基于真实问题解决的初中物理创新实验教学——以＂归零法称量航母＂验证阿基米德原理为例

《中学物理教学参考》2026年9月第72~77页刊登文章，作者付成，江西省新余市第十六中学；潘书朋，山东省莱州市玉皇中学。文章针对传统教学中，阿基米德原理验证实验存在的情境吸引力弱、操作流程烦琐、学生思维浅层化、实验误差偏大、知识与现实应用割裂等问题，以沪粤版初中物理"阿基米德原理"为例，依托"称量航母"真实任务创设教学情境，融合理想模型法、转换法，创新提出归零法数字化实验方案，将抽象规律验证转化为可操作、可迁移的完整探究过程。基金项目：烟台市教育科学"十四五"规划初中物理循证教研专项课题"基于循证理念的初中物理跨学科实践教学策略研究"，课题编号：WLXZJY145011；烟台市教育科学"十四五"规划"四名"建设工程专项课题"跨学科视域下初中学科主题式教学的实践研究"，课题编号：SMGC145007。

原文

1  研究背景与概念界定

1.1  传统实验教学的困境

阿基米德原理是初中物理浮力模块的核心定量规律，是学生理解浮沉条件、分析浮力实际应用的理论基础。教材经典"称重法"验证实验流程为：先用弹簧测力计测量物体重力 G ，再测量物体没没液体时测力计对其的拉力 F拉，由 F浮= G - F拉 计算浮力；利用溢水杯与空桶收集排开液体，分别测量空桶重力、桶与排开液体总重力，计算排开液体重力 G排，对比 F浮 与 G排 的数值关系。该实验逻辑清晰，但落地教学时存在五大突出问题。

(1）情境导入生硬。从影响浮力大小的因素直接过渡到探究 F 浮 与 G排  的关系，思维跳跃较大，难以引发学生的认知冲突和探究欲望。

(2）探究过程机械化。学生仅按固定步骤完成测量，被动完成操作，弱化提出问题、方案设计、证据论证等核心探究环节。

(3）测量物理量多、计算步骤复杂。传统弹簧测力计指针持续晃动，读数稳定性差，实验误差较大。

(4）探究严谨性不足。课堂多采用单次实验数据得出结论，未落实多次测量寻找普遍规律的科学要求。

(5）知识应用脱节。规律仅停留在公式层面，学生难以感知阿基米德原理在工程、国防等真实场景中的应用价值。

针对上述教学痛点，本文重构实验教学逻辑，优化以知识点讲授为核心的传统模式，构建"真实任务驱动一模型简化一理论推导一创新实验验证一现实工程应用"的深度学习路径。

1.2  理论基础与核心理念

本教学设计并非简单的技巧堆砌，其背后蕴含着深厚的教育心理学和物理教学论基础。

1.2.1  情境认知理论

该理论认为，学习本质上是情境性的，知识与其产生及应用过程中的背景活动、文化脉络紧密相连。"称量航母"这一情境的创设，将抽象的阿基米德原理置于一个宏大、真实且与国家科技成就相关联的背景下，不仅能瞬间抓住学生的注意力，更重要的是赋予了学习活动一个明确的目的和意义——"我们为什么要学这个原理？因为它能解决像称量航母这样看似不可能的任务！"这种"为用而学"的理念，极大地增强了学生学习的内在驱动力，

促进了知识的意义建构。

1.2.2  建构主义学习理论

建构主义学习理论强调学习者主动建构知识的过程。本教学设计摒弃了直接告知实验步骤的做法，引导学生沿着"真实问题（称航母）→模型简化（将航母简化为小物块）→理论推导（ F浮=G排 )→实验验证（归零法测 F浮=G排 ）→回归应用（称模型航母）"的路径进行探索。

学生在这一过程中，需要调动已有知识（二力平衡、称重法、浮力产生的原因）解决新问题，在不断的同化和顺应中，最终自主"建构"起对阿基米德原理的深刻理解。

1.2.3  核心素养导向

《义务教育物理课程标准（2022年版）》将核心素养的培养作为课程育人价值的集中体现。本教学设计绝非仅仅为了让学生掌握一个物理公式(F浮= ρ液gV排 )，而是以阿基米德原理为载体，系统地、有机地融合并促进学生物理学科核心素养的全面发展。学生核心素养的培育路径具体体现在以下四个维度的深度融合。

