創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維①
——以“大氣壓強(qiáng)”教學(xué)為例

張大明 劉信生

(1. 安徽省合肥市廬江縣第四中學(xué),安徽 合肥 231500；2. 安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮(zhèn)初級(jí)中學(xué),安徽 合肥 231551)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》要求學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究、收集證據(jù)、分析問題和解決問題時(shí)要嘗試運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和科學(xué)研究方法，逐漸形成獨(dú)立思考、敢于質(zhì)疑、尊重事實(shí)、勇于創(chuàng)新的核心素養(yǎng)和優(yōu)良品質(zhì)。然而，在新課改大環(huán)境下，出現(xiàn)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“量大質(zhì)低”的現(xiàn)象，弱化了學(xué)生科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。筆者在教學(xué)中優(yōu)選、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)素材，運(yùn)用“玩”“學(xué)”“悟”“用”的進(jìn)階性教學(xué)策略，著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及創(chuàng)新能力，下面以“大氣壓強(qiáng)”的教學(xué)為例進(jìn)行探討。

1 創(chuàng)設(shè)魔術(shù)情境，設(shè)疑激趣

如圖1所示，教師表演“隔空吸飲料”魔術(shù)，一手拿出一滿瓶的可樂飲料向?qū)W生展示，并說明這是“很普通”的可樂瓶。先擰下瓶蓋，另一只手取出一支自制的吸管，不用將吸管插入飲料瓶中，將其放入嘴里一吸，在聽到“呼哧……”幾聲后，這支“神奇”的吸管就把瓶中一半飲料“吸”進(jìn)嘴里了。學(xué)生們都很納悶，覺得有點(diǎn)不可思議。這時(shí)教師順勢(shì)提問：“瓶中的飲料怎么就憑空沒了？想弄清楚其中的奧妙嗎？學(xué)習(xí)了大氣壓強(qiáng)一節(jié)后，就能知道其中的道理了?！蓖ㄟ^魔術(shù)表演吸引住學(xué)生的注意力，很順利地進(jìn)入新課教學(xué)。

圖1

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)于教學(xué)中常用的“鋼筆吸墨水”“瓶吞雞蛋”“密閉鐵皮罐加熱后變癟”等演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過預(yù)習(xí)，看過相關(guān)視頻、圖片，對(duì)此早已熟悉，無(wú)法激起他們的學(xué)習(xí)熱情。利用一些“違反”生活常識(shí)的實(shí)驗(yàn)，可打破學(xué)生的常規(guī)思維和內(nèi)心的平靜，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)他們的好奇心和求知欲。適時(shí)提問，引發(fā)學(xué)生的思考，使學(xué)生產(chǎn)生探究的渴望。

2 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽，在“玩”中學(xué)

在“大氣壓強(qiáng)存在”這個(gè)知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，我們通常利用教材中常見的實(shí)驗(yàn)，如“覆杯實(shí)驗(yàn)”等來演示，學(xué)生覺得平淡無(wú)奇，筆者在教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了創(chuàng)新。

給同學(xué)們提供足球、熟雞蛋(已去除蛋殼)、乒乓球拍、玻璃瓶、玻璃杯等，請(qǐng)同學(xué)上臺(tái)表演與大氣壓相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。同學(xué)們個(gè)個(gè)躍躍欲試，都想展示一下自己的本領(lǐng)。一位同學(xué)在玻璃瓶中裝滿水后把雞蛋放在瓶口，用手按住蛋，瓶子倒過來后，松開按壓雞蛋的手，雞蛋沒有掉下來，實(shí)驗(yàn)取得成功(圖2)，另一位同學(xué)則把乒乓球拍放在裝滿水的玻璃杯口，倒置后，乒乓球拍和水都不掉下，全班響起熱烈的掌聲(圖3)。

