搭建思維支架 促進(jìn)深度理解
——以托里拆利實(shí)驗(yàn)為例

任少鐸

（廈門市海滄區(qū)東孚中學(xué)，福建 廈門 361000）

托里拆利實(shí)驗(yàn)不僅與學(xué)生生活實(shí)踐脫節(jié)，且涉及到學(xué)生還未接觸到的知識(shí)，學(xué)生對(duì)此并沒有足夠的生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備，如果只是通過“言傳”而沒有重視將相關(guān)現(xiàn)象和原理直觀化和形象化，學(xué)生就無法獲得足夠的感性認(rèn)識(shí)，更無法深刻理解托里拆利實(shí)驗(yàn)的本質(zhì).初中階段，學(xué)生正處于直觀形象思維向抽象邏輯思維轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵期，抽象邏輯思維發(fā)展仍不完善，直觀形象思維仍占據(jù)主導(dǎo)地位，因此有必要搭建思維支架，用形象直觀的實(shí)驗(yàn)促進(jìn)學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)相關(guān)現(xiàn)象和原理，從而更深刻地理解托里拆利實(shí)驗(yàn).

1 當(dāng)前托里拆利實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的缺憾

各版本教科書中托里拆利實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容幾乎都是“直接”呈現(xiàn)的，都是介紹托里拆利實(shí)驗(yàn)的過程以及計(jì)算出的大氣壓強(qiáng)大小.但由于相關(guān)現(xiàn)象陌生，加之缺乏對(duì)帕斯卡原理等知識(shí)的掌握，學(xué)生對(duì)托里拆利實(shí)驗(yàn)存在不少疑惑，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn).

1.1 為什么用有毒的水銀做實(shí)驗(yàn)

水銀具有一定的毒性，在實(shí)際教學(xué)中通常也不鼓勵(lì)在教師演示托里拆利實(shí)驗(yàn).但是，測量大氣壓為什么要采用水銀呢？ 學(xué)生不知道為什么，只是被動(dòng)接受.

1.2 一定是大氣壓托著水銀柱嗎

很多學(xué)生對(duì)托里拆利實(shí)驗(yàn)一直都有疑惑，大氣壓是向下作用于水槽中的水銀，真的可以向上將試管中的水銀柱托起來嗎？ 一些學(xué)生會(huì)認(rèn)為水銀具有很強(qiáng)的粘性，粘住了試管口導(dǎo)致試管內(nèi)的水銀無法流出.甚至還有學(xué)生認(rèn)為試管中的水銀柱是水槽中的水銀托起來的，或者至少起到部分作用.課本直接介紹是大氣托起的水銀，教師亦如此講解，但無法消除學(xué)生的困惑.

1.3 液面?zhèn)鬟f的是壓強(qiáng)還是壓力

學(xué)生不具備帕斯卡原理等知識(shí)，不能理解水槽內(nèi)水銀面上的大氣壓強(qiáng)能夠大小不變的傳遞到玻璃管內(nèi)的水銀上.根據(jù)學(xué)生的傳統(tǒng)思維，液面有可能傳遞的是壓力，大氣對(duì)液面向下的壓力等于水銀柱對(duì)液面的壓力（壓力相等），如圖1所示.然而課本和教師傳遞給學(xué)生的是“大氣對(duì)液面向下的壓強(qiáng)等于水銀柱對(duì)液面的壓強(qiáng)（壓強(qiáng)相等）”，如圖2所示.至于為何是這樣，課本和教師通常不去解釋，學(xué)生只能被動(dòng)接受.

圖1 壓力相等

圖2 壓強(qiáng)相等

2 利用支架式教學(xué)促進(jìn)深度理解

為了突破學(xué)生的思維難點(diǎn)，應(yīng)采用支架式教學(xué)策略，層層遞進(jìn)，降低托里拆利實(shí)驗(yàn)的理解難度，促進(jìn)學(xué)生深度理解.

支架1：實(shí)驗(yàn)證明“大氣托著試管中的水柱”.

將一根試管裝滿水，倒扣在水槽中，試管中的水不會(huì)流出來.為什么試管內(nèi)的水不會(huì)流出來？一部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為是大氣作用于水槽中的水面，托著試管中的水.然而，也會(huì)有一部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為是水槽中的水粘住了試管口，讓試管內(nèi)的水流不出來.

