電視科學(xué)實驗節(jié)目資源在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用探討
——以“大氣壓強”為例

斯莉莎 吳 偉

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院，江蘇 南京 210097)

自基礎(chǔ)教育課程改革以來,課程資源的開發(fā)與利用一直備受關(guān)注.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)提出要充分開發(fā)社會教育資源,它們主要來源于報刊、電視、展覽、科技館、少年宮、公共圖書館,以及工廠、農(nóng)村、科研單位、大專院校等.[1]其中電視節(jié)目中的科學(xué)實驗節(jié)目在供給大眾娛樂的同時也為初中物理的教學(xué)提供了豐富、精彩的課程資源.[2]本文將以中央電視臺《加油!向未來》節(jié)目為例,分析電視科學(xué)實驗節(jié)目作為初中物理課程資源的獨特優(yōu)勢,并以“大氣壓強”為例,探討哪些視頻資源可供教學(xué)利用,以及該如何有效地在課堂教學(xué)中使用這類資源.

1 科學(xué)實驗節(jié)目特點分析

《加油!向未來》是央視綜合頻道在2016年暑期檔推出的科學(xué)實驗節(jié)目.節(jié)目通過驚險有趣的物理、化學(xué)和生物實驗展示了科學(xué)的“奇美趣用”,努力做到以最形象生動的方式展示科學(xué)實驗,以最淺顯易懂的形式解釋科學(xué)原理. 從課程資源的視角來看,該節(jié)目具有以下3個重要的特點.

1.1 節(jié)目資源豐富,實驗效果震撼

為了給觀眾呈現(xiàn)震撼、精美的實驗效果,節(jié)目組不僅需要提前準(zhǔn)備足夠的物資、財力和人力,還需嚴(yán)格挑選實驗裝置、精心設(shè)計實驗環(huán)節(jié)、謹(jǐn)慎進(jìn)行實驗操作,甚至需要借助場內(nèi)外聯(lián)動來完成一些大型實驗.

1.2 高清攝影記錄,實驗現(xiàn)象清晰

為了能讓觀眾看到清晰的實驗過程和實驗現(xiàn)象,節(jié)目組利用高清攝影機對實驗演示進(jìn)行多角度、全方位的攝影記錄,并對重要的物理實驗現(xiàn)象進(jìn)行全視角慢鏡頭回放.此外在每個實驗驗證后都會有未來博士鄧楚涵對其原理進(jìn)行分析,其語言通俗明了、簡單易懂,既有助于學(xué)生的理解,也為教師錘煉自己的課堂語言提供樣本參考.

1.3 巧用明星效應(yīng),強化情感體驗

節(jié)目巧用明星效應(yīng),每期都會邀請深受青少年喜愛的嘉賓參與節(jié)目,例如航天英雄楊利偉、天才鋼琴家郎朗、演藝小鮮肉TF boys.而這些富有影響力的嘉賓也必然會引起中學(xué)生對于節(jié)目的關(guān)注和喜愛,同時也會使他們對于實驗的驗證過程和結(jié)果更加關(guān)切.

2 節(jié)目內(nèi)容分析

《加油!向未來》這檔大型電視科學(xué)實驗節(jié)目自2016年播出以來共有兩季22期節(jié)目,在對每期節(jié)目進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)有許多有關(guān)物理的實驗資源可引入初中物理教學(xué),表1所示的是以“大氣壓強” 這節(jié)內(nèi)容為例總結(jié)出的可供選擇的相關(guān)實驗視頻資源.

以下本文將以教材的知識點順序為軸,探討在哪些環(huán)節(jié)可以使用這些視頻資源,以及如何利用其進(jìn)行教學(xué).

2.1 體驗大氣壓的存在

視頻1： 吸塵器吸人.在驗證最少幾臺吸塵器能將成年男子吸起的實驗中,嘉賓尼格買提穿上護具后被固定在中空木盒人形板上,5臺吸塵器通過木盒擴大吸力將嘉賓吸住懸在空中,之后依次關(guān)掉吸塵器以驗證實驗結(jié)果,實驗裝置如圖1所示.最終答案為僅需一臺吸塵器就能將一名約70 kg的成年男子吸起.該實驗的原理是吸塵器吸出木盒中的部分氣體之后,就使其與外界形成了壓強差,由于大氣壓的存在人就被牢牢吸在了空中.

