創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué) 發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維

陸丁 張利國 馮爽

摘 要：本文以“大氣壓強(qiáng)”的教學(xué)為例，探究培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”形成的路徑：通過課堂引入和感知大氣壓強(qiáng)存在環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的模型建構(gòu)能力;通過大氣壓強(qiáng)的測量環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理和科學(xué)論證能力;通過利用大氣壓強(qiáng)知識解決真實(shí)的問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

關(guān)鍵詞：大氣壓強(qiáng);核心素養(yǎng);創(chuàng)新實(shí)驗(yàn);科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）22-0055-04

基金項(xiàng)目：北京市海淀區(qū)教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“通過中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：HFGH20190054）;北京教育學(xué)院“物理課程論”課程建設(shè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目研究成果;北京教育學(xué)院“HPS教育范式在中學(xué)物理教學(xué)中的實(shí)踐研究工作室”卓越教師工作室研究成果;北京教育學(xué)院2021年度一般課題“中小學(xué)線上線下混合式教學(xué)現(xiàn)狀與模式研究”.

作者簡介：陸?。?986-），女，河北石家莊人，博士，研究方向： 物理學(xué)科教學(xué);

張利國（1977-），男，黑龍江人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向： 物理學(xué)科教學(xué);

馮爽（1982-） ，女， 河南人，碩士，副教授，研究方向：物理教學(xué)、物理教師培訓(xùn).

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確物理課程的基本理念：注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等方面提煉學(xué)科育人價值，充分體現(xiàn)物理學(xué)科對提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ).其中“科學(xué)思維”是學(xué)生從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，是基于經(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、推理論證等科學(xué)思維方法的內(nèi)化;是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).物理學(xué)科核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.新課程改革倡導(dǎo)對物理學(xué)科的全面理解，包含物理學(xué)前沿發(fā)展、物理思維方法、物理與社會和生活、物理規(guī)律的適用條件、雙刃劍作用及科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識等等.這就對教師提出更高的要求，教學(xué)也需要多元的教學(xué)方式.在我國目前教育的整體改革背景下，教師應(yīng)當(dāng)注重在教育教學(xué)中滲透對學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).對于初中生來說，他們正處于人生觀、世界觀的形成階段，教師通過教學(xué)提高學(xué)生的核心素養(yǎng)有利于學(xué)生形成正確的價值觀.

本文以“大氣壓強(qiáng)”的教學(xué)為例，探討培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”的形成的路徑.“大氣壓強(qiáng)”這一節(jié)是北師大版初中《物理》八年級下冊第八章第四節(jié)的教學(xué)內(nèi)容，義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)對本節(jié)課的要求：“2.2.8知道大氣壓強(qiáng)及其與人類生活的關(guān)系.”本節(jié)課既要使學(xué)生感知大氣壓強(qiáng)的存在，還要使學(xué)生知道大氣壓強(qiáng)在人類生活中的應(yīng)用，因此本節(jié)課可以分為“大氣壓強(qiáng)的存在”“大氣壓強(qiáng)的測量”“大氣壓強(qiáng)與人類生活的關(guān)系”三個部分.這既是對液體壓強(qiáng)知識的延續(xù)拓展，又是為學(xué)生學(xué)習(xí)流體壓強(qiáng)和高中氣體性質(zhì)做鋪墊.本節(jié)課不但從內(nèi)容上與前面所學(xué)的固體壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)共同構(gòu)成一個相對完整的體系，而且在培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)知能力方面也與前幾節(jié)內(nèi)容銜接得很好.

1 通過課堂引入和感知大氣壓強(qiáng)存在環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力

“模型建構(gòu)”作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是學(xué)生根據(jù)研究問題和情境，在對客觀事物進(jìn)行抽象和概括的基礎(chǔ)上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程和物理概念的過程[5].

在課堂引入環(huán)節(jié)，教師利用“隔空喝飲料”的小魔術(shù)（如圖1所示），激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)他們的好奇心和求知欲，使學(xué)生產(chǎn)生探究欲望.

本環(huán)節(jié)使用的杯子由兩個杯子套在一起，內(nèi)部的杯膽底部開了小孔，外部杯子的上部側(cè)壁開了孔，只要將側(cè)壁的孔堵住，液面就不會下降.松開手后，由于與外部空氣相通，液柱迅速下降，就像被喝掉一樣（如圖2所示）.

在此基礎(chǔ)上，教師演示覆杯實(shí)驗(yàn)，并設(shè)置如下的思考問題.

