基于核心素養(yǎng)對(duì)“大氣壓強(qiáng)生活化”創(chuàng)新教學(xué)設(shè)計(jì)

江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院(330022) 宋楠柯 周新雅 周 行

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生通過學(xué)習(xí)物理而逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，其目標(biāo)是針對(duì)學(xué)生的終身發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生全面健康成長(zhǎng)，滿足社會(huì)發(fā)展的需求。如何落實(shí)三維目標(biāo)和培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，需要教師設(shè)計(jì)好每一節(jié)課，每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)。教學(xué)設(shè)計(jì)是將教學(xué)理念與課堂教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的紐帶，適時(shí)利用學(xué)生熟悉的材料、物品、器具創(chuàng)新物理實(shí)驗(yàn)，開展生活化的、新穎的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，既是對(duì)學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸，又增強(qiáng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

1 教材分析

“大氣壓強(qiáng)”選自人教版8年級(jí)物理下冊(cè)第9章第3節(jié)，本節(jié)內(nèi)容是在學(xué)生學(xué)習(xí)了“壓強(qiáng)”和“液體壓強(qiáng)”的基礎(chǔ)上展開的，是對(duì)壓強(qiáng)知識(shí)的進(jìn)一步深化和提高，同時(shí)為“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”的教學(xué)奠定知識(shí)基礎(chǔ)，在結(jié)構(gòu)上起著承上啟下的作用。在內(nèi)容上，本節(jié)課通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)證明大氣壓強(qiáng)的存在，通過托里拆利實(shí)驗(yàn)來測(cè)量大氣壓強(qiáng)的大小，通過“科學(xué)世界”欄目介紹大氣壓強(qiáng)的應(yīng)用——活塞式抽水機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)將看不見的大氣壓強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡姷默F(xiàn)象，降低了學(xué)習(xí)難度，符合初中生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。

2 學(xué)情分析

從心理特點(diǎn)、知識(shí)儲(chǔ)備和認(rèn)知困難三個(gè)方面進(jìn)行分析。

(1)心理特點(diǎn)：8年級(jí)的學(xué)生具有強(qiáng)烈的好奇心，喜歡動(dòng)手，對(duì)實(shí)驗(yàn)有極大的興趣。他們的思維方式主要是形象思維，具備了簡(jiǎn)單的邏輯思維能力，能夠?qū)?shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行一定的分析和思考。

(2)知識(shí)儲(chǔ)備：學(xué)生在本章已經(jīng)學(xué)習(xí)了“壓強(qiáng)”和“液體的壓強(qiáng)”，掌握了壓強(qiáng)的定義和計(jì)算方法，這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了知識(shí)基礎(chǔ)。

(3)認(rèn)知困難：大氣壓強(qiáng)看不見、摸不著，在生活中不易被感知。筆者從培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，創(chuàng)設(shè)物理情景，將看不見的大氣壓強(qiáng)轉(zhuǎn)化為看得到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，降低了學(xué)習(xí)難度。通過演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生實(shí)驗(yàn)，結(jié)合多媒體，從感性認(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，滿足學(xué)生對(duì)新知識(shí)的好奇、渴求，以期達(dá)到既定的教學(xué)目標(biāo)。

3 教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求和對(duì)教材的理解,結(jié)合學(xué)生的實(shí)際情況，確定本課的教學(xué)目標(biāo)如下。

3.1 物理觀念

(1)通過演示實(shí)驗(yàn)證明大氣壓強(qiáng)的存在；通過學(xué)生實(shí)驗(yàn)感知大氣壓強(qiáng)；通過生活中的現(xiàn)象進(jìn)一步認(rèn)識(shí)大氣壓強(qiáng)。

(2)理解托里拆利實(shí)驗(yàn)，了解其實(shí)驗(yàn)過程，并通過該實(shí)驗(yàn)掌握計(jì)算大氣壓強(qiáng)大小的方法。

(3)知道常見液體的沸點(diǎn)與氣壓的關(guān)系。

(4)了解活塞式抽水機(jī)的工作過程和工作原理。

3.2 科學(xué)思維

(1)通過演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)感知大氣壓強(qiáng)的存在，理解通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論的科學(xué)思維方法。

(2)通過觀看托里拆利實(shí)驗(yàn)視頻，了解實(shí)驗(yàn)過程，體會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思維。

3.3 科學(xué)探究

(1)通過演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)的一般過程。

(2)通過課后實(shí)驗(yàn)探究大氣壓強(qiáng)與液體高度的關(guān)系。

3.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

(1)通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生體會(huì)到物理與生活息息相關(guān)，啟發(fā)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)生活中的問題并運(yùn)用物理知識(shí)解釋其原理。

(2)通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出結(jié)論，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析的能力和實(shí)事求是的態(tài)度。