(1）物理观念：在解决实际问题中形成与深化

本教学设计旨在帮助学生形成"运动与相互作用"这一核心主题下的重要物理观念。其创新之处在于，它不是将" F 浮＝ G排"作为一个静态的结论直接灌输，而是让学生在一个极具挑战性的真实问题"称量航母"的驱动下，亲历该观念的形成过程。学生首先需要调用已有的"二力平衡"观念分析航母漂浮状态，形成" F浮 = G "的初步认识；进而通过探究建立起"物体所受浮力大小"与"排开液体重力"之间的定量关系观念；最终，在"称量航母模型"的成功体验中，这一观念得以巩固和内化，使学生深刻认识到这一原理不仅是书本知识，更是破解现实难题的强大工具，从而实现从知识记忆到观念形成的升华。

(2）科学思维：在模型建构与推理论证中训练

模型建构与理化方法。面对"航母"这一庞然大物，教师可引导学生将其简化为一个"小物块"，这是典型的理想模型法。这一过程培养了学生抓住事物主要矛盾、忽略次要因素的抽象概括能力。

科学推理与论证。从"称航母"到"测浮力"的转换，体现了转换法的思维；从"测物块所受浮力"推广到"适用于航母乃至一切浸入液体的物体"，则蕴含了归纳推理。特别是教学设计中"理论推导（基于浮力产生的原因）→实验验证→实际应用"的完整链条，强调了逻辑论证的重要性，培养学生"有据可查、有理可辩"的科学论证习惯，有效克服了单纯依赖实验的浅层思维。

创新思维。"归零法"的引入本身就是彰显创新思维的点晴之笔。它引导学生跳出"称重法"的固有框架，思考如何通过技术优化直接获取所需物理量，这种对实验方法的批判性审视和改进，极大地激发和呵护了学生的创新意识。

(3）科学探究：在简化与赋能中实现真实探究

本教学设计优化探究过程，使得科学探究不再是流于形式的"操作流水线"，而成为学生主体性充分发挥的"探索之旅"。

降低操作门槛，赋能深度思考。"归零法"的运用，将学生从烦琐的多次测量和计算中解放出来。操作难度的降低，意味着学生可以将更多的认知资源分配到更高层次的思维活动上。例如，如何设计实验步骤更合理？为什么需要多次测量？数据背后反映了什么规律？实现了从"机械操作"到"动脑探究"的转变。

强调探究的完整性。教学设计明确要求"多次记录测力计示数"，这看似微小的改变，实则坚守了科学探究的严谨性，使学生体验通过分析多组数据寻找普适规律的科学过程。此外，"拓展实验"部分鼓励学生自主探究 F浮 与 V排 、 ρ液 的关系，为学有余力的学生提供了开放性的探究空间，培养了设计探究方案的能力。

(4）科学态度与责任：在情境浸润与实践中涵养

科学态度的培养。整个探究过程要求精确测量、如实记录、基于证据得出结论，潜移默化地培养了学生严谨认真、实事求是的科学态度。实验装置的改进（如使用数字测力计和升降台使得读数准确而且稳定）本身也是对精益求精科学精神的彰显。

社会责任的渗透。"航母"情境的引入，绝非简单的噱头。它将物理课堂与我国国防科技前沿成就紧密相连，一方面极大地激发了学生的民族自豪感和爱国热情，另一方面引导学生思考科学技术在国家发展中的重要作用，实现了知识学习与价值引领的有机统一。

2  创新实验教学的设计思路与实施路径

2.1  教学设计思路

本案例采用逆向教学设计思路，以"如何称量万吨级航母"为起始驱动问题，制造认知冲突：常规称重工具无法直接测量航母总重。教师引导学生对漂浮状态的航母进行受力分析：航母静止漂浮于海面，竖直方向仅受重力与浮力，二力平衡，即 G航母 = F浮 ，由此将"测量航母重力"转换为"测量航母所受浮力"。