問題1：大家看杯子里的水為什么沒有流出來？紙片好像被托住了一樣，是什么在托著紙片？

問題2：將杯子向各個方向轉(zhuǎn)動，紙片都不會掉下來.猜想：大氣壓強(qiáng)的特點(diǎn)？

問題3：請大家對比液體壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因，思考大氣壓強(qiáng)產(chǎn)生的原因是什么？

學(xué)生經(jīng)過剛才的思考，已經(jīng)對“大氣壓強(qiáng)”的概念形成初步的認(rèn)識，教師提前在桌子上準(zhǔn)備好吸盤、吸管、滴管、裝有紅墨水的燒杯、注射器和測力計(jì)等實(shí)驗(yàn)器材（如圖3所示），請學(xué)生利用這些器材找出與大氣壓相關(guān)的現(xiàn)象.

教師利用投屏技術(shù)展示學(xué)生的實(shí)驗(yàn)：有的同學(xué)在用吸管吸水，有的同學(xué)在用注射器吸紅墨水，有的同學(xué)將吸盤按壓到桌子上，有的同學(xué)試圖用吸管吸取燒杯里的紅墨水（如圖4所示）.

教師再通過視頻介紹歷史上最著名的證明大氣壓存在的實(shí)驗(yàn)——馬德堡半球?qū)嶒?yàn)后，請同學(xué)演示橡膠馬德堡半球?qū)嶒?yàn).兩位同學(xué)上臺試圖將橡膠馬德堡半球拉開，但是將皮碗拉環(huán)拉至變形，也沒有將皮碗拉開.教師從中間掀開，輕輕用力一拉，就將兩個皮碗分開.教師設(shè)置如下問題，試圖啟發(fā)學(xué)生們分析其中原理.

問題1：為什么兩個皮碗很難被拉開？

問題2：為什么老師從中間掀開，輕輕用力一拉，皮碗就分開了？

大氣壓強(qiáng)雖然普遍存在，但在日常生活中如果不善于觀察，卻并不能真切地感受到它的存在.因此，教師在本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)一些實(shí)驗(yàn)證明它的存在：從覆杯實(shí)驗(yàn)入手，讓學(xué)生初步感知大氣壓強(qiáng)，也為后續(xù)大氣壓強(qiáng)的測量中的受力分析做好鋪墊;通過讓學(xué)生自主探究，利用給定的實(shí)驗(yàn)器材充分感知大氣壓強(qiáng)的存在;再請同學(xué)體驗(yàn)橡膠馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，感受大氣壓強(qiáng)的力量，從而引出大氣壓強(qiáng)的測量.本環(huán)節(jié)“大氣壓強(qiáng)”的模型建構(gòu)過程有助于學(xué)生抓住事物的關(guān)鍵要素，加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維，培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中建構(gòu)模型的能力和意識 .

2 通過大氣壓強(qiáng)的測量環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理和科學(xué)論證能力

“科學(xué)推理”不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量，即組合推理、概率推理、相關(guān)推理、因果推理等推理形式.中學(xué)生應(yīng)能正確理解和運(yùn)用上述科學(xué)思維方法，從定性和定量兩個方面進(jìn)行科學(xué)推理找出規(guī)律，形成結(jié)論.“科學(xué)論證”是以科學(xué)知識為媒介，對所獲取的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行解釋說明，提出自己的觀點(diǎn).中學(xué)生應(yīng)該具有使用科學(xué)證據(jù)的意識和能力，能運(yùn)用證據(jù)對所研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測.

本環(huán)節(jié)從覆杯實(shí)驗(yàn)入手，分析紙片不掉落的原因.教師通過演示不同長度的試管（20cm，1.2m）（如圖5所示），將試管中灌滿水并倒扣在水槽中，請同學(xué)觀察試管中的水是否流出，并分析原因.

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，加以分析后發(fā)現(xiàn)，只要玻璃管中的液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)小，水柱就不會下降.教師再次提出問題：若取一根足夠長灌滿水的玻璃管，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？教師播放視頻“大氣壓強(qiáng)能支持多高的水柱”，此時學(xué)生已經(jīng)逐步意識到只要試管中液體的壓強(qiáng)和外界大氣壓相同，液面就不會下降.

教師播放視頻“托里拆利實(shí)驗(yàn)”，并請大家思考這幾個問題：

（1）實(shí)驗(yàn)開始時水銀為什么下降？

（2）后來水銀柱為什么靜止而不再繼續(xù)下降？

（3）試管內(nèi)水銀柱的上方是真空還是空氣？

（4）水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)是多少？如何計(jì)算？

（5）大氣壓的值是多少帕？

教師通過設(shè)置以下的問題，有意識地引導(dǎo)學(xué)生從受力分析的角度解釋其中的原因.