表1 有關(guān)“大氣壓強”電視科學(xué)實驗節(jié)目視頻內(nèi)容

圖1 吸塵器吸人實驗裝置圖

視頻2： 被瞬間壓癟的鐵桶.在驗證被加熱的鐵桶倒扣入哪種物質(zhì)中會被壓癟的實驗時,首先展示的是肌肉男用大鐵錘猛砸多次才使鐵桶嚴(yán)重變形,之后依次將鐵桶倒扣入冰塊、液氮和常溫水中.結(jié)果顯示,當(dāng)鐵桶被倒扣入常溫水時,會被瞬間壓癟并伴隨巨響.該實驗原理是,加熱使鐵桶中原有的水變成水蒸氣,當(dāng)將它倒扣入常溫水時水蒸氣會迅速冷凝并收縮以致桶內(nèi)氣壓迅速降低,最終在外界大氣壓的作用下被迅速壓癟;而由于冰塊有縫隙以及液氮容易氣化,都可及時補充桶內(nèi)氣體的收縮,因此鐵桶就不會被壓癟.

視頻1中的吸塵器是大部分家庭所擁有的清潔電器,在學(xué)生的生活常識中,大多認(rèn)為吸塵器僅能吸入輕小的物質(zhì)例如灰塵、紙片、毛發(fā)等.因此視頻中僅需一臺吸塵器就能將男嘉賓吸起,這與他們原有的生活經(jīng)驗形成強烈的反差.同樣在鐵桶的實驗中首先展示的是肌肉男猛砸鐵桶才使其嚴(yán)重變形,而后其倒扣入常溫水時鐵桶卻被瞬間壓癟,這前后又一次形成了強烈的對比.這種與學(xué)生潛意識形成的強烈反差更能夠激發(fā)他們的疑問,調(diào)動起他們學(xué)習(xí)的興趣.與此同時,懸空的人和被壓癟的鐵桶以及伴隨的巨響可以極大地刺激學(xué)生的視覺和聽覺,使他們有更豐富的認(rèn)知體驗,能夠更直觀地感受大氣壓的存在.因此教師在大氣壓強這節(jié)課的導(dǎo)入教學(xué)環(huán)節(jié)可選取以上的任意一個視頻進(jìn)行展示.

通過播放這個視頻來演示實驗過程之后,可能會引起部分學(xué)生對于實驗真實性的懷疑,而物理是求真的,是講究實證的[4].因此為了解決這些學(xué)生的疑慮,教師可以根據(jù)江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社教材所設(shè)計的活動,采用易拉罐被壓癟的實驗來確證科學(xué)節(jié)目中實驗的真實性.為學(xué)生養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度樹立榜樣,并引導(dǎo)學(xué)生形成判斷大眾傳媒信息是否符合科學(xué)的意識.

2.2 估測大氣壓的值

圖2 玻璃杯吊人實驗裝置圖

視頻3： 玻璃杯吊人.在驗證玻璃杯吊人的實驗中,兩組嘉賓分別由圖2所示的3只裝滿水并用橡膠墊密封的玻璃杯吊于空中,之后將會由實驗員根據(jù)兩組所選擇的答案敲碎多余的杯子,而回答錯誤的嘉賓將會受到敲碎所有玻璃杯秋千垂直落下的懲罰.最終實驗驗證僅需一只玻璃杯就能將兩名嘉賓吊于空中.其原理是當(dāng)杯內(nèi)的空氣被排出,外界氣壓就對橡膠墊形成了很大的垂直向上的壓力,經(jīng)過粗略的計算,一只玻璃杯約能吊起400 kg的重物.

視頻4： 肚子吸鍋拉動重卡.驗證吸附在肚子上的鍋是否能拉動重9.6t的重卡的實驗,是由實驗員周師傅將鍋內(nèi)空氣排出一部分然后扣在肚子上,并用此裝置拉動重卡運動2m的距離.其原理與上一個實驗類似,只是該實驗未將空氣全部排出,而是排除部分形成壓強差,使外界氣壓作用在鍋上,將鍋緊緊地壓在肚子上.