4 教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：通過實(shí)驗(yàn)證明大氣壓強(qiáng)的存在，通過托里拆利實(shí)驗(yàn)掌握計(jì)算大氣壓強(qiáng)大小的方法。學(xué)會(huì)利用所學(xué)知識(shí)解釋與大氣壓強(qiáng)有關(guān)的現(xiàn)象。

教學(xué)難點(diǎn)：由于水銀有毒，不便在課堂上直接演示托里拆利實(shí)驗(yàn)，所以通過觀看視頻，掌握測(cè)量大氣壓強(qiáng)大小的方法。

5 教學(xué)資源

自制魔術(shù)瓶、塑料量杯，帶孔的飲料瓶、吸盤、不銹鋼盆、打火機(jī)、紙片、膠帶、自制抽水機(jī)、透明收納箱、麻繩等。

6 教法與學(xué)法

根據(jù)“注重科學(xué)探究，提倡學(xué)習(xí)方式多樣化”的理念，在本課教學(xué)中采用以下教法和學(xué)法。

啟發(fā)式教學(xué)：通過有趣的魔術(shù)瓶實(shí)驗(yàn)引入課堂，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，啟發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。

演示實(shí)驗(yàn)：教師通過演示魔術(shù)瓶實(shí)驗(yàn)“奇怪的瓶子”“拉不開的盆”以及自制活塞式抽水機(jī)抽水實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生以直觀的視覺沖擊。

學(xué)生實(shí)驗(yàn)：學(xué)生親自做“拉吸盤”實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，感受大氣壓的大小。

7 教學(xué)流程

整節(jié)課以“驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在，大氣壓強(qiáng)的大小以及大氣壓強(qiáng)的應(yīng)用”為思路，通過演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)，從現(xiàn)象中得出結(jié)論，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進(jìn)。教學(xué)流程如圖1所示。

圖1 教學(xué)流程圖

7.1 創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

魔術(shù)表演：利用自制魔術(shù)瓶表演魔術(shù)。如圖2所示，教師往魔術(shù)瓶里倒一大杯紅色的水，讓學(xué)生猜想會(huì)流出來多少水。學(xué)生看到流出來一小杯水。接著教師繼續(xù)往魔術(shù)瓶中倒一小杯水，讓學(xué)生再次猜想。結(jié)果卻流出來一大杯水。

圖2 自制魔術(shù)瓶實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖：通過有趣的自制魔術(shù)瓶實(shí)驗(yàn)演示，形成認(rèn)知沖突，引發(fā)學(xué)生思考現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，激發(fā)學(xué)生的好奇心和學(xué)習(xí)興趣。

接著，教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧舊知：固體與其接觸的物體會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)，液體與其接觸的物體也會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)，那大氣會(huì)對(duì)處在其中的物體產(chǎn)生壓強(qiáng)嗎？

設(shè)計(jì)意圖：通過回顧壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)的知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考：大氣會(huì)對(duì)處在其中的物體產(chǎn)生壓強(qiáng)嗎？

7.2 實(shí)驗(yàn)探究，新課教學(xué)

新課教學(xué)思路如圖3所示。

圖3 新課教學(xué)思路

演示實(shí)驗(yàn)1：“奇怪的瓶子”。

如圖4所示，教師演示帶孔的透明飲料瓶裝滿紅色的水，蓋上瓶蓋，沒有水流出來。教師在任意方向旋轉(zhuǎn)瓶子，依然沒有水流出來。擰開瓶蓋，水從瓶子側(cè)面的小孔流出來。引導(dǎo)學(xué)生思考為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象。

圖4 “奇怪的瓶子”實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)揭秘：當(dāng)瓶中裝滿紅色的水，蓋上瓶蓋，此時(shí)可以近似認(rèn)為瓶中沒有大氣，而瓶子側(cè)面的小孔外面與其接觸的是大氣。這說明大氣壓著水不讓水流出來，由此可以證明，大氣壓強(qiáng)的確是存在的。教師在任意方向旋轉(zhuǎn)瓶子，依然沒有水流出來，這說明大氣壓強(qiáng)的方向是朝各個(gè)方向的。當(dāng)教師把瓶蓋擰開，水在大氣壓強(qiáng)和自身重力的作用下就從瓶子側(cè)面的小孔流出來了。

學(xué)生體驗(yàn)“拉吸盤”實(shí)驗(yàn)：如圖5所示，學(xué)生將吸盤扣在桌面上，排盡吸盤和桌面間的空氣，再拉吸盤，發(fā)現(xiàn)吸盤很難拉開。

圖5 “拉吸盤”實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)意圖：通過新奇有趣的“奇怪的瓶子”實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。通過“拉吸盤”實(shí)驗(yàn)，學(xué)生不僅親自感受大氣壓強(qiáng)的存在，而且感受到大氣壓強(qiáng)之大，為接下來學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)的大小作鋪墊。

