實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 凸顯科學(xué)精神
——以“液體的壓強(qiáng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)為例

吳 昊 朱文軍

陶 恒

《物理教師》2019年第12期中的一篇文章《液體的壓強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)》[1]，利用4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管(圖1)來(lái)詳細(xì)闡述“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)可能與液體的密度有關(guān)，密度越大，壓強(qiáng)越大”，再利用一根上細(xì)下粗的塑料管(圖2)來(lái)“直觀地排除影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)的因素與液體的重力(質(zhì)量、體積)有關(guān)的猜想”，有待商榷的問(wèn)題．

圖1 液體內(nèi)部壓強(qiáng)對(duì)比

圖2 排除液體的重力對(duì)液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響

1 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“堅(jiān)持科學(xué)性”

文章表明，編號(hào)1，2，3的管中裝入水，4號(hào)管中裝有濃鹽水．通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，啟發(fā)誘導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前3根管子的現(xiàn)象得出“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)可能與液體的深度有關(guān)，深度越大，壓強(qiáng)越大”的猜想，根據(jù)后2根管子的現(xiàn)象得出“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)可能與液體的密度有關(guān)，密度越大，壓強(qiáng)越大”的猜想．

得到猜想的前提是對(duì)比法的科學(xué)運(yùn)用．而實(shí)驗(yàn)中用到的4根管子下面的橡皮膜看似相同，實(shí)則不同．這里的“相同”，指材質(zhì)、生產(chǎn)廠家及同一生產(chǎn)批次，但，“不同”可以斷定手工捆扎橡皮膜的松緊程度是無(wú)法控制相同的．文中制作的實(shí)驗(yàn)器材也一定是在反復(fù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得到的一個(gè)符合“標(biāo)準(zhǔn)答案”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．

筆者根據(jù)文中提供的器材尺寸和購(gòu)買途徑，運(yùn)用文中提到的光面安全套，在兩道捆扎的方法下，盡量控制捆扎松緊相對(duì)相同，卻得到了如圖3(a)、(b)所示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．看來(lái)，得不到“標(biāo)準(zhǔn)答案”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是大概率事件，問(wèn)題就出在“不同”上，看來(lái)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性有待商榷．

圖3 筆者實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

針對(duì)文中提到的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以做一下處理，來(lái)回避出現(xiàn)科學(xué)性錯(cuò)誤的情況．可以在硬紙板上用強(qiáng)力雙面膠粘一排有4個(gè)掛鉤(掛鉤從左到右取名1，2，3，4)的塑料件，再將硬紙板掛在墻上．將1根一端封有橡皮膜的亞克力透明圓管(外徑20 mm、厚度2 mm、長(zhǎng)度750 mm)按先后順序倒入很多、較多、較少的水和較少的鹽水分別掛在1，2，3，4的掛鉤上，然后畫出液面位置和橡皮膜鼓起的球狀大?。ㄟ^(guò)硬紙板上畫出的4次痕跡做對(duì)比實(shí)驗(yàn)．從而回避了用多個(gè)橡皮膜的對(duì)比法的問(wèn)題，也能達(dá)到相同的引導(dǎo)和啟發(fā)的效果．

對(duì)于液體重力對(duì)液體壓強(qiáng)的影響，是學(xué)生們經(jīng)常不能回避的猜想，文獻(xiàn)[1]用5號(hào)管來(lái)排除，也是不太合適的．可以利用一個(gè)注射器來(lái)解決．

如圖4(a)所示，用一個(gè)一次性注射器，在吸入大半管水之后，針孔朝上豎直放置，發(fā)現(xiàn)水不能將活塞往下壓．隨后將注射口通過(guò)一根吊水用的軟管連接,如圖4(b)所示，將下面注射器大部分水壓入上面的軟管中，松手，發(fā)現(xiàn)下面注射器中活塞竟然在水的壓強(qiáng)下往下運(yùn)動(dòng)．這個(gè)實(shí)驗(yàn)很好地排除了在猜想環(huán)節(jié)，學(xué)生猜想液體壓強(qiáng)和液體重力等的關(guān)系．

圖4 用注射器演示液體內(nèi)部壓強(qiáng)

實(shí)驗(yàn)中，兩次水的重力都是相同的，僅改變了水的深度，卻能使得第一次活塞和第二次活塞運(yùn)動(dòng)情況不同．利用這個(gè)創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)，就能很好地引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到液體的壓強(qiáng)和液體重力無(wú)關(guān)．

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，實(shí)驗(yàn)也是初中物理教學(xué)的重要內(nèi)容，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)哿私處煹慕虒W(xué)素養(yǎng)和能力，在設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)首要關(guān)注科學(xué)性，不能為了實(shí)驗(yàn)的對(duì)比效果、突出某一種思維方法而忽略了其他的物理思維方法．

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“強(qiáng)化探究性”

