如何讓木頭不浮起來

◎陳生慶（人本教育基金會教育中心專案企劃） 

看到這個標題，您心中第一個冒出來的念頭是什麼？「木頭在水裡本來就會浮，幹麻讓它不浮！」在愛智生活數理營，我們正是要帶孩子造反，不是造別人的反，而是造知識的反。  

  「浮力」是一個從小學到國中都要教的單元。在小學，往往是讓孩子做很多實驗，而不是讓孩子思考很多問題，這些實驗諸如：把不同輕重、材質、形狀的物體放進水裡，觀察哪些會浮、哪些會沉，在現實生活中有哪些浮力的應用。 

十二歲正是脫離「憑感覺」來認知，而進入「形式運思」的時期（依照認知發展理論），小孩上了國中，我們的教育體系便「稱職」的用形式運思的方式解釋浮力的原理：當一個物體在水面下，由於水分子的運動，在物體的各處便產生了「壓力」，此壓力的大小和深度成正比（p=hd；壓力=深度x液體密度），以一個正立方體為例，在與水接觸的地方，依其方向便產生了「向上壓力」、「向下壓力」與「側向壓力」，兩邊的側向壓力會相互抵消，當向上壓力大於向下壓力時，這個物體會浮，當向上壓力小於向下壓力時，則此物體會沉；壓力又等於「力除以面積」… 

帶孩子追根究底 

如果，您讀到這裡已經沒有耐性再往下看，我們的孩子在學校卻別無選擇─不僅無法選擇要不要看，而且還每天都得考！考得好，就能浮上來吸一口氣；考不好，大概就只有沉下去的命運了。人的能力的分水嶺，就此展開。 

事實上，學校教的並沒有不對，只不過，不僅無助於讓人弄懂浮力的原理，還可能使人更混淆。這是因為，小學做的實驗沒有提供深刻的思考（小孩本來就已經知道，木頭會浮、石頭會沉，何必實驗一遍？）；而國中教的又都是抽象語言，離人的直觀感受很遙遠，於是在懵懵懂懂之中，只要抓到一條能算出標準答案的公式，立刻就成為小孩的浮木，讓人有一種虛的安全感，但並不知道真正的道理！ 

在愛智生活數理營，我們先問孩子：輕物跟重物放進水裡，誰會浮？小孩都不約而同的說，當然是輕的呀！當再問：如果這時放進一個「更重的」物體，原本那個「重的」跟現在這個「更重的」，不也是「輕物」跟「重物」的關係嗎？這下小孩才發現上當了，立刻更正說：不一定比較輕的就會浮，要跟水比，比水輕的才會浮！ 

在「為什麼比水輕就會浮」的背後，隱含了更根本的問題：是什麼力量讓它浮起來？浮力又是從何而來？這是我們在這六堂課中，要帶孩子追根究底的事情。  

 

 眼見不一定為憑 

在數理營的課程設計中，我們主張進行「思想實驗」，而非真的動手做實驗，所以在進行一連串關於浮力的猜想與反駁之前，先請大師出場，和孩子談歷史上最著名的一項思想實驗。 

一般人都以為，伽利略曾經爬上比薩斜塔，做輕物和重物同時落地的實驗，但根據伽利略的原典《兩個世界的對話》，他其實只有在腦海裡進行過這項實驗：任何一個重的物體裡，都有包含輕的部分，當它墜落時，究竟是輕的要跟著重的？還是重的應該遷就輕的呢？ 

這時再追問孩子，有沒有坐過「失速的」電梯？（在場當然不會有人坐過，但可以想像一下），當電梯往下墜的時候，電梯裡比較輕的人，是會飛起來浮在半空中，還是會跟著它一起往下掉？如果還是想不通，可以將一張紙平放在一本書上，手放開，由於書幫紙排除掉了下方的空氣阻力，所以紙會隨著書本同時落地。 

透過這個思想實驗，我們跟孩子強調，眼見不一定為憑，認真想過的，才可靠。 

從反面入手的思考學 

這門課，不僅僅是教浮力，我們也教孩子「從反面入手」的思考方法。舉個例子來說，要研究「為什麼我很容易感冒」，光研究我一個人是不夠的，還得同時研究那些和我共處一室、卻沒有感冒的其他人；研究死去的青蛙，目的是為了了解青蛙是如何活著的；研究腦傷的患者，目的是為了了解人的大腦是如何運作的。 

拉回來看，想知道為什麼木頭會浮，我們就可以研究：如何讓水中的木頭不要浮起來！一步步釐清問題以後，和孩子共同歸納出幾個讓木頭不浮的必要條件：第一，木頭仍然要在水中，把水倒光就與浮不浮無關了；第二，不能施加外力，用手壓或是綁鉛塊；第三，必須是原本就會浮的木頭，而不能是泡了三天三夜已經吸飽了水的木頭。   

緊接著進行第一個思想實驗：假使在水中圍出一塊「沒有水」的區域（就像蓋橋墩時得先圍出一塊空地，讓外頭的水進不去），再用手把木頭架在上方（如圖示）。問：把手放開之後，木頭會浮起來，還是會停在水中不浮起來？  

木頭下方是空的，外面的水進不去。 

投票的結果，小孩幾乎一面倒的認為，會浮！因為，空氣在水裡會浮，木頭也會浮，兩個加在一起就更會浮了。當再追問，空氣為什麼會浮？又繞回那句老話：因為空氣比水輕啊！我問，平時把手放在一個空杯子上，會感覺杯子裡的空氣在往上浮嗎？不會。這時，有些孩子「跑票」了，我請孩子們說明理由，試著說服彼此。還跟他們談，西方哲學家羅素的阿嬤，曾經跟羅素說：「要站在對的那一邊，而不要站在人多的那一邊。」講完這一段，又有一些孩子改投「不會浮」。 

就這麼一來一往的猜想、反駁，突然有小孩大喊：「我想到了！因為木頭下面沒有水！沒有東西可以推它，所以這木頭不會浮！」就像當年洗澡洗到一半、突然想到答案的阿基米德一樣，大聲喊出答案的孩子，難掩激動和興奮。 

「啊！我想到了！」 

這思想實驗當然很挑戰小孩的經驗，中途不斷有小孩「抗議」：「我想得頭都快破了！好累喔，直接做實驗啦！」足見在學校的教育之成效。一直到做完四個思想實驗，我們才歸納出「浮力是來自於水由下往上推」的這個結論，一但取消下方的水，沒有東西可以生出力量來浮木頭，木頭自然就不會浮了。而這個浮力的來歷，比起「向上壓力大於向下壓力」，更能貼近人直觀的感受。 

這出乎小孩意料的兩堂課，只是浮力的一個開端，接著我們還要繼續用思想實驗的方式，研究「浮力怎麼量」、證明「為什麼浮力會等於物體所排開的水的重量」，最後再從人類共量單位的發展脈絡來談「何謂密度」。更有意思、更具挑戰性的，還在後頭…。 

在中國有秤象的曹沖，在西方有寫出《浮體論》的阿基米德，他們都握有豐富的資源，受到人們的敬重；而我們的小孩，卻只有每天不斷的考試，與這些考試所帶來的威脅。在愛智生活數理營，我們無意改變這堅不可摧的升學工業，我們只想提供一點點的彌補：希望有機會讓小孩暫時走出學校和補習班，發出一聲「啊！我想到了！」的驚嘆。 

◎本文出自《人本教育札記》第260期

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