問題1：我們要從受力的角度來進(jìn)行分析，選取什么作為我們的研究對象？

問題2：它受到哪些力的作用？

學(xué)生通過對液片進(jìn)行受力分析，明確試管中的水銀柱對液片有向下的壓力，大小為試管中水銀柱的壓強(qiáng)乘以受力面積.周圍的大氣會作用在水銀液面一個向上的壓強(qiáng)，由于液體能將大氣壓向各個方向傳遞，這個壓強(qiáng)會通過水槽內(nèi)的水銀傳遞給液片的下表面，因此液片下表面受到向上的大氣壓力.這個大氣壓強(qiáng)等于水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)，所以水銀柱不會下降（如圖6所示）.

學(xué)生通過分析發(fā)現(xiàn)，試管中液體壓強(qiáng)等于外界大氣壓強(qiáng)，由此可以將大氣壓強(qiáng)的測定轉(zhuǎn)化為測定液體壓強(qiáng)，也就是760mm水銀柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)：

p0=p液=ρgh=13.6×103kg/m3×9.8N/kg×0.76m≈1.01×105Pa

在此基礎(chǔ)上，教師請同學(xué)們利用桌上的實(shí)驗(yàn)器材自己測量大氣壓強(qiáng)值，有的同學(xué)選吸盤和測力計(jì)，有的同學(xué)選注射器和測力計(jì)，教師請同學(xué)評估所選器材的優(yōu)劣，并引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案.學(xué)生經(jīng)過討論后，確定所選實(shí)驗(yàn)器材和方案如下：將注射器的活塞推到注射器的底端，這樣做的目的是排盡筒內(nèi)空氣，然后用手指堵住注射器的小孔，水平緩慢拉動測力計(jì)，當(dāng)測力計(jì)示數(shù)不再變化時，記下測力計(jì)的讀數(shù)F1即為大氣壓力（如圖7所示）.

教師提前測量好注射器的橫截面積，請大家動手測量教室內(nèi)的大氣壓強(qiáng)值.

學(xué)生通過測量發(fā)現(xiàn)測量的大氣壓強(qiáng)值比標(biāo)準(zhǔn)大氣壓偏大，教師請學(xué)生分析本實(shí)驗(yàn)的誤差來源，并提出改進(jìn)意見，如測量出滑動摩擦力的大小，并重新計(jì)算出更準(zhǔn)確的大氣壓強(qiáng)值.

學(xué)生通過橡膠馬德堡半球?qū)嶒?yàn)已經(jīng)感受到大氣壓強(qiáng)的力量，在此基礎(chǔ)上，測量出大氣壓強(qiáng)的數(shù)值就更是順?biāo)浦?本環(huán)節(jié)大氣壓強(qiáng)值的測量包括兩部分，即歷史上托里拆利實(shí)驗(yàn)測量的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值，以及學(xué)生親自動手測量教室內(nèi)的大氣壓強(qiáng)值.教師通過對小試管中的“假想液片”這一理想模型進(jìn)行受力分析，引導(dǎo)學(xué)生利用二力平衡原理和液體壓強(qiáng)的公式，分析水銀不下落的原因，為托里拆利實(shí)驗(yàn)中將實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)轉(zhuǎn)換為測量液體壓強(qiáng)做好鋪墊.托里拆利實(shí)驗(yàn)是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，難在學(xué)生不能理解水銀柱底端的液片沒有與大氣接觸卻受到大氣壓力的作用，且p水銀=p大氣.這就涉及到液壓傳動的帕斯卡定律，而這一知識不在課標(biāo)范圍內(nèi)，學(xué)生知識儲備不足，導(dǎo)致學(xué)生不會推導(dǎo)大氣壓強(qiáng)的大小.在學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)的測量環(huán)節(jié)中，教師利用“轉(zhuǎn)換法”可以幫助學(xué)生理解為什么可以通過測液體壓強(qiáng)而得到大氣壓強(qiáng).

對于大氣壓的測量，教材上直接給出托里拆利實(shí)驗(yàn)，這對學(xué)生來說在思維上的跨度較大，理解起來有難度，教師僅僅通過播放視頻無法讓學(xué)生真正了解托里拆利實(shí)驗(yàn)，無法理解利用測量液體壓強(qiáng)的方式巧妙轉(zhuǎn)換為測量大氣壓，學(xué)生不容易想到這些，在這里存在“思維跳躍”，因此教師要設(shè)置必要的銜接：通過換用不同長度的試管，灌滿紅墨水后倒扣在水槽中，水柱不會下降.通過這一系列遞進(jìn)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合受力分析，引發(fā)學(xué)生思考“大氣壓強(qiáng)究竟能托起多高的水柱？”學(xué)生會想到有一個具體的高度數(shù)值，但是并不知道具體的高度，教師在此基礎(chǔ)上播放“大氣壓強(qiáng)能托起多高的水柱”的視頻，使學(xué)生知道一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)能托起10.3m高的水柱.學(xué)生發(fā)現(xiàn)用水測量大氣壓，水柱太高，器材的選擇、實(shí)驗(yàn)操作都很不方便，如何進(jìn)行改進(jìn)？ 學(xué)生經(jīng)過分析得到：根據(jù) p=ρgh可知，要想降低液柱的高度，應(yīng)該換用密度更大的液體，因此可以選擇密度最大的液體水銀來做實(shí)驗(yàn)，很自然引出托里拆利實(shí)驗(yàn).

