基于概念轉變理論的液體壓強實驗設計

文_韋秀花

實施素質教育是現(xiàn)在教育改革的重要課題。讓學生在學習的過程中不拘泥于死記硬背知識，同時綜合素質又能夠得到全面發(fā)展，是教育工作者一直努力的方向。初中生在學習初中物理液體壓強這部分知識前，在頭腦中已經形成了初步認識，有著多樣化的前概念。在這些前概念中，有些前概念與科學概念完全相反，嚴重阻礙了學生的學習。筆者將以概念轉變的理論為指導，設計出能夠轉變初中學生對液體壓強經常存在的錯誤前概念的實驗教具。本文假設涉及的液體密度一樣，未考慮密度對液體壓強的影響。

前概念與概念轉變理論

本文將學生由于日常生活環(huán)境等原因已經在大腦潛意識里對知識點形成的慣性思維、對事物的定向理解定義為前概念，其中與科學概念背道而馳的定義稱之為錯誤前概念。

素質教育的宗旨是以人為本，不是將知識灌輸給學生，而是培養(yǎng)學生求實創(chuàng)新、勤學好問的良好習慣，提高學生各方面的素質，使其全面發(fā)展。因此，在教學過程中注重學生的發(fā)展尤為重要。在物理教學中，實驗探究占據著重要的位置，特別是對于比較抽象的物理概念教學，有趣的實驗探究能夠糾正學生原本錯誤的前概念并促進學生對新知識的理解。教師在課堂上應積極了解學生的前概念，進而設計相應的教學方案，為學生轉變錯誤前概念提供一個學習平臺，讓學生原有的錯誤物理概念在實驗探究過程中得到轉變，使學生在探究過程中感受實踐與創(chuàng)新的樂趣，真正地掌握科學文化知識。

轉變“液體壓強與容器大小的關系”錯誤前概念的實驗設計

由于前概念的產生，學生錯誤地認為液體壓強的大小與裝有液體容器的形狀大小有關，認為形狀越大的容器能裝的水的質量越大、水的體積越大，水受到的重力也會越大，從而液體產生的壓強越大。這是大部分中學生在剛接觸液體壓強時，由于已有的認知經驗有限可能出現(xiàn)的錯誤前概念。錯誤前概念對物理教學能否成功地開展存在很大的影響，因此開展概念轉變的教學活動尤為必要。

原理：液體壓強的大小與容器的形狀大小沒有關系。

重點設計如下。設計制作底面積、深度一樣，形狀不同的三個透明容器，讓學生直觀地看出容器形狀的明顯不同，讓學生能更加清楚地思考容器的大小和形狀與液體壓強是否有關系，同時容器外部貼有刻度尺，以便顯示容器水位的深度和觀察探頭在水中的深度。此外，在三個容器底的同一位置設計三個點，分別為A、B、C，這樣給定學生思考的三個點可以避免學生產生一些不必要的疑惑。通過設計這三個形狀不同的容器以及容器底部的三個點，在激發(fā)學生興趣的同時，讓學生能夠在更加直觀的情境中思考及探究問題。為了能夠更加準確地驗證學生的猜想，改造了測量A、B、C三點壓強過程中用到的探頭，將與壓強計連接的乳膠管接到探頭的側面，這樣探頭可以直接放置到指定的三個點上。

轉變“液體內部各方向壓強大小關系”錯誤前概念的實驗設計

“在液體內部同一深度的各個方向的壓強大小相等”，很多剛接觸液體壓強概念的學生覺得這個物理規(guī)律很難理解，認為裝在容器中的液體只有向下方向的壓強，或以為液體所受的重力是豎直向下的，那么向下方向的壓強就應該大于向上方向和側面各個方向的壓強。對此，運用合適的教具開展概念轉變教學，能讓學生在思維、心理方面形成正確的科學概念，有利于學生重新構架正確的認知過程，真正理解物理知識。

原理：在液體內部的同一深度各個方向的壓強相等。

重點設計如下。針對典型的液體壓強計實驗裝置存在的在上下、左右旋轉的過程中因探頭本身大小產生一定的深度差這一不足之處作出了以下改進。在研究側面各個方向的液體壓強大小的特點后設計了探頭，將探頭固定在一根細桿的中下位置，在測量時直接將細桿放置在容器底部某一固定點，再旋轉細桿的上方，細桿就會帶動探頭向四周轉動。這樣既保證了探頭在旋轉的過程中所處深度不變，也能清楚地觀察到旋轉的過程中壓強計上液柱的變化情況，同時旋轉探頭也變得更容易操作。

在研究液體內部同一深度上下兩個方向的壓強大小的特點時，首先制作了一個直角L 型的木架，在木架的下端固定一個探頭，使探頭的薄膜朝上，并固定在木架上，這樣將探頭放入水中測出的就是朝下方向的壓強。然后，在木架的同一端再放置一個可以左右轉動的探頭，探頭的薄膜面朝下，測向上方向的壓強，同時保證兩個探頭的薄膜面相對時正好吻合，在測量時再將探頭錯開，使上下兩個方向的薄膜在同一個平面上，這樣在測量時就可以只直觀地觀察兩個壓強計的深度差，從而發(fā)現(xiàn)液體內部同一深度上下兩個方向壓強大小的特點。

轉變“液體內部不同深度壓強大小關系”錯誤前概念的實驗設計

學生由于受到前概念的影響，錯誤地認為液體裝在容器中就沒有流動性，是靜止的，認為靜止不動的液體在任何位置相互的擠壓程度都固定不變，從而認為液體內部任何位置的壓強大小都一樣。

原理：液體內部的壓強隨著液體深度的增大而增大。

重點設計如下。在形狀為長方體的容器內壁上用吸盤箭頭設置了在同一豎直方向不同深度的三個點，同時在吸盤的另一端分別標出了數字以便區(qū)別認識。當要分別測量1、2、3 點位置液體壓強的大小時，直接用探頭分別放置于1、2、3 點的下方，再分別對比其液柱深度差即可直觀地觀察出這三個點壓強大小的變化規(guī)律。

本文基于概念轉變理論設計液體壓強實驗，分析了學生對液體壓強與容器大小的關系、液體內部各方向壓強大小的關系、液體內部不同深度壓強的大小關系的錯誤前概念，并設計出解決相應問題的實驗儀器，為中學液體壓強這塊內容的教學注入了新血液，提供了更為便利的教學方法。同時，將改進的實驗裝置運用于課堂，不僅能為學生如何提出問題、解決問題提供了清晰的思路，而且學生在課堂上能夠便捷地動手參與探究實驗，讓學生在參與課堂活動的過程中發(fā)展動手能力、思考能力等素質。