直接测量真实航母浮力课堂不具备实操条件，因此，引入理想模型法，忽略航母外形细节等次要因素，将其简化为可在实验室操作的小型浮体模型。整体探究逻辑为：先通过小型物体定量验证 F 浮= G排 （阿基米德原理），再将规律迁移至航母模型，通过测量排开液体重力间接得到物体总重力，完成"称量航母"的真实任务。整体研究逻辑框架如图1所示。

2.2  归零法与实验装置

归零法是依托数字测力计的置零功能，以初始空载状态为测量零点，直接读取物体受力变化量的数字化测量方法。区别于传统称重法多次测量、差值计算的模式，归零法通过提前置零抵消容器、物体自身基础重力，测力计示数可直接对应物体所受浮力、排开液体重力等目标物理量，减少测量次数与人工计算，降低人为读数误差。

如图2所示为归零实验装置，其由高精度数字测力计、升降台、标准溢水杯、物块、小型承接烧杯组成；升降台可平稳控制物体浸入液体的深度，避免液体晃动造成示数波动，提升读数稳定性。归零法的核心教学价值体现在两方面：一是传递"测量相对变化量"的科学测量思想，引导学生聚焦实验核心变量；二是简化操作流程，为学生提供思维空间和时间，聚焦规律本质探究而非机械读数计算。

2.3  教学流程

2.3.1  情境导入与模型转化

教师播放我国航母海上航行实拍视频，抛出核心问题：实验室无法直接称量航母，如何利用物理知识测算航母总重量？学生对漂浮状态的航母进行受力分析，明确 G = F 浮的转换关系；教师展示航母模型实物，学生明确可用小型浮体替代真实航母开展定量探究（理想模型法）。

2.3.2  基于浮力成因的理论推导

测航母所

将航母简化为一个小物块，学生根据浮力产生的原因推导出 F 浮＝ G排 ，具体过程如下：

2.3.3  四组递进式归零实验探究

(1）归零法直接测量物体所受浮力

实验器材  数字测力计、实心物块、升降台、大烧杯。

实验步骤

①使用称重法测量实心物体的浮力。如图4所示，实验测得物体重力为1.408N，物体浸入液体后弹簧测力计示数为0.465 N ，通过称重法公式计算得出物体浮力为0.943 N ;

②使用归零法测量实心物体的浮力。将实心物块悬挂于数字测力计挂钩，待示数稳定后执行归零操作；缓慢拾升升降台，使物块逐步浸入液体，测力计实时显示的数值即为物体所受浮力；如图5所示，直接用归零法测量得到的浮力为0.944 N 。

分析与论证  在误差允许的范围内，称重法测得的浮力与归零法测得的浮力相等。

实验结论  利用数字测力计归零抵消物体自重，归零法可直接读取浮力大小，无须通过物体重力与其所受拉力差值计算浮力，充分简化实验步骤。

(2）归零法直接测量排开液体重力

实验器材  数字测力计、烧杯、清水。

实验步骤

①使用称重法测量排开液体重力。如图6所示，实验测得空烧杯重力为0.250N，排开水后烧杯与水的总重力为0.806N，通过称重法计算得到排开水的重力为0.556 N ;

②使用归零法测量排开液体重力。将空烧杯悬挂于测力计挂钩，示数稳定后完成归零；将水倒入烧杯中，如图7所示，直接用归零法测出的排开水重力为0.555N.