液體壓強(qiáng)這一節(jié)內(nèi)容，引入了一個(gè)比較重要的實(shí)驗(yàn)器材——壓強(qiáng)計(jì)．傳統(tǒng)的教學(xué)是直接拿出壓強(qiáng)計(jì)，介紹結(jié)構(gòu)和使用方法，學(xué)生們通過(guò)使用壓強(qiáng)計(jì)，總結(jié)出液體內(nèi)部的壓強(qiáng)特征．但這種教學(xué)方式，給學(xué)生的思維含量不高，所以長(zhǎng)時(shí)間后容易忘記，增加學(xué)生的記憶負(fù)擔(dān)．教師在教授這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，總覺(jué)得壓強(qiáng)計(jì)的引入比較突兀，無(wú)法和學(xué)生建立認(rèn)知上的聯(lián)系，學(xué)生的記憶過(guò)程也比較機(jī)械．于是如何設(shè)計(jì)探究性的過(guò)程，讓學(xué)生自己“探究出”壓強(qiáng)計(jì)，成為本節(jié)課的一個(gè)難點(diǎn)．

如圖5所示，綁在一根棍子上的玻璃容器上下左右分別封有4個(gè)橡皮膜，將其豎直緩緩放入水中，如圖6所示，左右和下面3個(gè)方向的橡皮膜向內(nèi)凹，上面的膜向上凸起．

圖5 液體內(nèi)部壓強(qiáng)演示裝置

圖6 演示液體內(nèi)部各方向壓強(qiáng)

師：為什么上面的膜向上凸起？如何改進(jìn)？

生：內(nèi)部空氣出不來(lái)，開一個(gè)出氣孔．

師：開一個(gè)孔，水就進(jìn)去了．

生：加一個(gè)管子，讓管子上口伸出水面．

師：老師帶來(lái)一個(gè)兩端封有橡皮膜并裝有橡膠軟管的裝置，先捏緊橡膠管，兩端橡皮膜形變很小(圖7)，再松手，放出內(nèi)部空氣，兩端橡皮膜明顯向內(nèi)凹(圖8)．橡膠膜雖有形變，但現(xiàn)象還是不明顯，如何改進(jìn)？(提示：溫度計(jì)中測(cè)溫液體的體積膨脹，我們是如何看見的？)

圖7 容器封閉時(shí)的橡皮膜

圖8 容器與外界連通時(shí)的橡皮膜

生：往管子里加有顏色的水．

師：水會(huì)順著管子流到下面的盒子里．

生：把橡膠管彎成防臭地漏的U字型．

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不應(yīng)僅僅是新型實(shí)驗(yàn)器材的制作和設(shè)計(jì)，還要有配合傳統(tǒng)器材的引入、過(guò)渡、理解等思維過(guò)程性器材的設(shè)計(jì)和制作，更要有符合學(xué)生思維水平和模擬學(xué)生思維過(guò)程的教學(xué)設(shè)計(jì)．提升學(xué)生思維品質(zhì)、思維深度的探究性實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新，也是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的重頭戲之一．

3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)“注重時(shí)代性”

在“探究液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響因素”實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論之后，為了定量描述深度、密度與液體壓強(qiáng)的數(shù)值關(guān)系，一般會(huì)介紹液體壓強(qiáng)公式，很大程度上是從柱體壓強(qiáng)推導(dǎo)出來(lái)的，對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生來(lái)說(shuō)確實(shí)是一項(xiàng)有意思且難度不太大的挑戰(zhàn)．但對(duì)于大多數(shù)學(xué)生來(lái)說(shuō)，理性的推導(dǎo)記憶深度比較淺，容易忘記．這是因?yàn)闆](méi)有重視初中學(xué)生的思維特征——具體、感性、圖形圖像思維占主導(dǎo)的原因．

如果利用YDLW_DISLab8.0(National)_8.2.0.451軟件和配套的數(shù)據(jù)采集器、相對(duì)壓強(qiáng)傳感器，配合壓強(qiáng)計(jì)的金屬盒、橡膠管部分器材，可以很方便地將水和鹽水的內(nèi)部壓強(qiáng)p和深度h、液體密度ρ的圖像關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)呈現(xiàn)出來(lái)．課堂演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，邀請(qǐng)兩三位學(xué)生一起完成，整個(gè)過(guò)程僅需要2 min時(shí)間．通過(guò)數(shù)據(jù)和圖像，很容易看出p∝h，p∝ρ．從而在學(xué)生腦海中留下比較深刻的印象．

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)是物理教師在教學(xué)過(guò)程中不可回避的實(shí)踐活動(dòng)，是課堂實(shí)驗(yàn)的有益補(bǔ)充．它體現(xiàn)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)所形成的實(shí)踐能力、創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)要求，凸顯科學(xué)精神，啟迪科學(xué)思維．

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)重視教材中基本儀器的使用方法和基本實(shí)驗(yàn)的操作、原理，兼顧課本中出現(xiàn)的重要演示、分組實(shí)驗(yàn)．設(shè)計(jì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)一定要能經(jīng)得起“推敲”，在課堂演示之前，想一想“科學(xué)性”“探究性”和“時(shí)代性”，會(huì)有所幫助．