浮力与沉浮探究教具

摘要

在小学阶段，学生抽象思维能力较弱，理解浮力的概念存在困难。针对这一问题，设计一个浮力与沉浮探究教具。该教具基于等效替代法和二力平衡原理，通过分离重力和浮力的方式，直观展示浮力的作用，能有效帮助学生理解浮力的概念。该教具设计了锁止装置，可以在锁定状态下预测沉浮块的运动情况，并在解锁后观察其变化，增强了教学互动性。

Graphical abstract

关键词

浮力 / 沉浮 / 自制教具 / 锁止装置 / 教学互动

笔者在力学教学中发现，学生常有“沉入水中的物体不受浮力作用”这样的前概念。针对这一前概念，笔者采用弹簧测力计测量石块在空气和水中的受力情况，通过实验，学生发现物体在水中的受力减小，从而理解其受到了浮力。然而，即使完成了上述实验，仍有部分学生对于沉入水中的物体是否受浮力持有疑问。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）明确了义务教育阶段浮力教学的内容和要求^［1］，且科学教科书又将依据《课程标准》进行改版，面对浮力教学的复杂性和争议性，如何突破？笔者就此进行论述和分析。

1 原因分析

在水中下沉的石块受到浮力的实验中，物体在水中和空气中的测力计读数不同，学生观察到的表征是测力计读数减小，笔者的课堂解释：这是下沉的物体受到了向上的浮力，但学生的眼神是迷惑的。这意味着学生未能通过比较石头在水中和空气中受力不同的实验建构起下沉的物体也受到浮力的概念。主要原因有以下3点。

（1） 实验观察与物理表征之间的差异。学生直接观察到的是石块下沉的现象，这与他们预期的浮力方向向上相矛盾。尽管通过测量石块在空气中和水中受力的不同，学生能够理解存在某种不同的力的作用，但他们无法直接观察到浮力的表征（即向上的力）。这种观察结果与学生对浮力的直观理解不符，导致他们感到困惑。

（2） 力的概念的抽象性。力的概念具有抽象性，学生难以通过真实实验直接观察到力的大小与方向。对于在水中下沉的石块，他们需要理解合力的概念，并通过抽象思维把重力从合力中抽象分离出来，再加工形成浮力的表征，进而形成对浮力的理解，这对学生的抽象思维能力有着较高的要求。

（3） 学生认知发展的阶段性。中学生处于形式运算阶段，抽象思维能力较强，而小学高年级学生处于具体运算阶段，主要以具体形象思维为主，难以进行复杂的抽象加工^［2］。因此，小学高年级学生理解浮力概念较为困难。在教学浮力时，需要考虑学生的认知发展阶段，采用对应其认知特点的教学方法和策略。

2 教具设计原理

基于问题分析，笔者进行了实验的创新及教具研发，设计了浮力与沉浮探究教具。

2.1 核心设计原理

本教具针对小学生的具体形象思维特点，应用等效替代法和二力平衡原理。水中下沉的物体受到浮力与重力的合力，呈现形式是沉入水中，而教具将重力与浮力“分离”呈现，帮助学生直观理解浮力的作用。其核心设计原理如图1所示，在定滑轮一端悬挂等重物体，施加一个与沉入水中物体重力大小相等、方向相反的力，使其与物块重力的合力为零，这样重物块在水中受到的总合力就与浮力基本相同，也就是物块的重力、物块的浮力、与物块重力大小相等方向相反的力三者合力等效替代浮力，因此可以直观地展示浮力。

2.2 教学活动的交互性

本教具的设计充分考虑了教学的交互性，设计了锁止装置。通过锁止装置，学生可以在锁定状态下预测沉浮块的运动情况，并在解锁后观察其变化。这种设计有效增强了互动性与探究性。

2.3 适应不同教学场景的灵活性

本教具设计了演示版和简易版。演示版采用电动升降功能，但成本较高且体积较大，适合演示教学和科技馆展出；简易版能满足基本功能，成本低且携带方便，适合分组教学。

3 教具设计与结构

教具采用3D建模设计，使用3D打印件、CNC加工件、标准件及成品模块。主要结构由主支架、平衡模块和升降模块构成，并配备沉浮块组块、测力计和水槽等组件。

（1） 主支架。将3D建模的主支架零件草图导出为图纸文件，利用CNC数控机床将PVC板切割成零件，再将切割好的PVC板拼接成主支架。使用铝方管通过连接件将简易支架安装在底板上。

（2） 平衡模块。如图2所示，平衡模块为本教具核心模块，由滑轮、轴承、轴、锁止装置构成，滑轮、锁止装置使用3D建模打印而成。锁止装置采用卡扣式，使用3D建模软件建模。采用拼装方式实现锁定和解锁功能。

（3） 升降模块。在早期设计中，容器直接放置在平台上或手持，测力计也由手拉动，升降不稳定。为此，设计了升降平台和升降杆，使实验操作更加稳定。电动和手摇升降平台或升降杆均可，但在成本上有差异。