接著進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)：將整個(gè)裝置放入真空罩，未抽氣時(shí)，試管內(nèi)的水不流出（圖3）.用抽氣機(jī)抽氣，會(huì)發(fā)現(xiàn)隨著真空罩內(nèi)的空氣被不斷抽出，試管中的水逐漸流出到了水槽（圖4）.待試管內(nèi)液面與水槽內(nèi)的液面相平時(shí)，關(guān)閉真空罩的抽氣閥門，移走抽氣機(jī)，接著打開真空罩的抽氣閥門，隨著氣體進(jìn)入真空罩，水慢慢得從水槽進(jìn)入試管，試管內(nèi)的液面逐漸上升，直到原來的高度.如此便說明確實(shí)是大氣在支撐著試管內(nèi)的水柱.

圖3 試管中的水不會(huì)流出

圖4 抽氣時(shí)試管內(nèi)的水慢慢流出

設(shè)計(jì)意圖：此現(xiàn)象由于與學(xué)生的生活實(shí)踐脫節(jié)，學(xué)生對(duì)此并沒有足夠的生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)儲(chǔ)備.如果只是通過“言傳”而沒有通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明，學(xué)生就很難真正理解現(xiàn)象的本質(zhì).［1］通過此實(shí)驗(yàn)，學(xué)生直觀感受到了確實(shí)是大氣在支撐著試管內(nèi)的水柱，而不是其他力量支撐著水柱.

支架2：液面?zhèn)鬟f的是壓力還是壓強(qiáng)？

由于帕斯卡原理知識(shí)的缺失，學(xué)生對(duì)于液體究竟傳遞的是壓力還是壓強(qiáng)并不明確，因此需要用實(shí)驗(yàn)去幫助學(xué)生理解液體究竟傳遞的是壓力還是壓強(qiáng).

首先，用兩個(gè)大小不同的注射器做成兩個(gè)高度相同且兩端開口的“試管”，用一根橡皮管將這兩個(gè)“試管”連通，如圖5所示.接著在這兩個(gè)試管中裝入適量的水并倒扣在同一個(gè)杯子里，倘若是“壓力相等”，則粗試管內(nèi)的液面會(huì)比較低，倘若是“壓強(qiáng)相等”，則兩試管內(nèi)的液面會(huì)一樣高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)試管內(nèi)液面處于同一高度，如圖6所示.再將其放進(jìn)真空罩并用抽氣機(jī)抽氣，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)試管內(nèi)的液面同步下降，且始終處于同一高度，如圖7所示.如此便說明了是“壓強(qiáng)相等”而非“壓力相等”，即液面?zhèn)鬟f的是壓強(qiáng)而非壓力.

圖5 兩個(gè)連通的“試管”

圖6 兩個(gè)試管內(nèi)液面處于同一高度

圖7 抽氣時(shí)試管內(nèi)的水慢慢流出

設(shè)計(jì)意圖：沒有直接告訴學(xué)生“液體傳遞的就是壓強(qiáng)”，而是用簡易器材演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生直觀感受液體傳遞的是壓強(qiáng)而非壓力，從而真正理解帕斯卡原理，為下一步用托里拆利實(shí)驗(yàn)計(jì)算大氣壓的數(shù)值打下基礎(chǔ).

支架3：大氣壓能夠支撐多高的水柱？

在學(xué)生明白了是大氣壓在支撐著水柱后，在黑板上畫出圖8（a）所示的原理圖.接著進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：假如試管不是我們實(shí)驗(yàn)室的試管，而是更高一些的兩個(gè)試管［圖8（b）和圖8（c）所示］，那么試管內(nèi)的水會(huì)流出來嗎？ 此時(shí)，會(huì)有學(xué)生認(rèn)為水可以流出來，但也會(huì)有學(xué)生認(rèn)為水仍然不會(huì)流出來，有少部分思路比較清晰的學(xué)生能夠想到水是否流出取決于試管內(nèi)水壓和外界大氣壓的大小關(guān)系.但由于沒有具體實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將信將疑.

