創(chuàng)設(shè)實驗情境 促進(jìn)學(xué)生思維進(jìn)階

摘"要：創(chuàng)設(shè)實驗情境不僅是一種重要的教學(xué)策略，也是助力學(xué)生實現(xiàn)思維進(jìn)階的重要途徑。本文以“氣體的壓強”教學(xué)為例，探討如何利用實驗情境啟發(fā)思維、設(shè)計問題情境驅(qū)動思維、實施項目任務(wù)創(chuàng)新思維、實現(xiàn)從低階思維到高階思維的進(jìn)階，以期使學(xué)生的核心素養(yǎng)得以提升。

關(guān)鍵詞：實驗情境；任務(wù)設(shè)計；深度思維；核心素養(yǎng)

1"引言

物理課程是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，它旨在引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，進(jìn)而使學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，實現(xiàn)從低階思維到高階思維的進(jìn)階。那么，教師在教學(xué)中該如何創(chuàng)設(shè)實驗情境驅(qū)動教學(xué)任務(wù)，幫助學(xué)生實現(xiàn)知識建構(gòu)的思維進(jìn)階呢？本文以蘇科版物理八年級下冊第十章第三節(jié)“氣體的壓強”教學(xué)設(shè)計為例，探討創(chuàng)設(shè)實驗情境，設(shè)計任務(wù)驅(qū)動，幫助學(xué)生建構(gòu)大氣壓的概念，以期實現(xiàn)學(xué)生的思維深度進(jìn)階，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。概念課教學(xué)設(shè)計流程圖如圖1所示。

2"創(chuàng)設(shè)實驗情境，實現(xiàn)思維進(jìn)階的案例研究

2.1"設(shè)置懸念，激發(fā)學(xué)生思維

在新授課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，以實驗或真實情境導(dǎo)入新授內(nèi)容，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們盡快主動融入課堂教學(xué)。［1］教師展示兩個相同的礦泉水瓶子，并將兩只相同的氣球放入瓶子中，隨后將氣球口的橡皮圈翻轉(zhuǎn)過來套在瓶口上（見圖2）。

實驗情境1：吹氣球比賽。

師：上課前，老師想和同學(xué)們進(jìn)行一個小比賽——比一比，誰能把氣球吹得更大一些？有哪位同學(xué)想挑戰(zhàn)一下老師？

生：老師，我來、我來！

師：好的，那就你先來。

（教師貌似很“隨意”地把其中沒有小孔的瓶子遞給了他）

師：同學(xué)們，請大家注意觀察瓶子內(nèi)氣球大小有何變化？

生：氣球變大了！

師：氣球一直在變大嗎？和我們平時吹氣球時情形一樣嗎？

生：不一樣，瓶內(nèi)氣球剛開始明顯變大了，但后來好像就不再變化了，而平時用力吹氣球時，氣球會不斷變大直至最后被吹爆。

師：下面，請看老師的表演。

（教師邊說邊“裝模作樣”地深吸了一口氣開始吹）

生：老師太厲害了，吹得氣球快要把整個瓶子脹滿了！

師：現(xiàn)在，老師把瓶口從嘴里拿開了，瓶內(nèi)氣球大小有變化嗎？

生：沒有？！

（學(xué)生滿臉都是不可思議的神情）

師：老師還可以讓氣球乖乖變小，相信嗎？

（學(xué)生驚訝地看到，氣球在老師的命令下還真的“聽話”地變小了，不由發(fā)出一片驚嘆聲）

師：其實，老師的“特異功能”與我們這節(jié)課要學(xué)習(xí)的知識息息相關(guān)，通過本節(jié)課學(xué)習(xí)，老師相信你們自己就能夠揭開它的神秘面紗！

設(shè)計意圖：教師通過生活中常見的吹氣球活動創(chuàng)設(shè)實驗情境，設(shè)置與學(xué)生經(jīng)驗相悖的懸念，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生一探究竟的求知欲望。在這個實驗中，教師設(shè)置了三個懸念。第一，學(xué)生的氣球為什么很難被吹大？第二，教師的氣球為什么不會縮回去？第三，教師的氣球為什么能夠在教師的指令下“自動”變?。窟@三個懸念就像一個個開關(guān)，不斷地激發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生帶著好奇去學(xué)習(xí)新知，從而將課堂氣氛推向了第一個高潮。

2.2"創(chuàng)新實驗情境，促進(jìn)思維進(jìn)階

2.2.1"演示實驗，啟迪方法

演示實驗是物理教學(xué)中最常見的實驗類型之一。通過物理演示實驗，學(xué)生能夠更加直觀地認(rèn)識物理問題，并對其進(jìn)行深入的分析，從而找到解決問題的方向。在此過程中，學(xué)生分析問題和解決問題的能力都能得到鍛煉。［2］