（4） 沉浮块组块。目前，市面上大多数沉浮桶都是透明的，通过内部装金属块来调节质量。然而，这却成了干扰项，一些学生对整体与局部的思辨能力不足，往往只关注空心部分，认为空气是决定性因素，而忽略了整体质量的变化。因此，沉浮块应尽量呈现单一整体，采用可调节轻重、形态简单的沉浮块，结合探究需要进行不同组合。

（5） 测力计。虽然小学生对误差有一定的理解，但误差的产生仍然会干扰他们的判断，尤其是在精确测量时。在教学实践中，高精度传感器、高精度电子测力计得出的精确数据反而不利于学生进行探究，例如轻微地摇晃、风吹，都会让测量数据不断变化。在基础的探究中，选择精度不是那么高的传统测力计更容易让学生探究本质。例如测某物块重力，由于高精度传感器过于精确，显示数值频繁变化，干扰较大，反而不如传统弹簧测力计方便。

（6） 水槽。采用普通透明水槽或亚克力水槽，在实验中如果使用水下定滑轮，滑轮槽宜加宽加深，便于操作。

4 教具教学使用说明

浮力与沉浮探究教具演示版体积大，适合演示，可作为科技馆展品；简易版便于携带，演示和分组实验均适合。在使用此教具教学前，学生先简要学习定滑轮相关内容，了解定滑轮相关原理。《课程标准》将浮力相关内容归属于物质科学领域中物质的运动与相互作用，在小学阶段要求定性认识，在中学阶段要求定量探究^［2］。基于本教具，在小学阶段开展以直观观察现象为主的直观感知浮力活动，在中学阶段开展定量测量浮力和探究下沉的物体受到的浮力和什么因素有关等活动。在实验操作时，在水中下沉的物体下沉后不会与底部完全贴合，不需要考虑物体与水底紧密接触造成浮力消失的情况。

4.1 探究能沉入水中的物体在水中是否受到浮力

如图3所示，将两个重物块分别沉入左右容器的水中，假设沉入水中的物体没有受到浮力，操控一侧容器下降时，另一侧容器内物体的沉浮状态应保持不变。如果受到浮力，则沉浮状态应产生变化。

4.2 漂浮的石头

滑轮左右重物等重。一侧放置容器，向容器中倒水，可以看到石头、铜块等能在水中下沉的物体“漂浮起来”。操控升降器抬升水槽，或者用手托着容器上下移动，重物块随着水位上升而上升，又随着水面下降而下降（图4）。

4.3 感受能在水中下沉的物体在水中受到的浮力

如图5所示，在滑轮两侧悬挂等重的重物，一侧放置有水的容器。通过用手按压重物，学生可以感受到下沉物体在水中受到的浮力。

4.4 不同液体的浮力

在滑轮左右容器中放置不同的液体，比较相同体积、相同质量的2个重物受到的浮力。用手按压浮起来的重物，感受同体积、同质量物体在不同液体中的浮力差异。

4.5 利用滑轮传导测量浮力

如图6所示，在主滑轮两侧悬挂等重物体，使用带水下定滑轮的水槽，用测力计测物体受到的浮力大小，随着物体没入水中，测力计读数逐渐增大，说明浮力增大。当物体完全进入水中继续下沉时，此时测力计读数几乎无变化。

4.6 利用作用力与反作用力法测量浮力

如图7所示，将容器放在秤上，用测力计悬挂重物，记录读数。将重物放入水中后，测力计读数变小，而秤的读数增大，两者读数相等，因为水对物体的浮力与物体对水的作用力大小相等、方向相反。

4.7 探究质量相同、体积不同的物体在水中受到的浮力

锁定滑轮，在左右两侧放置物块a、b，G_a=G_b，V_a＜V_b，将物块a、b悬挂水中。解锁滑轮，体积大的b上浮，体积小的a下沉，待平衡时可发现左右两侧排开水的体积相等。

4.8 探究体积相同、质量不同的物体在水中受到的浮力

如图8所示，锁定滑轮，左侧放置物块a，右侧放置物块b和c，且V_a=V_b，a、b都能沉入水中。左侧a，右侧b、c，且G_a=G_b+G_c。c悬挂在b上方，不入水。当解锁滑轮后，a、b都在水中，两侧平衡，浮力大小相等。

5 教具使用效果

本教具设计契合学生认知发展规律，能直观有效地呈现浮力表征；直观性好、趣味性强。在使用本教具教学时，学生看到石头从水中漂起来的时候欢欣鼓舞，甚至大喊：“漂起来了！”学生在用手向下压石头并感受石头在水中的浮力时惊叹不已。使用本教具探究浮力，能有效帮助学生建构浮力的概念，帮助学生理解“在水中下沉的物体受到浮力”“浮力的大小和什么因素有关”等关键点，为其从具体形象思维向抽象思维升级打好基础。期待这一创新实验教学方案能更好地应用于科学教育实践中。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 让·皮亚杰.教育科学与儿童心理学［M］.北京：文化教育出版社，1981.