以自制“变形体”教具优化物体浮沉条件教学

摘要

针对“物体的浮与沉”实验存在的教具分散、变量不连贯等问题，基于控制变量法的实验设计思想与具身认知理论的学习观，自制可嵌套伸缩的透明“变形体”实验教具。该装置可通过单一对象连续调控排开液体的体积、液体密度及物体质量，实现物体在液体中漂浮、悬浮、沉底3种状态的连续切换。在初二年级3个平行班（共120名学生）的教学实践中，该教具使学生对控制变量法的理解准确率提升27%，实验探究效率提高40%。教学实践表明，该教具结构简单（成本低于5元）、现象明显，可有效外化控制变量思维，提升探究效率，并强化知识与生活的联系，为初中物理低成本创新实验教具的开发与应用提供了可借鉴的范式。

Graphical abstract

关键词

自制教具 / 物体浮沉 / 变形体 / 控制变量法 / 初中物理

在物理学科教学中，实验是培养学生科学探究能力、深化物理概念理解的关键环节。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）着重强调“科学探究”核心素养，要求学生在探究过程中基于证据得出结论，尤其注重对控制变量法等科学方法的深度理解与应用。物体浮沉条件作为初中物理的重要知识点，其教学对于学生构建浮力相关知识体系、提升科学探究能力具有重要意义。

1 教材及实验教具的分析与思考

1.1 苏科版教材分析

苏科版物理八年级下册第九章第5节“物体的浮与沉”，通过改变橡皮泥、苹果、蜡块、小玻璃瓶、钉子、螺母等物品浮沉状态的学生活动来探究物体浮沉条件^［1］，随后结合图像与文字说明归纳出物体浮沉的条件。但在图示分析过程中，教材未充分呈现物体下沉的过程。另外，教材中设计的学生活动固然开放性高，有利于激发学生的创新思维，可其归纳总结部分略显简单，研究对象被笼统抽象地表述为“物体”，缺乏对教师开展实验教学的具体指导，不利于学生形成具象化思维。结合《课标》对“科学探究”核心素养的要求（强调“基于证据得出结论”），其教材内容难以支撑学生对控制变量法的深度理解。

1.2 现有实验教具分析

针对探究物体浮沉条件的实验，实验室并没有现成的套装器材，相近的是潜水艇原理模型。笔者通过网络检索发现，一些文章给出了改进教具后的实验方案^［2-6］。

例如，在改变物体排开液体体积进行实验时，自制了如图1所示的教具。方法是：在一只气球里放配重物体，再用塑料管连接到注射器上，接口处用橡皮筋扎紧；通过注射器向气球内充气或抽气，改变物体排开液体的体积V_排，从而改变浮力的大小F_浮，进而改变物体在液体里的浮沉状态。其操作示意图如图2所示。

在改变液体密度进行实验时，首先将鸡蛋放入清水中，它会沉在水底。接着向水中加入食盐并搅拌，水的密度变大，可以看到鸡蛋上浮；再加清水后，鸡蛋又会下沉。这就实现了改变液体的密度ρ_液，使物体上浮或下沉。

在改变物体质量进行实验时，自制了如图3所示的教具。利用注射器压入或抽出玻璃瓶中的空气，使玻璃瓶中的水排出或进入。这就改变了玻璃瓶与水的总质量m_物，使重力G_物变大或变小，可以看到玻璃瓶上浮或下沉。这就实现了改变物体受到的重力，使物体上浮或下沉。

以上用3套自制器材完成浮沉条件教学，研究对象分别为气球、鸡蛋、玻璃瓶，对象不一致，虽现象明显，但器材种类多，既不利教师准备实验，也影响学生学习的便利性。

也有采用3D建模设计的教具方案，结合3D打印件、CNC加工件、标准件及成品模块进行组装^［7］，主要包括主支架、平衡模块、升降模块、浮沉块组块、测力计及水槽等组件（图4）。该教具对材料与工艺要求高，且提前引入了初三阶段才会学习的滑轮知识，无形中增加了学生的学习难度。

1.3 关于改进教具的思考

笔者的思考是：首先，应将教材中抽象的“物体”具体化到实物，便于教师的教和学生的学；其次，将原有的改进教具从多种教具组合精简为一种教具，贯穿探究物体排开液体的体积、液体密度、物体质量3个步骤，既保证教学的连贯性，又便于突破教学重难点。