這兩個實驗與教師在課堂中常做覆杯實驗同出一轍,但第1個實驗增加了吊取重物的設(shè)計,第2個實驗增加了拉動重卡的設(shè)計.在實驗呈現(xiàn)之初學(xué)生對于成人和重卡的質(zhì)量會有預(yù)判,無論是吊起成人還是拉動重卡都需要很大的力,而在實驗過程中尤其是結(jié)果呈現(xiàn)之后,學(xué)生在驚嘆之余會更直觀地感受到大氣壓的力量.以上兩個片段可選擇性地用于以下兩處教學(xué).

由于覆杯實驗取材和操作都較為簡單并且實驗現(xiàn)象較為明顯,許多教師在設(shè)計大氣壓強這節(jié)課時都會加入該實驗.但是如果我們將實驗與以上教學(xué)視頻配合使用,就能產(chǎn)生更好的教學(xué)效果.例如,當(dāng)教師演示完簡單的覆杯實驗后,向?qū)W生提問“能否在紙板下方垂吊重物?”學(xué)生會根據(jù)生活經(jīng)驗做出預(yù)判,大部分學(xué)生會認(rèn)為不能垂吊重物,或是只能垂吊較小的物體.然后當(dāng)教師播放以上玻璃杯吊人的視頻時,學(xué)生因有預(yù)判也會更加期待實驗的結(jié)果.而當(dāng)實驗結(jié)果與學(xué)生預(yù)判有較大差異時,學(xué)生不僅能對實驗結(jié)果印象更加深刻,也會對“大氣壓的大小”有更深刻的體驗.

“估測大氣壓的值”是江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社教材中的探究實驗,這對于提高學(xué)生實驗操作能力、數(shù)據(jù)測量和計算能力都很有幫助,但是該設(shè)計缺少了激發(fā)學(xué)生實驗動機這個環(huán)節(jié).我們需要讓學(xué)生明白為什么要估測大氣壓的值,知道大氣壓的值對我們的生活有什么用處.因此在教學(xué)設(shè)計中引入該視頻片段,學(xué)生會好奇“大氣壓究竟有多大,竟能把兩個人吊起來,竟能拉動一輛重卡”,這更有助于學(xué)生認(rèn)識到實驗的重要性和必要性,從而使學(xué)生更加主動地學(xué)習(xí)和進(jìn)行實驗操作.此外,學(xué)生通過實驗活動和教材總結(jié)可以知道大氣壓準(zhǔn)確的值,這時也可以利用視頻3對學(xué)科基礎(chǔ)較好的學(xué)生進(jìn)行提升訓(xùn)練,引導(dǎo)他們計算一只玻璃杯究竟能吊起多重的物品.這是對壓強公式p=F/S的靈活運用,因為學(xué)生需要將原公式化解為F=Sp進(jìn)行計算;并且也是對學(xué)生知識遷移能力的提升,因為學(xué)生需要從熟悉的固體壓強計算轉(zhuǎn)化為陌生的氣體壓強計算.

2.3 大氣壓的變化

視頻5： 超低壓下的“人”.實驗欲模擬無保護狀態(tài)的人體,在海拔不斷升高周邊氣壓逐步降低時,身體部位發(fā)生的變化.如圖3所示,其中棉花糖模擬人的頭部、氣球模擬人的頭部、氣球模擬人的肺部、燒杯中的水模擬人體中的水，利用真空抽氣系統(tǒng)來模擬從地面到航天員途徑高度20000m的大氣壓變化.實驗顯示當(dāng)海拔達(dá)到14000m時，棉花糖嚴(yán)重膨脹、氣球爆裂;當(dāng)海拔到達(dá)19000m時,燒杯中的水沸騰.該實驗中水沸騰的原理是,液體的沸點會隨外界的氣壓變化而變化.

