬浮在水中，随后让学生预测更小的和更大的带弹珠气球放入水中是沉还是浮。

五、在变化的情境和反思中强化概念

即便有了合适的材料和正确的导向，浮力的教学还是不太容易。学生初步建构了科学概念之后，还要在变化的情境中灵活运用，这样才能夯实他们对概念的理解。

苏教版教材中拓展应用的环节是，让A4纸在水中承载更多的硬币，但这样牵涉到的变量太多，如从平面到立体的形状变化，纸张吸水性的影响等，且费时较长，在课堂上完不成。故事“曹冲称象”引入了传统文化固然很好，但学生只能若有所悟，很难解释清楚。这个故事中，曹冲利用了等效替代的方法，想到船前后两次排开水的体积相同时受到的浮力也相同。静止漂浮说明船受力平衡，此时船和石头的总重量等于船和大象的总重量，用可分割的石头替代不可分割的大象，最后分开称重求和，这无疑是非常聪明的做法。但是学生不知道浮力的大小与排开水的体积的关系，也不知道受力平衡的条件。因此，对这个故事的分析也就只能到“与浮力有关”为止，受到的启发有限。

对此，教师可以换用生活中的常见材料，通过演示实验让学生巩固概念。

例如，教师先出示一个苹果块，放入水中，待其漂浮稳定后，让学生说说观察到的现象。学生说完后，教师继续出示一个完整的苹果，让学生预测放入水中会怎样并问他们为什么这么预测。学生验证后，请他们解释为什么那么大的苹果在水中仍然会浮起来。

在实验过程中，掌握得比较好的学生能预测出完整的苹果也是浮在水面上的并说出理由：虽然完整的苹果质量更大，但体积也变大了。掌握不太好的学生可能会预测错误，教师可以在实验后向他们解释：完整苹果和苹果片相比，质量和体积在相同程度地增加，所以沉浮情况相同。

学生通常好奇且不理解铁船为什么能浮在水面上，尽管这个现象他们经常见到。虽然船用了铁这种相对大密度的材料，但通过改变形状增大其包围的体积（排开水的体积）后，船也能浮起来。为了帮助他们理解，教师可以引入学生比较熟悉的材料——橡皮泥，具体做法如下。

首先，教师出示橡皮泥，放入水中，让学生观察其沉下去的现象，然后提问：“有没有办法让橡皮泥在水中浮起来？”学生可能提到借助漂浮物或在水中加盐的方法，教师可以演示，重点是将橡皮泥捏成空心包子状后放入水中，让学生观察其沉浮情况，并解释原因——橡皮泥的质量没有变，但是总体积变大了，原本下沉的橡皮泥浮了起来。

然后，教师将空心包子状的橡皮泥（用稍微硬一点的橡皮泥比较好）剖成两半，让学生预测放入水中后是沉还是浮。教师先演示实验，再带着学生讨论为什么船形的橡皮泥一样会浮——和包子状的橡皮泥相比，体积减小了一半，质量也减小了一半，结果还是一样。迁移：铁块放入水中会沉，但是做成有船舱的轮船就能浮起来，这是为什么——质量不变的情况下，总体积增大了。

最后，教师可以问学生在研究浮力的这节课上有什么收获，有没有什么观点改变了以及为什么改变自己的观点。这既引导学生回顾了概念转变的过程，强化了新概念，又达成了课程标准中的学业要求“认识到要基于证据得出结论，面对有说服力的证据时能调整自己的观点”，培养了他们的科学态度。

小结

学生在小学阶段探究耐人寻味的“沉浮”问题，是为初中深入学习抽象的浮力概念积累感性经验。对于该内容的教学，教师既不能讲得太深，又要让学生有所悟，并能够在现有的思维水平下合理解释一些现象。这是小学科学课经常会面临的难题，教师只有认真研究课程标准和学生的学情，才能实现平衡。