圖8 逐漸增加試管高度

于是播放事先錄制好的視頻：用11m 高的管子代替長試管，將管子內(nèi)灌滿水，直立起來倒扣在水槽中，將管子的上端封閉，打開下端的閥門，水會(huì)流出.接著暫停視頻讓學(xué)生思考：試管內(nèi)的水為什么會(huì)流出？ 學(xué)生能夠想到是因?yàn)樵嚬軆?nèi)的水壓大于外界大氣壓.接著繼續(xù)追問：試管內(nèi)的水會(huì)全部流出嗎？ 學(xué)生能夠知道試管內(nèi)的水不會(huì)全部流出，且當(dāng)試管內(nèi)水壓剛好等于外界大氣壓時(shí)水就不再流出.

接著繼續(xù)播放視頻，會(huì)發(fā)現(xiàn)水流出一些后就不再流出了，試管內(nèi)水柱的高度穩(wěn)定在10.3m，此時(shí)管內(nèi)水柱上方是真空（自然而然生成圖9 所示的板畫），繼而讓學(xué)生據(jù)此計(jì)算出大氣壓的大小，根據(jù)液體壓強(qiáng)知識(shí)學(xué)生能夠計(jì)算出p大氣=p液柱=ρ液gh=1×103kg/m3×9.8 N/kg×10.3m=1.01×105Pa.最后提出問題：通過計(jì)算液體壓強(qiáng)可以間接地求出大氣壓，這種科學(xué)方法是什么呢？ 以此顯化科學(xué)方法，突出轉(zhuǎn)換法這一科學(xué)方法的應(yīng)用.

圖9 試管上方是真空

設(shè)計(jì)意圖：延續(xù)“倒扣試管”實(shí)驗(yàn)，設(shè)置遞進(jìn)式問題串，一步步追問，并從理論拓展到實(shí)驗(yàn)演示，助力學(xué)生深刻理解這種測量大氣壓大小的方法（將測量大氣壓轉(zhuǎn)換為計(jì)算液體壓強(qiáng)），發(fā)展模型建構(gòu)、科學(xué)推理等素養(yǎng).

支架4：如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成測量大氣壓的實(shí)驗(yàn)？

學(xué)生明白了可根據(jù)p大氣=p液柱=ρ液gh計(jì)算出大氣壓強(qiáng)的大小后，讓學(xué)生思考，剛剛大氣壓可以支撐10.3m 高的水柱，10.3m 有3層樓高，所以剛剛是在室外進(jìn)行試驗(yàn)，而且還用了很高的梯子，有沒有什么辦法可以讓我們在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室（一層樓高）測出大氣壓的大小呢？ 經(jīng)過互動(dòng)，學(xué)生能夠想到要換用密度更大的液體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而自然界密度最大的液體就是水銀.

接著給學(xué)生介紹：其實(shí)很多年前就有科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室用水銀測出了大氣壓的大小，讓我們一起看看吧（播放托里拆利實(shí)驗(yàn)視頻），如此便自然而然的引出托里拆利實(shí)驗(yàn).

設(shè)計(jì)意圖：循序漸進(jìn)，步步為營，幫助學(xué)生理解托里拆利實(shí)驗(yàn)用水銀的原因，促進(jìn)學(xué)生從本質(zhì)上理解該實(shí)驗(yàn)，發(fā)展科學(xué)推理素養(yǎng).

3 反思與總結(jié)

在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，通過搭建思維支架并演示相關(guān)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠深刻理解托里拆利實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)，彌補(bǔ)了當(dāng)前托里拆利實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，同時(shí)強(qiáng)化了對(duì)轉(zhuǎn)換法這一科學(xué)方法的理解和應(yīng)用，在這個(gè)過程中，也發(fā)展了模型建構(gòu)、科學(xué)推理等素養(yǎng).

教師應(yīng)該“用課本”而不是“教課本”，課本只是教學(xué)的參考，對(duì)于教科書中不完善的內(nèi)容，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況“補(bǔ)齊”相關(guān)內(nèi)容，并設(shè)計(jì)更加科學(xué)的教學(xué)策略，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)內(nèi)容的深度理解.［2］這樣才能幫助學(xué)生建構(gòu)良好的知識(shí)體系，學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)才能得到真正提升.