演示實(shí)驗(yàn)2：“拉不開的盆”

如圖6(a)所示，教師展示兩個(gè)不銹鋼盆，盆底分別焊了一個(gè)不銹鋼管，兩根繩子分別穿過不銹鋼管。教師把兩個(gè)盆扣在一起，很輕松就拉開了。接下來教師在其中一個(gè)盆中點(diǎn)燃紙片，再將兩個(gè)盆扣在一起，(實(shí)驗(yàn)完畢)請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)拉盆，如圖6(b)所示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩個(gè)盆很難拉開。

圖6 “拉不開的盆”實(shí)驗(yàn)

探究原因：如圖7(a)所示，剛開始兩個(gè)盆扣在一起，盆內(nèi)的大氣壓強(qiáng)等于盆外的大氣壓強(qiáng)，兩個(gè)盆很容易就拉開了。接下來，教師點(diǎn)燃紙片，由于紙片燃燒消耗了盆內(nèi)的大氣，如圖7(b)所示，盆內(nèi)的大氣壓強(qiáng)小于盆外的大氣壓強(qiáng)，盆外的大氣壓強(qiáng)就將兩個(gè)盆緊緊的壓在一起。剛才兩位同學(xué)嘗試用很大力氣都沒將這兩個(gè)盆拉開，這說明大氣壓非常大。

圖7 原因分析

設(shè)計(jì)意圖：通過“拉不開的盆”實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生切實(shí)感受到大氣壓強(qiáng)之大。

教師借機(jī)設(shè)問：如果想拉開這兩個(gè)盆，同學(xué)們開動(dòng)腦筋想一想有什么好的方法嗎？引導(dǎo)學(xué)生相互討論，解決問題。

初中學(xué)生思維活躍，有很多不同的想法，比如：可以找更多人或者馬來拉，或者在盆上鉆個(gè)孔，讓空氣進(jìn)入盆內(nèi)。教師展示其中一個(gè)盆有一個(gè)小孔，剛才用膠帶堵上了，現(xiàn)在教師把膠帶撕掉，讓大氣進(jìn)入盆內(nèi)，使盆內(nèi)的大氣壓強(qiáng)等于盆外的大氣壓強(qiáng)，盆就可以拉開了。

設(shè)計(jì)意圖：從“拉開的盆”到“拉不開的盆”再到“如何拉開盆”，設(shè)置疑問，環(huán)環(huán)相扣，加深學(xué)生對(duì)“大氣壓強(qiáng)”的理解，并達(dá)到學(xué)以致用的目的。

教師介紹歷史上著名的馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，“拉不開的盆”其實(shí)是模擬馬德堡半球?qū)嶒?yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：通過有趣的物理故事培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，同時(shí)啟發(fā)學(xué)生在生活中多觀察多思考多動(dòng)手，嘗試用生活用品做實(shí)驗(yàn)，可能會(huì)達(dá)到意想不到的效果。

接下來，教師播放托里拆利實(shí)驗(yàn)視頻，并帶領(lǐng)學(xué)生探討以下問題：①為什么灌滿水銀；②管內(nèi)水銀面為什么會(huì)下降；③水銀下降后，管內(nèi)水銀柱上方是否有空氣；④水銀面為什么下降一段距離后又不再下降了；⑤怎樣通過計(jì)算得出大氣壓強(qiáng)的大?。?/p>

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下解決以上5個(gè)問題，并得出大氣壓強(qiáng)的大小就等于760 mm水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，結(jié)合前面一節(jié)學(xué)習(xí)的液體壓強(qiáng)的計(jì)算公式P=ρgh，得出大氣壓強(qiáng)的大小為P0=ρgh=1.36×104kg/m3×9.8 N/kg×0.76 m=1.013×105Pa。

設(shè)計(jì)意圖：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，不可能每一個(gè)實(shí)驗(yàn)都做到在課堂上演示。教師可以借助視頻、圖片等方式，盡可能的將實(shí)驗(yàn)過程呈現(xiàn)給學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

7.3 學(xué)以致用，深化理解

大氣壓強(qiáng)與生活密切相關(guān)，請(qǐng)同學(xué)們舉例說明大氣壓強(qiáng)在生活中的應(yīng)用，并相互分享，如用吸管喝飲料、鋼筆吸墨水。

科學(xué)世界：活塞式抽水機(jī)就是利用大氣壓強(qiáng)工作的,其主要構(gòu)造如圖8(a)所示，教師展示自制活塞式透明抽水機(jī)，如圖8(b)所示，并演示抽水過程,如圖8(c)所示。

圖8 活塞式抽水機(jī)

