“物体悬浮状态的探究与分析”属于人教版物理八年级下册第十章“浮力”第三节“物体的浮沉条件及应用”的重要教学内容，也是该课教学的难点之一。如何在突破教学难点、有序推进教学的同时，引导学生借助证据开展推理论证与质疑反思，切实提升创新意识与实践能力，一直是笔者思考的问题
［1］。为此，笔者设计并制作了一套无线遥控潜水艇模型，取得了较好的教学效果。
1 教学问题分析
针对“物体的浮沉条件及应用”一课的教学，实验室配备有浮沉条件演示仪（
图1），采用胶管连接塑料球与注射器，并通过推拉注射器活塞控制塑料球吸水或排水，从而控制球体的浮沉。但在实际教学中，学生常提出胶管对塑料球存在拉力作用，这与教学主题中仅分析物体受重力与浮力两个力作用的情况不符。
有教师通过将口服液瓶子倒置于盛水的密闭矿泉水瓶中，采用不同力度捏压矿泉水瓶瓶体来控制口服液瓶子的沉浮。但该方法可视性较差，后排学生难以观察口服液瓶中水量的变化，且容易使学生误认为是“捏”的原因导致了“浮沉”的结果。也有教师通过演示西瓜、番茄、鸡蛋等不同物体在盐水中漂浮、悬浮、下沉等现象分析浮沉条件。但该方法涉及的研究对象较多，难以建立各物体的重力、浮力之间的逻辑关系，易造成思维混乱。尤其是悬浮实验在教学实践中极难实现，如气压、温度、深度等因素的变化都可能使已悬浮的物体发生下沉或上浮。
为开展好“悬浮”教学，还有教师尝试调节盐水密度分层，以使鸡蛋静止于两种密度的盐水之间。该方法的主要局限在于，无法使鸡蛋停留在液体中的任意深度，即并非真正意义上的悬浮，易被观察力较强的学生识破，不利于上浮、下沉等后续教学的有序推进。更有教师仅依靠“板书作图+理论分析”进行浮沉条件的教学，缺乏真实情境支撑，严重阻碍了学生科学思维的发展。
2 设计思路及原理说明
为解决上述教学问题，笔者尝试用玻璃瓶制作一套无线遥控潜水艇模型。该模型通过遥控开关发射无线电信号，控制减速电动机驱动注射器手柄缓慢吸水或排水，从而改变玻璃瓶（潜水艇模型）的重力大小，进而调节重力与浮力之间的关系，实现悬浮、上浮、漂浮、下沉、沉底。在此基础上，引导学生基于现象提出观点，运用力与运动的相关知识，对现象进行综合分析、推理论证，并对不同观点进行质疑与批判，提出检验与修正的方法，得出正确的解释，从而促进学生科学思维的发展。
3 制作材料及制作过程
3.1 材料准备
900 mL带密封盖的米酒玻璃瓶1个，长200 mm、宽40 mm、厚10 mm木板1块，30 mL注射器1支，长200 mm、内径约4 mm胶管1根，高300 mm、内径110 mm盛液筒，钩码或石块若干。网购材料：工作电压12 V的直流减速电动机1个，工作电压3~12 V的遥控开关发射器和正反转控制器1套，带充电和供电接头的12 V三角形18650锂电池1块。
3.2 加工材料及组装装置
（1） 测出米酒玻璃瓶内腔高度为195 mm，据此裁切小木板长度为170 mm。根据减速电机的螺杆长度（55 mm），裁取注射器带活塞部分的手柄长70 mm。在离手柄末端6 mm处的中央十字处开槽，卡入螺母，并用铁丝将螺母箍紧在手柄上，确保电动机在工作时螺母不会松动或脱落，如
图2所示。另裁取注射器带针孔部分的筒长80 mm，备用。
（2） 取一小段可插入软胶管的塑料硬管（如圆珠笔芯），依据其外径在瓶盖上钻孔，再将该硬管插入孔中，如
图3所示。在硬管两端分别套入一小段软管（也可以用纸巾缠绕硬管替代软管），以便将硬管夹紧于瓶盖上。随后，在瓶盖与硬管接触的缝隙两面均滴加502胶水，待胶水凝固后可重复滴加多次，确保接口处不漏水。
（3） 将装好螺母的活塞柄旋入减速电机的螺杆（刚好旋入即可），再把活塞插入80 mm长的注射器筒身底部。将三者置于木板中央合适位置后，分别在筒身与电机的前端、末端及侧面用笔标记后开合适大小的孔，再用螺钉和细铁丝把筒身和电机固定在木板上。
（4） 按照电路要求，将无线正反转控制器、12 V电池与电机正确连接。接通电路进行测试，确保按下开关的“向下”按钮时活塞执行“吸水”动作，按下开关的“向上”按钮时活塞执行“排水”动作。用502胶水将充电口粘于木板末端，方便开盖后充电。最后，用胶管将注射器针口与硬塑料管连接在一起。主体装置如
图4所示。
3.3 调试运行
