沉浮问题在小学阶段如何处理

赵龙 袁辉 蔡建平

一、课标分析

1．现行课标分析

2001年版小学科学课程标准（实验稿），有关沉浮方面的要求如下：

物体与物质之二：材料的性质与用途

由此可见，现行课程标准在认识材料的沉浮问题上要求上比较浅（没有到“密度”概念的层次）；在“知道浮力”的要求上可浅可深，浅者为知道浮力是一种水对物体向上的托力，深者为知道影响物体沉浮的原因究竟是什么。

2．课标修订情况分析

2010年，韦钰院士主持了小学科学课程标准修订，其有关沉浮方面的要求如下（三栏依次为分解概念、举例、学习内容目标）：

韦院士在其博客中有如下意见：

物体在水里沉与浮，涉及密度的概念。密度的概念是很重要的，又是很难建立的。看过《居里夫人的科学课》这本书的朋友可以发现，居里夫人花了很大的精力去帮助学生建立密度的概念。

很多课是让学生用橡皮泥来做沉与浮的实验：先让学生把一团橡皮泥丢到水里，看橡皮泥沉入水底了，教师让学生把橡皮泥捏成扁平形状，橡皮泥就可以浮在水上了。这实际上在加强学生一个错误的前概念——物体的形状决定沉浮。

韦院士的意见可以概括为：物体的沉浮涉及密度，但密度概念太难；橡皮泥改变形状影响沉浮，对物体沉浮涉及密度的科学概念的形成不利。

二、各教材关于沉浮的处理

1．对照课标作浅要求

对应课标“知道一些生活中常见的力，如……浮力……”，作浅要求（未探究沉浮原因）的教材，有：湘版三年级《浮与沉》，青岛版三年级《有趣的浮沉现象》《改变浮和沉》，苏教版三年级《神奇的水》中的一个活动——“会‘托举’的水”，大象版三年级《沉与浮》，冀人版三年级《浮与沉》，鄂教版四年级《玩“潜水艇”》《沉浮的秘密》”，粤教科技版三年级《使沉在水里的物体浮起来》《认识船》。

这些教材都只是让学生知道物体有沉有浮，浮力是一种水对物体向上的托力，沉浮可以改变。

2．对照课标作深要求

对应课标“知道一些生活中常见的力，如……浮力……”，作深要求（探究沉浮原因）的教科版教材，在五年级设立了《沉和浮》单元，该单元有8课：

第1课物体在水中是沉还是浮

讲材料的沉浮性，同样的材料不因分割、堆积、连接等原因而改变沉浮性，即：材料的沉浮与材料的轻重、体积没有关系，

第2课沉浮与什么因素有关

讲物体的沉浮性，指出要研究物体的沉浮，应该走控制变量的思路，即：相同重量下比体积、相同体积下比重量。

第3课橡皮泥在水中的沉浮

以橡皮泥为例，讲物体的沉浮是可以改变的，这需要改变物体排开的水量。

第4课造一艘小船

上节课的应用。

第5课浮力

用上浮的物体（如泡沫块），感受浮力是水对它的向上托的力，知道浮在水上的物体之所以能浮，是因为受到了浮力。将泡沫块拉入水中的过程，排水量增加，浮力增大；不同大小的泡沫块都拉入水中，排水量越大，所受浮力越大。

第6课下沉的物体会受到水的浮力吗

知道下沉的物体（如石块）也受到了浮力。石块沉入水中的过程，排水量增加，浮力增大；不同大小的石块都沉入水中，排水量越大，所受浮力越大。

第7课马铃薯在液体中的沉浮

讲改变液体（密度），会影响物体的沉浮。

第8课探索马铃薯沉浮的原因

测量液体改变（密度）后，排开的相同量的不同液体的重量不同，引起了浮力不同。进一步说明材料的沉浮性，实质上是密度的比较。

三、我们的思考

学生很喜欢水，也喜欢把不同的材料放在水里，观察它们是沉还是浮。同时，他们必然产生大量的问题，其中最明显的就是“物体为什么在水中有的沉有的浮，到底是什么决定了物体的沉浮？”所以，对这个问题的探究还是有必要的。

物体沉浮问题，从表面上看，变量比较复杂，影响的因素很多，如自重、体积、材料、水（或盐水等）的密度、实心还是空心，等等。

材料沉浮问题是由密度来决定的。可是，教学中经常出现用各种材料作比较，如相同重量比体积、相同体积比重量，就是做不到某种材料与水之间的比较，因为小学生对这一点几乎无法理解。

物体的沉浮真的涉及密度么？

物体的沉浮只取决于物体受到的重力与所受到浮力大小的比较。物体自重不变，决定浮力大小的因素只有一条：排水量。

我们认为，可以从浮力方面人手，以“排水量”简洁、直接地解决这个问题，尽量避免纷繁复杂的多变量多因素（非本质的）绕来绕去，尤其应该避免在“材料的沉浮”与“物体的沉浮”之间绕来绕去。