分析与论证  在误差允许的范围内，称重法测得的重力与归零法测得的重力相等。

实验结论  归零法可直接读取物体排开液体重力，省去空桶重力、桶液总重力两次测量与差值运算。

(3）探究物体所受浮力的大小实验器材

实验器材  数字测力计、溢水杯、升降台、实心物块、烧杯。

实验步骤

①如图8所示，左侧数字测力计悬挂待测物块，右侧数字测力计悬挂空烧杯，两台数字测力计分别完成置零；

②在溢水杯中加满水，调节升降台使物块缓慢浸入水中，水全部流入右侧烧杯；

③多次调整浸入深度，同步记录两台数字测力计示数，得到多组 F浮 与 G 排对应数据，如表1所示。

实验结论  左侧数字测力计示数（物体所受浮力 F 浮）与右侧数字测力计示数（排液重力 G ）近似相等，定量验证 F 浮= G 排，即阿基米德原理成立。

(4）归零法称量航母模型

实验器材  数字测力计、自制溢水杯、升降台、航母模型、烧杯。

实验步骤

①如图9所示，将小桶挂在右边的数字测力计上，将读数归零；

②将数字测力计示数归零，将航母模型放在左边的数字测力计上，此时测力计显示的读数就是航母的重力；

③将航母模型轻放在自制的溢水杯上，待读数稳定之后，右边测力计显示的读数就是 G排。

实验结论  通过观察，可以发现二者读数几乎相等，即称量航母成功。

2.3.4  拓展变量探究实验

依托同一套归零实验装置，可自主拓展两组定量探究实验，深化浮力影响因素认知。

(1）直接探究 F浮 与 V排 的定量关系

实验器材  数字力计、升降台、实心物块、烧杯。

3  教学效果

本教学设计在实践中展现出良好的教学效果，有效促进了学生核心素养的达成。

(1）激发内在兴趣，实现情感升华。"航母"情境将学生的个人兴趣与国家科技发展紧密相连，将一堂普通的物理课升华为一堂融合了科学精神与家国情怀的素养课。学习不再是外在任务，而是一内在需求。

(2）降低认知负荷，促进深度理解。通过"理想模型"简化问题，通过"归零法"简化操作，将学生的思维从烦琐的计算和操作中解放出来，使其能够更加专注于物理概念的本质和探究过程本身，为实现深度学习铺平道路。

(3）凸显科学本质，培养探究能力。本教学设计强调理论推导（从浮力产生原因推导 F 浮＝ G 排）与实验验证相结合，体现了物理学"理论与实验并重"的学科特点。完整的探究流程培养了学生像科学家一样思考和处理问题的能力。

(4）技术赋能教学，提升实验效能。数字测力计、升降台等器材的应用，不仅解决了传统仪器读数不稳、误差大的痛点，更开拓了实验教学的新可能（如便捷的拓展探究），体现了信息技术与物理实验的深度融合。

正比。

4  结论

"验证阿基米德原理——以称量航母为例"的创新教学案例，是核心素养时代下初中物理实验教学改革的一次成功探索。它启示我们——情境是深度学习的催化剂：高质量、真问题的情境创设，是激活学生思维、实现知识迁移应用的关键。在选取情境素材时，应关注问题的真实性和素养立意，展现真实问题解决过程，彰显学科育人价值；创新是实验教学的生命力：对传统实验进行大胆而科学的改进，能有效突破教学难点，提升教学效益；素养是教学设计的出发点与落脚点：教学设计应始终围绕如何更好地培养学生的物理观念、科学思维、探究能力和科学态度展开。

该案例成功地将一个经典的验证性实验，转化为一个充满挑战、乐趣和思辨的探究旅程。在解真实问题的过程中，通过小组合作循证探究，为学生提供了一次难忘的科学体验。它不仅让学生牢固掌握了阿基米德原理，更在他们心中播下了科学探究的种子，激发了科技强国的志向，充分彰显了物理学科的育人价值，为素养时代的中学物理实验教学提供具有可复制、可操作、可推广的实践范例。

参考文献：

[1］刘永树．对人教版教材中阿基米德原理实验设计的质疑［]]．中学物理教学参考，2014,43(8):45-46.

[2]  张瑞梅，基于问题的学习（ PBL ）在通用技术课程教学中的应用研究［ D ]．南京：南京师范大学，2011.

[3]  杨宇龙，葛永普，韦毅．基于实验创新培养探究能力：以"阿基米德原理"教学为例［ J ]．中学物理教学参考、2022,51(12):59-60.

[4]王亚峰，吉临荣．基于真实问题解决的循证探究教学：以"尺码助手"项目为例［]]、中学物理，2024.42(24):17-20.

（本文编辑：杨语嫣、王萍）

学习随感

相较与苏科版教材探究浮力的影响因素后，推理得出阿基米德原理，沪粤版在探究浮力的影响因素后，专门安排阿基米德原理的情境探究过程（曹冲称象被作者改成称航母），入下图。

文章图片