工作原理：如圖9(a)所示，教師將上面的瓶子記為1號(hào)瓶，下面的瓶子記為2號(hào)瓶。教師巧妙地將1號(hào)瓶塞進(jìn)2號(hào)瓶，它們就組成了活塞，同時(shí)1號(hào)瓶又可作為圓筒。這根彎的吸管作為出水管。兩個(gè)帶孔的瓶蓋和兩枚硬幣作為兩個(gè)閥門,教師分別把這兩個(gè)閥門記為A閥門和B閥門。當(dāng)教師上拉1號(hào)瓶時(shí)，A閥門關(guān)閉，B閥門打開，由于2號(hào)瓶?jī)?nèi)的空氣體積增大，導(dǎo)致大氣壓強(qiáng)減小，小于外界的大氣壓強(qiáng)，外界的大氣壓壓著水從B閥門進(jìn)入到2號(hào)瓶。如圖9(b)所示，當(dāng)教師下按1號(hào)瓶時(shí)，A閥門打開，B閥門關(guān)閉，2號(hào)瓶?jī)?nèi)的水從A閥門進(jìn)入到1號(hào)瓶。這樣反復(fù)按拉1號(hào)瓶，就可以將水抽出來了。

圖9 工作原理

設(shè)計(jì)意圖：從生活中的活塞式抽水機(jī)到利用生活用品自制透明的活塞式抽水機(jī)，簡(jiǎn)單明了，形象直觀地展示了抽水機(jī)的抽水過程，幫助學(xué)生更好的理解其工作原理，同時(shí)讓學(xué)生深切體會(huì)到物理從生活中來，到生活中去，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任有重要價(jià)值。

教師展示魔術(shù)瓶的內(nèi)部構(gòu)造，如圖10所示，揭示其奧秘。

圖10 魔術(shù)瓶?jī)?nèi)部構(gòu)造

揭秘魔術(shù)：魔術(shù)瓶里面其實(shí)還有一個(gè)瓶子，教師把它記為A瓶，魔術(shù)瓶外面的瓶子記為B瓶。當(dāng)教師把一大杯水倒進(jìn)瓶中，一部分水流入A瓶，一部分水流入B瓶，這就解釋了為什么往瓶中倒一大杯水卻流出來一小杯水。當(dāng)教師往瓶中再加一小杯水，同樣一部分水流入A瓶，一部分水流入B瓶，由于上一次加水A瓶已經(jīng)儲(chǔ)存了適量的水，此時(shí)A瓶中的液面高于A瓶?jī)?nèi)細(xì)管上端的位置，A瓶?jī)?nèi)的水在大氣壓強(qiáng)和自身重力的作用下就順著軟管流入B瓶，一直流到A瓶?jī)?nèi)軟管下端的位置，因此，流出來一大杯水。魔術(shù)瓶實(shí)驗(yàn)其實(shí)利用的就是虹吸原理。

設(shè)計(jì)意圖：通過揭秘魔術(shù)真相，鞏固上節(jié)課學(xué)習(xí)的液體壓強(qiáng)和本節(jié)課學(xué)習(xí)的大氣壓強(qiáng)，解開了學(xué)生心中的疑惑，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在生活中多思考，多實(shí)踐，將會(huì)發(fā)現(xiàn)物理帶來的意想不到的奇妙現(xiàn)象。

7.4 布置作業(yè)，鞏固提高

請(qǐng)學(xué)生結(jié)合教材上的“想想做做”自制氣壓計(jì)，并探究大氣壓隨高度的變化的奧秘。此外，完成本節(jié)教材中的“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”。

設(shè)計(jì)意圖：美國教育家杜威提出“在做中學(xué)”，通過“做”，促進(jìn)學(xué)生思考，從而獲得知識(shí)。學(xué)生通過體驗(yàn)自制氣壓計(jì)的過程，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程。通過“動(dòng)手動(dòng)腦學(xué)物理”，鞏固本節(jié)課所學(xué)知識(shí)。

8 評(píng)價(jià)

整個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，緊緊圍繞培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，將物理核心素養(yǎng)的四個(gè)要素滲透到教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。通過自制魔術(shù)瓶、利用不銹鋼盆模擬馬德堡半球?qū)嶒?yàn)等激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，將“看不見摸不著的大氣壓強(qiáng)”轉(zhuǎn)化為可以看到的現(xiàn)象，為學(xué)生營(yíng)造了符合認(rèn)知水平的物理情境，從而有助于幫助學(xué)生破除思維障礙。通過自制活塞式抽水機(jī)，使抽水機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、明了，更貼近生活，學(xué)生更容易感受、體驗(yàn)和深化理解，既聯(lián)系生活實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生從生活中發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的精神，又在生活經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，促成學(xué)生正確物理觀念的形成，促進(jìn)科學(xué)思維水平的提升。