2 自制“变形体”实验教具的介绍

2.1 自制“变形体”教具的设计思路

针对教材实验及现有教具改进中存在的不足，笔者基于苏科版教材与《课标》的研究，提出如下设计思路。首先，在实验过程中尽可能使用同一物体作为研究对象，以增强变量的可控性与实验的连贯性；其次，该物体在同种液体中能够实现漂浮、悬浮、沉底3种状态的随意调整；第三，实验教具操作简单、现象明显，可以在提高课堂效率的同时，降低学生的学习难度。

2.2 “变形体”教具的制作

（1） 制作可嵌套立方体。利用透明塑料板，自制甲、乙两个立方体形状的空盒，边长分别为8.00 cm和7.96 cm，甲、乙两个立方体均有一面为镂空设计，便于嵌套与观察内部情况，如图5所示。

（2） 将两个立方体按照图6所示的方式进行嵌套组合，可以将乙盒嵌套进入甲盒中，并能实现任意伸缩，达到“变形”的效果。

（3） 在甲乙两个立方体嵌套的接缝处，捆绑上直径约为1 mm的橡皮筋作为密封条（图6），目的是当此“变形体”浸入水中后防止水进入甲盒的内部空腔。

3 自制“变形体”实验教具的应用

3.1 实验准备

根据控制变量法设计实验方案，探究物体浮沉的条件。准备透明水槽（开口较大、深度约为20 cm）、适量的清水和浓盐水、细沙、砝码（1 g）若干。

3.2 实验过程

（1） 在甲盒中装入适量细沙和砝码若干，再将甲、乙盒完全嵌套为一个长方体，使其浸没在水中后能保持悬浮（图7）。通过二力平衡知识分析得出：悬浮时，F_浮=G_物。

（2） 在步骤①的基础上将乙盒向外抽出（图7），使得“变形体”的体积变大，导致其V_排变大。根据阿基米德原理F_浮=ρ_液V_排g，当ρ_液不变时，V_排变大导致F_浮变大，并且F_浮>G_物，可以观察到物体会上浮。

（3） 在步骤①的基础上，使得“变形体”浸没在装有浓盐水的水槽中，导致ρ_液变大。根据阿基米德原理F_浮=ρ_液V_排g，当V_排不变时，ρ_液变大导致F_浮变大，并且F_浮>G_物，可以观察到物体会上浮。

（4） 在步骤①的基础上，减少“变形体”的内部砝码，导致G_物变小。根据阿基米德原理F_浮=ρ_液V_排g，此时ρ_液、V_排都没有发生变化，所以F_浮大小不变，但此时G_物变小，所以F_浮>G_物，可以观察到物体会上浮。

（5） 在步骤①的基础上，增多“变形体”的内部砝码，导致G_物变大（图8）。根据阿基米德原理F_浮=ρ_液V_排g，此时ρ_液、V_排都没有发生变化，所以F_浮大小不变，但此时G_物变大，所以F_浮<G_物，可以观察到物体会下沉。

3.3 自制教具的实验效果

使用自制的“变形体”教具完成实验，现象明显，便于操作。利用这套教具很容易就能得出改变物体的浮沉状态就是通过改变浮力或物体自重两条途径来实现的。当F_浮>G_物，物体会上浮；当F_浮<G_物，物体会下沉。

4 自制“变形体”实验教具的优点与教学价值

4.1 自制“变形体”实验教具的优点

（1） 相较于传统实验方案，该教具在“结构化、操作化、经济化”3个维度上实现了显著提升。首先，它采用“一物贯穿”的设计逻辑：从悬浮基准态出发，通过单一研究对象——透明嵌套立方体的连续变形，即可分别呈现“排开液体体积、液体密度、物体质量”3种变量对浮沉状态的影响。这种设计有效解决了以往实验因频繁更换研究载体（如气球、鸡蛋、玻璃瓶）而导致的认知断层，学生在整个探究过程中始终聚焦于同一物体的结构变化，思维路径连贯，概念迁移自然。