物体的沉浮与材料的沉浮是两个概念，应该清晰地区别开来。

基于此，我们设想了物体的沉浮问题在小学阶段探究的三大步骤：

1．认识浮力，初步探究一种特殊状态下的浮力大小

(1)认识浮力，知道浮力是水对浮在水上的物体的一种向上托的力。可以用向下压水中的气球、泡沫块等方法感受并归纳。

(2)用实验认识在水中下沉物体也受到了浮力。知道浮力是水对物体的一种向上托的力。

(3)通过实验知道，下沉在水中不同深度的同一物体（其排水量不变），所受到的浮力一样的。

2．探究浮力与物体浸入水中体积（排开水的体积）大小的关系

(1)探究在水中下沉的物体（如砖块），在浸入水中体积不同时，浮力的变化情况。例如，物体未浸入水中时，浮力为零；浸人体积分别为1/4、1/3、1/2、2/3时，浮力如何变化；全面浸入后，不论沉入水中深浅，排开水的体积不变，浮力不变。

(2)探究浮在水上的物体（如泡沫块、气球），在浸入水中体积不同时，浮力的变化情况。例如，物体未浸入水中时，浮力为零；浸入体积分别为1/4、1/3、1/2、2/3时，浮力如何变化；全面浸入后，不论沉入水中深浅，排开水的体积不变，浮力不变。

或许有些老师认为以上步骤有点困难，这里再给出一个替代方案：

①讲解“曹冲称象”故事，重点分析石头或大象运上船后，船吃水到一个新刻度，新产生的浮力大小与石头或大象的重量相等。

②用一个大试管，配重后使其竖直浮在水中。

③往试管中加砂粒到一定刻度；试一试2倍刻度的地方，要加多少砂粒；再试一试3倍刻度、4倍刻度，分别要加多少砂粒。

④学生由“曹冲称象”可以迁移理解，试管从初始刻度到新刻度，所产生的新的浮力，就是所加的砂粒的重量。

⑤试管刻度的增加，代表的是排水量的增加。用天平可以准确称出每次所加砂粒的多少。

⑥借鉴现有教材的实验方法，知道泡沫块全面浸入后，不论浸入水中的深浅，排开水的体积不变，浮力不变。

(3)总结浮力与物体排开水的体积的关系。浮在水面上的物体，是其排开水的体积所对应的浮力，已经足够支撑其重量；下沉的物体，是其所有能够排开水的体积所对应的浮力，还不足以支撑其重量，所以沉下去。

(4)结合“阿基米德的故事”，进一步拓展认识浮力与排水量的关系。

3．沉浮知识的应用

例如，解释铁船为何能浮，了解如何打捞沉船（并解释为何沉船出水时是最关键和最危险的时刻），解释生饺子下沉而煮熟的饺子上浮，做沉浮子等。

考虑到以上的研究需要一定的力的知识，内容应该安排在四、五年级，并且先学习重力、弹力、测力计的使用。

四、几点补充

曾经与专家交流，有诸多感概，在此不敢自珍，与大家共享。

作为科学教育，单就认知来说，就是“有什么（个体、群体的存在）、什么样（形态、构造、特征）、为什么（原因、变化条件）”三方面。这是科学知识的三个基本层次，是科学教育的三个层次不同的核心内容，也是科学课教学内容的基本层次和基本逻辑。

因为探究以上三方面问题的需要，便发展了探究这三类自然秘密的基本能力，这也决定了课堂教学目标要做到知识与能力相互联系、相互统一、相互协调，同时也决定了一课教学的基本认知过程，即认识对象可能有所不同，但认识同一层次内容的教学目标、基本教学过程大体相同，这就是科学教育在教学内容、教学目标、教学过程方面的规律。符合这个规律，无论课文编写还是课堂教学大体可以八九不离十；忽视或背离这个规律，编写的课文、设计的教学活动就会不像样。

当前科学教育的发展．在重视科学认知的同时又重视技术教育，这就决定了在“有什么、什么样、为什么”三方面的基础上，又增加了“怎么做”的内容。要教会学生“怎么做”，既有认知方面的规律，又有操作、技能培养方面的规律。从教学来说，既要有从浅入深的“怎么做”的内容，又要有符合认知规律、操作规律、技能培养规律的教学方法，这是当前教材、教学必须认真研究和体现的。

具体到小学阶段沉浮问题的教材处理：

材料的沉浮（密度的影响），只做到“有什么”层次即可，即知道一些材料会浮、一些材料会沉。

物体的沉浮（排水量的影响），研究完排水量与浮力的关系后，还只是做到了“什么样”的层次，即：浮力的大小是什么样的——排水量越大，浮力越大。至于为什么排水量与浮力有这种关系，则留给中学物理去解决。

湖南科学技术出版社(410008)

湖南省株洲市教育科学研究院(412007)

湖南省株洲市荷塘区教研室(412000)