圖2

圖3

設(shè)計(jì)意圖：創(chuàng)設(shè)富有挑戰(zhàn)性、競(jìng)賽性的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，吸引學(xué)生參與其中，對(duì)調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情很有好處，由于足球最重，挑戰(zhàn)的難度最大，所以每一步驟都要求學(xué)生全神貫注、精益求精，稍有不慎就會(huì)前功盡棄。在“玩”實(shí)驗(yàn)的過程中，感受科學(xué)的魅力，順利完成實(shí)驗(yàn)后學(xué)生有滿滿的成就感。

3 在“學(xué)”中提升學(xué)生的科學(xué)思維能力

在完成一系列的大氣壓強(qiáng)存在實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生對(duì)大氣壓強(qiáng)的大小產(chǎn)生了濃厚的興趣，都想測(cè)量大氣壓值，受現(xiàn)實(shí)條件的限制，托里拆利實(shí)驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行分組操作。師生共同制作教具，利用注射器結(jié)合定滑輪在水平方向拉動(dòng)活塞來測(cè)量大氣壓強(qiáng)值。

實(shí)驗(yàn)器材：注射器、橡膠密封帽、定滑輪、數(shù)字測(cè)力計(jì)、刻度尺、塑料小桶、細(xì)線、薄鋁片、裝有細(xì)沙的塑料桶、鉚釘、染色的水等。

實(shí)驗(yàn)步驟：(1) 如圖4所示，將注射器固定在小桌中間，在桌邊固定一只定滑輪,細(xì)線的一端系住注射器活塞,另一端系在小桶上。

圖4

(2) 將活塞推至注射器筒的底端后放手，發(fā)現(xiàn)活塞靜止不動(dòng)，這時(shí)候，將沙子輕輕放至小桶中，直至能拉動(dòng)活塞，取下小桶，用測(cè)力計(jì)稱出物重G1。

(3) 用注射器吸入小瓶?jī)?nèi)少量的染色水，再次慢慢將活塞推至注射器筒的底端，保證在針口孔道內(nèi)可以看到染色水，這樣排凈筒內(nèi)的空氣后，用橡皮帽封住注射器的前端小孔。

(4) 再次在繩端系好小桶，繼續(xù)向小桶中添加細(xì)沙，至活塞開始做運(yùn)動(dòng)時(shí)，停止添沙子，取下小桶，用測(cè)力計(jì)稱出其總重G2，則大氣對(duì)活塞的壓力為F=G2-G1。

設(shè)計(jì)意圖：首先選擇將注射器固定在水平位置勻速拉動(dòng)，排除了活塞自重對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響；在測(cè)量大氣對(duì)活塞的壓力前，巧妙測(cè)出了活塞與針筒壁之間的滑動(dòng)摩擦力是實(shí)驗(yàn)的亮點(diǎn)；使用增加細(xì)沙的方法替代加掛鉤碼來測(cè)量大氣壓力，使拉力能連續(xù)增加，大大減小了實(shí)驗(yàn)誤差；在針口通道封有水的情況下，更能保證針筒接近真空狀態(tài)。

4 在“悟”中把握規(guī)律，提升學(xué)生的思維品質(zhì)

生活中運(yùn)用大氣壓強(qiáng)知識(shí)的例子無(wú)處不在，針對(duì)這些天天“露臉”的物理現(xiàn)象，學(xué)生受到錯(cuò)誤前概念的影響，不一定能準(zhǔn)確運(yùn)用物理原理解釋清楚，所以教師必須優(yōu)化實(shí)驗(yàn),突破難點(diǎn)。

教師出示一只氣球，吹入少量空氣后再用細(xì)線扎緊。

師：如何讓這只氣球能鼓起來？

生：放到溫水里面，放到真空里，想辦法減小氣球外面的大氣壓。

師：很好！下面就來嘗試減小氣球周圍的大氣壓的方法。這是一個(gè)大號(hào)的拔罐器(圖5)，先將氣球放置在乒乓球拍上面，再將拔罐器罩在氣球外面，用抽氣筒將拔罐器內(nèi)的空氣向外抽，大家仔細(xì)觀察氣球的體積變化。