圖3 (超低壓人體模擬實驗裝置圖)

在蘇教版教材“生活·物理·社會”的板塊中介紹了高壓鍋的原理,其中配有一個簡易的實驗:將剛注入沸水的燒杯塞緊瓶塞后倒置,而后在燒杯底部澆上冷水,此時會發(fā)現(xiàn)水又重新沸騰.書本以此來解釋水的沸點與大氣壓的關(guān)系,以及高山上的食物為什么不易煮熟[5].然而學(xué)生理解這個實驗現(xiàn)象需要進(jìn)行兩次思維轉(zhuǎn)化:一是冷水澆燒瓶導(dǎo)致溫度變低,然后氣體收縮;二是氣體收縮導(dǎo)致氣壓變小,這連續(xù)的兩次思維轉(zhuǎn)化對于初中生具有一定的難度.若用以上視頻就可以很好地規(guī)避這一思維轉(zhuǎn)變的環(huán)節(jié),因為實驗員是通過抽氣泵直接將空氣抽出來降低氣壓的,并且學(xué)生可通過觀察氣壓表盤直接知道裝置內(nèi)部的氣壓.此外實驗所采用的是常溫水并不是開水,常溫水在低壓下不需要加熱就能沸騰,更有利于學(xué)生理解“液體的沸點與大氣壓的關(guān)系”.因此若將以上實驗視頻引入“大氣壓的變化”這一知識點的教學(xué)過程中,不僅能讓學(xué)生更形象地理解大氣壓與海拔高度的關(guān)系,還能讓學(xué)生知道氣壓對于我們身體的影響.

2.4 流體壓強與流速的關(guān)系

視頻6： 懸浮的氣球環(huán)與泡沫碗.在有關(guān)流體壓強與流速的實驗中,節(jié)目組選擇了泡沫大碗、氣球花環(huán)、泡泡云朵作為實驗物品,來驗證哪種物品不能在吹風(fēng)機上懸浮.實驗結(jié)果如圖4所示,泡沫大碗和氣球花環(huán)都成功地懸浮于吹風(fēng)機上,而泡泡云朵由于自身密度比空氣小,不需要吹風(fēng)機便會向上運動,在吹風(fēng)機的作用下便會“灰飛煙滅”.泡沫大碗和氣球花環(huán)能在空中懸浮的原理為伯努利原理,即氣流和水流的流速越快,則流體產(chǎn)生的壓強越小.

圖4 氣球環(huán)和泡沫碗懸浮展示圖

色彩斑斕的氣球花環(huán)和充滿喜感的泡沫大碗增加了學(xué)生的視覺體驗和美感體驗,同時實驗中不可思議的現(xiàn)象也調(diào)動學(xué)生對于其原理的探知欲望,因此該片段可用于伯努利原理的教學(xué)引入,使學(xué)生更加關(guān)注教師所教授的知識.同時教師還可以設(shè)計現(xiàn)場演示實驗“吹風(fēng)機吹乒乓球”,并由實驗現(xiàn)象向?qū)W生提問“為什么乒乓球會跟著吹風(fēng)機運動”,來引發(fā)學(xué)生思考以培養(yǎng)學(xué)生運用理論知識解釋實驗現(xiàn)象的能力,從而形成從現(xiàn)象到本質(zhì),再由本質(zhì)到現(xiàn)象的良性學(xué)習(xí)循環(huán).

3 小結(jié)

總之,將電視科學(xué)實驗節(jié)目作為課程資源引入物理教學(xué),這不僅能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)輕松愉悅的學(xué)習(xí)情境,調(diào)動他們的學(xué)習(xí)興趣;也能讓他們更加深入地觀察實驗現(xiàn)象,學(xué)到更多物理知識和物理方法;還能豐富學(xué)生的課外活動,改變娛樂與學(xué)習(xí)完全割裂的局面.這些都有助于學(xué)生形成“寓學(xué)習(xí)于娛樂,寓娛樂于學(xué)習(xí)”的思想觀念,有利于發(fā)展他們自主探索知識、學(xué)習(xí)知識和享受知識的能力,最終提升自身的核心素養(yǎng).電視科學(xué)實驗節(jié)目并不能完全替代課堂中的真實物理實驗,而是需要教師選擇精彩的視頻片段與常規(guī)的教學(xué)手段進(jìn)行配合使用,以達(dá)到最好的教學(xué)效果.