在學(xué)生動手測量教室內(nèi)的大氣壓值環(huán)節(jié)，將注射器在水平位置勻速拉動，排除活塞自重對實(shí)驗(yàn)的影響.學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己估測的大氣壓值與真實(shí)值存在差異，師生共同討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因有哪些，讓學(xué)生巧妙地測出活塞與針筒壁之間的滑動摩擦力，這樣不僅使學(xué)生鞏固大氣壓的知識，還在分析和論證的過程中，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)能力，使學(xué)生逐步掌握物理研究的方法，從而不斷提高學(xué)生的科學(xué)推理和科學(xué)論證能力.

3 通過利用大氣壓強(qiáng)知識解決真實(shí)的問題，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

中學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力表現(xiàn)在善于運(yùn)用分析、綜合、抽象、概括，迅速洞察科學(xué)研究對象的本質(zhì)屬性和相互聯(lián)系，能設(shè)計(jì)出各種簡單、新穎、有效、獨(dú)特實(shí)驗(yàn)方案.

本環(huán)節(jié)教師先請學(xué)生分析吸管喝飲料的原理，再請學(xué)生用本節(jié)課所學(xué)知識解決生產(chǎn)生活中的問題：幫工人師傅設(shè)計(jì)一種方法搬運(yùn)大塊的玻璃.學(xué)生通過分析喝飲料的過程，依據(jù)“一定質(zhì)量的氣體，溫度不變時，體積增大，壓強(qiáng)變小”的知識， 利用大氣壓比液面上方的氣壓大的原理，明白大氣壓是怎樣將液體壓到高處的.在面對具體的真實(shí)情境時，學(xué)生能夠迅速抓住重要信息，運(yùn)用分析、綜合、抽象等思維方法，設(shè)計(jì)出新穎有效的實(shí)驗(yàn)方案（如圖8所示）.

在運(yùn)用大氣壓強(qiáng)知識解決真實(shí)問題的過程中，教師要促進(jìn)學(xué)生對物理學(xué)認(rèn)識方式和研究方法進(jìn)行理解與反思，并為學(xué)生質(zhì)疑創(chuàng)新提供思維基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力.

物理核心素養(yǎng)中的“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”是關(guān)鍵能力，“科學(xué)思維”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容.本文以“大氣壓強(qiáng)”的教學(xué)為例，討論培養(yǎng)學(xué)生“科學(xué)思維”形成的路徑.在教學(xué)中，教師可以通過分析綜合、抽象與概括、比較與分類、邏輯推理等思維方法，使學(xué)生的科學(xué)思維能力得到有效提升.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京： 人民教育出版社，2018.

[2]馮爽.指向核心素養(yǎng)的物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)策略研究[J].物理教學(xué)，2020，42（07）：15-18.

[3]馮爽.教研員培訓(xùn)的探索與創(chuàng)新——以一次以名著閱讀為線的物理教研員培訓(xùn)為例[J].基礎(chǔ)教育課程，2020（12）： 76-80.

[4]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[5]教育部基礎(chǔ)教育課程教材專家工作委員會.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀（2017年版2020年修訂）[M].北京： 高等教育出版社， 2020.

[6]馮爽.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中物理學(xué)史內(nèi)容分析及教學(xué)策略構(gòu)建[J].物理教師，2021， 42（04）： 21-25.

[7]黃學(xué)明，江耀基.以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)策略研究——以“探究焦耳定律”為例[J].中學(xué)物理，2020，38（20）：6-10.

[8]韓象忠.淺談初中物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].中學(xué)生數(shù)理化（教與學(xué)），2020（09）：56.

[9]劉興美.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué) 體驗(yàn)探究過程——以“大氣壓強(qiáng)”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例[J].中學(xué)物理，2020，38（06）：33-34.

[10]常秀玲.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)突破教學(xué)難點(diǎn)[J].中學(xué)物理，2015，33（08）：23.

（收稿日期：2021-07-11）