圖5

生：抽氣的次數(shù)越多，氣球越大。

師：你能用剛學(xué)過的大氣壓力知識(shí)解釋嗎？

生：抽氣使氣球外部氣壓減小，球內(nèi)的氣體向外擠壓氣球，氣球也就鼓起來了。

師：一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)是非常大的，這么大的壓強(qiáng)作用在人體表面怎么沒有把人體壓扁了呢？同學(xué)們能解釋下為什么嗎？

生：由于人體內(nèi)部也有空氣，內(nèi)外氣壓同時(shí)作用在人體上，相互平衡，所以身體感覺不到。

師：這也是宇航員在太空中遨游時(shí)一定要穿上宇航服的原因，試問：假設(shè)宇航員在太空中沒有穿上宇航服，那么宇航員有哪些危險(xiǎn)呢？大家說說看。

生：宇航員在真空中，體外的氣壓為零，體內(nèi)氣壓仍然很大，所以宇航員的肺泡、血管、耳膜等會(huì)向外膨脹而破裂，能導(dǎo)致死亡。

設(shè)計(jì)意圖：通過師生互動(dòng)交流，能讓學(xué)生從真實(shí)的探究活動(dòng)出發(fā)，“悟”出隱藏在客觀事物背后的本質(zhì)屬性和內(nèi)在規(guī)律，讓學(xué)生基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法的內(nèi)化。[1]在此基礎(chǔ)上運(yùn)用逆向思維進(jìn)行質(zhì)疑、批判，從而提高學(xué)生的思維品質(zhì)。

5 在“用”中升華志趣，用科學(xué)改變生活

物理學(xué)習(xí)注重“學(xué)以致用”，應(yīng)該讓學(xué)生在新舊知識(shí)的相互聯(lián)系中產(chǎn)生遷移、應(yīng)用，使自己的志趣、愛好得到升華，運(yùn)用物理知識(shí)做小發(fā)明，用科學(xué)改變生活。

圖6

最后,揭秘“隔空吸飲料”，如圖7所示，事先選一瓶有不透明包裝紙的可樂飲料，將飲料倒出備用，在瓶壁包裝紙靠下的地方開個(gè)小孔，將氣球通過小孔慢慢塞進(jìn)瓶中，氣球開口露在瓶外，再用玻璃膠將孔口固定在瓶壁上，將可樂倒入瓶?jī)?nèi)至包裝紙的上邊緣為止。用嘴對(duì)著瓶口用力吸飲料，在外界大氣壓強(qiáng)的作用下瓶?jī)?nèi)的氣球會(huì)膨脹，將飲料抬高至瓶口位置，此時(shí)立即用手堵住氣球在瓶外的孔口，蓋緊瓶蓋后放置在桌上備用。表演時(shí)，注意用手指堵住氣球孔口，再打開瓶蓋，當(dāng)嘴里含著吸管在空中表演吸飲料動(dòng)作時(shí)，堵住氣球小孔的手慢慢松開，氣球癟了，可樂液面隨即下降。至于吸管中有“呼哧”的聲音，只要做個(gè)雙層吸管，夾層放少許飲料就可以。

圖7

6 結(jié)語(yǔ)

物理是一門非常重視思維的課程，可以說物理是思維的體操。[2]正處于青春年少的初中學(xué)生有時(shí)候感到物理難學(xué)，并不是因?yàn)樗麄內(nèi)鄙賹W(xué)習(xí)的熱情，他們?nèi)钡氖强茖W(xué)的思維方法。教師精心優(yōu)化、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)的過程中，手腦并用，經(jīng)歷分析與綜合、抽象與概括、比較與分類、推理與論證的科學(xué)方法訓(xùn)練。實(shí)施“玩——學(xué)——悟——用”的教學(xué)策略，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。[3]