将上述主体装置放入玻璃瓶中，旋紧瓶盖，将瓶子倒置，使入水口浸在水中；按下遥控器上的“向下”按钮，使注射器吸入约1/2管体积的水。用电子秤测出瓶和装置的总质量为m1，再将盛液筒置于空盆中；向盛液筒内注满水，然后将玻璃瓶缓慢放入盛液筒中，并用手指将其按压至恰好完全浸没；待不再有水溢出后，取出盛液筒和玻璃瓶，用电子秤测出盆中水的质量m2（盆质量已清零），即瓶子完全浸没时排开水的质量为m2。根据悬浮条件则有：当瓶及装置总质量也为m2时，可实现悬浮。
取出玻璃瓶，打开瓶盖，并向瓶中加入质量为
m2-
m1的钩码（可通过增减硬币或铁钉等进行微调）；通过遥控器控制活塞的排水和吸水，瓶子即可实现上浮和下沉；耐心调节遥控开关，控制活塞伸缩以微调进入针管的水量，当整个瓶子能在水中任意位置保持悬浮状态至少10 s时，即调试成功；最后，将钩码等重物固定在靠近盖子一端的木板上，确保瓶子悬浮时不发生倾斜，如
图5所示。
4 注意事项
仪器主体为玻璃结构且内含电路，故使用时应注意以下几点。
（1） 由于电池、电动机等器材需装入瓶内并浸入水中，所以教师在将瓶子放入水中前，务必检查瓶盖与水管连接处、瓶盖与瓶身之间是否漏水。如漏水，则应排除故障后再使用；若无法查明原因，则要采用预案。
（2） 为了方便玻璃瓶在漂浮时重新下沉，应将瓶盖朝下放置，确保出入水口始终浸没在水中。
（3） 为保持玻璃瓶在盛液筒内的竖立状态，防止演示过程中与容器壁摩擦导致实验失败，在移动和使用瓶子时，应使瓶内钩码等配重物尽量靠近瓶盖一端。
（4） 授课前，应检查锂电池与遥控器的电量，确保电量充足，避免因仪器断电导致实验失败。
5 教具创新点
5.1 运用新技术
运用多媒体技术同步特写，便于学生观察潜水艇模型内注射器的吸、排水情况。通过无线遥控开关，可以遥控玻璃瓶（潜水艇模型）内的减速电动机正转或反转，实现注射器吸水或排水，从而改变重力来改变浮沉条件。
5.2 解决教学中的困惑
常规的“悬浮”教学通常采用将鸡蛋放入盐水的方式，但要实现鸡蛋悬浮比较困难；而使用实验室的浮球进行实验时，又存在连管对浮球的额外拉力干扰。上述创新实验可通过减速电机的螺杆驱动注射器，在吸水或排水的过程中对玻璃瓶（潜水艇模型）的重力进行微调，从而实现真正的“悬浮”，即“浸没在液体中的物体，浮力等于重力时，物体受力平衡，可以悬浮在液体内任何地方”，解决了悬浮教学的困惑。
5.3 安全耐用，成本低
电池、遥控开关、减速电机、玻璃瓶等材料都可以通过网购获得。材料坚固耐用，操作安全简单，而且成本较低。其他的辅助材料均可通过实验室获得，取材方便。
5.4 教学成效显著
利用遥控注射器实现自动吸水、排水，可以方便地改变玻璃瓶（潜水艇模型）的重力大小，从而有序、高效地演示悬浮、上浮、漂浮、下沉、沉底等现象，调动学生学习的积极性，显著提升课堂参与度。
6 教具使用效果
教师先把玻璃瓶（潜水艇模型）调至悬浮状态（创设真实的实验情境），逐步实施教学路径：悬浮→上浮→漂浮→下沉→沉底。在各环节教学中，教师可引导学生观察潜水艇模型的运动状态（观察法、分析法），通过问题驱动学生进行受力分析（启发式、模型建构），说出依据（推理法、证据法），得出相应的结论（论证法、质疑法），促进学生进行科学思维，逐步形成基于证据进行推理论证的科学思维习惯。通过遥控潜水艇模型创设连续的浮沉教学情境，确保了教学目标的顺利完成，推动教学层层递进；同时，借助可观察的现象链，帮助学生系统建构浮力知识网络，促进其对力与运动关系的深度理解与内化。
7 结语
通过反思过去教学中的问题，设计并制作创新教具，以创新器材实施教学，解决了传统器材的教学局限性，增强了实验教学的趣味性和吸引力，提高了实验教学的质量和效果。教师自制教具的教学行为，为学生树立了榜样，增进了师生情感，培养了学生的劳动意识、科学思维和创新意识，有助于促进学生形成用生活中常见物品结合工程实践经验解决物理问题的跨学科实践意识。
实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径
［2］。中小学校要针对不同学段教学要求，精心设计实验教学内容，开展好基础性实验和拓展性实验（含探究性、创新性、综合性等实验）
［3］。运用该教具实施教学实践的案例经打磨提炼后，由笔者用于2024年10月在昆明举办的第十届全国中小学实验教学说课活动，并荣获“2024年度全国中小学实验教学能手”。事实充分证明，探索和创新教学途径并不断实践，可有效促进教师专业能力的提升。
2024年广州市教育科学规划课题“核心素养导向的初中物理跨学科实践教学实施研究”(202316625)
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