（2） 教具的操作路径高度集约化。实验时，仅需完成3项核心动作：抽拉内层立方体以改变V_排、替换清水与浓盐水以改变ρ_液、增减砝码以改变G_物，即可连续观察到“悬浮→上浮→下沉”的完整序列。这种“三变一不变”的操作范式，既压缩了课堂的时间成本，又将实验现象以放大、定格、再放大的节奏呈现，强化了学生对变量与结果之间因果关系的即时感知。

（3） 教具的经济性与普及性突出。主体材料为透明亚克力板与橡皮筋，成本低，无需3D打印、CNC等高门槛工艺，普通教师利用美工刀与胶水即可完成制作。其轻量化、模块化的结构亦便于分组实验及家庭作业的延伸探究，显著降低了实验教学的硬件门槛。其与现有教具的对比见表1。

4.2 自制“变形体”实验教具的教学价值

（1） 科学思维的显性化培育。

教具将“控制变量法”从隐性实验要求转化为显性操作步骤。当固定ρ_液与G_物，仅抽拉立方体改变V_排时，不再被动接受“浮力与排开液体体积有关”的结论，而是通过“悬浮临界点”的视觉锚定，自主发现“V_排增大→F_浮增大→物体上浮”的定量关系。通过可观察、可复现的实验过程转化为具象经验，为后续的物理学习奠定了方法论基础。

（2） 探究素养的螺旋式提升。

该教具提供了充分的自主操作空间，从调整细沙和砝码使物体悬浮，到抽拉“变形体”改变体积、更换液体改变密度，都可自主设计实验步骤、观察现象并分析原因。这一过程经历了提出问题、设计方案、实施实验、得出结论的探究流程，有利于养成“基于证据推导结论”的科学探究习惯，激发学生的主动性与创造性。教学实践表明，学生设计对照实验的正确率从32%升至89%。

“变形体”的浮沉原理与生活中潜水艇（通过改变自身重力实现浮沉）、轮船（通过改变排开液体体积实现漂浮）等现象直接关联。通过操作教具理解“改变V_排、ρ_液、G_物可调控浮沉”，能自然联想到生活中的同类现象，如“为什么轮船能漂浮在水面？”“潜水艇如何实现下潜与上浮？”。教学后测显示，能解释上述现象的学生比例从45%提升至82%。这种“从实验到生活”的迁移，不仅加深了学生对理论知识的理解，还能让学生体会物理知识的实用价值，培养其将知识应用于解释实际问题的意识与能力。

5 结语

“物体的浮与沉”之所以成为初二物理的难点，并不在于知识点本身的繁难，而在于学生难以把“浮力与重力的大小较量”转化为可感知、可调控、可反复验证的经验。传统课堂或用多套器材轮番上阵，或用抽象图示一笔带过，结果常常把鲜活的物理情境切割成碎片，使学生的认知停留于“记住结论”而非“生成理解”。

笔者自制的“变形体”实验教具，正是对以上症结的一次系统性回应。它以“同一物体、三种变量、连续变形”为设计主线，将浮力概念的关键要素：排开液体的体积、液体密度、物体自身重力，全部封装进一个透明立方体之中。学生只需完成“抽拉、换液、增减砝码”这3个极简动作，便能在短时间内经历“悬浮、上浮、下沉”的完整过程，既降低了教师的准备负荷，也为学生提供了低门槛、高自主的探究平台。

该教具的局限性在于：用于密封的橡皮筋在长期（如累计使用超过50次实验）使用后，可能因老化而发生渗漏。对此，后续可将其优化为硅胶密封圈，以提升装置的耐用性。此外，目前仅能实现“悬浮→上浮”“悬浮→下沉”的单向调控，未来可设计双向伸缩结构，实现“漂浮→悬浮→沉底”的全范围切换。

参考文献

[1] 刘炳昇，李容.义务教育教科书物理八年级下册［M］.南京：江苏凤凰科学技术出版社，2025.

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[4] 曹宏.中学物理教学设计的多样化探析：对“物体浮沉条件”的教学思考［J］.物理教师，2015，36（03）：38-42.

[5] 熊素平.STEM教育融入物理课堂教学活动的探讨：以“浮沉条件及应用”为例［J］.物理通报，2021（S1）：34-36.

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[7] 刘郑辰.浮力与沉浮探究教具［J］.实验教学与仪器，2025，42（03）：104-106.