實驗情境2：自動爬升的筆帽。

師：現(xiàn)在，老師將一端開口的長玻璃試管注滿水，再將一只塑料筆帽開口向上輕輕壓入水中，然后用手掌堵住試管開口端并快速將其倒置過來（見圖3）。同學(xué)們觀察到了什么現(xiàn)象？

生：試管中的水流出來了。

生：試管中的筆帽在不斷上升。

師：筆帽為何能自動爬升，這說明了什么？

生：說明了它受到一個向上的“托力”。

師：是老師給它的“托力”嗎？

生：不是的。

師：那么是什么物體給它的“托力”？請大家仔細(xì)思考一下。

生：是空氣。因為筆帽開口端只有空氣，別的什么也沒有。

師：回答非常棒。的確，筆帽是在大氣壓力作用下逆流而上的。

師：現(xiàn)在知道老師先向長試管中注滿水的原因了吧？

生：知道。為了排出試管中的空氣，使筆帽上端不受大氣壓力作用。

師：沒錯。在日常生活中，還有許多方法可以減小物體內(nèi)的氣壓。

設(shè)計意圖：教師通過“自動爬行的筆帽”創(chuàng)新實驗情境，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時，也為“氣體的壓強”的新課教學(xué)埋下伏筆。該實驗以直觀的實驗現(xiàn)象證實了大氣壓是真實存在的，為學(xué)生從低階思維向高階思維的發(fā)展搭建了腳手架，也充分彰顯了實驗情境創(chuàng)設(shè)的價值與意義。教師通過上面這個演示實驗，也讓學(xué)生了解了減小容器內(nèi)氣壓的一種方法——排水法。

2.2.2"趣味互動，加深體驗

物理學(xué)史是物理學(xué)的重要組成部分，它反映了物理學(xué)概念、定理、定律的醞釀、產(chǎn)生和發(fā)展的過程。以物理學(xué)史作為線索，將其合理地融入教學(xué)活動，讓學(xué)生親歷概念和規(guī)律建立的全過程，不僅有助于突破教學(xué)重點和難點，還能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。本節(jié)課中所涉及的“馬德堡半球?qū)嶒灐保褪强茖W(xué)史上一項著名的大型科學(xué)實驗。它不僅證明了大氣壓強的存在，還在科學(xué)界中產(chǎn)生了巨大的影響。

實驗情境3：模擬“馬德堡半球?qū)嶒灐薄?/p>

師：同學(xué)們聽說過“馬德堡半球?qū)嶒灐眴幔?/p>

生：聽說過！

師：想和老師一起親歷“馬德堡半球?qū)嶒灐眴幔?/p>

生：想！

（學(xué)生摩拳擦掌，躍躍欲試）

師：好！

（教師邊應(yīng)答邊拿出兩個盆底固定一段繩子的不銹鋼盆，如圖4所示）

師：今天帶的這兩個鋼盆替代當(dāng)年的兩個銅半球，當(dāng)年的實驗用馬拉的，今天咱用人拉！

師：現(xiàn)在，老師把盆緊扣在一起，哪兩位同學(xué)試一下能否拉開？

（兩位男生邊喊邊跑到講臺前，結(jié)果輕輕一拉繩子，盆立刻分開了）

師：不是說16匹馬才把馬德堡半球拉開嗎？難道他們的力氣比8匹馬的還大？這怎么回事？

生：老師，需要先把盆內(nèi)氣體抽出來。

師：怎樣把盆內(nèi)空氣排出來？

生：用抽氣機抽氣。

師：如果沒有抽氣機，還有沒有別的方法？

生：讓氣體受熱膨脹后排出再冷卻。

師：很有創(chuàng)意的想法，我們可以試一試！

（教師先將兩張餐巾紙點燃后扔進(jìn)金屬盆內(nèi)，緊接著將兩個金屬盆中間夾一個硅膠密封圈，緊扣在一起，為了使金屬盆快速冷卻，在外面用濕毛巾冷敷）

（由兩名學(xué)生實驗，發(fā)現(xiàn)拉不開后依次增加參與學(xué)生人數(shù)，直到拉開為止）

設(shè)計意圖：教師并未選擇讓學(xué)生觀看視頻，而是采用不銹鋼金屬盆現(xiàn)場模擬“馬德堡半球?qū)嶒灐?。實驗現(xiàn)象震撼人心，極大地增強了趣味性，使得學(xué)生的參與度提高，體驗極為深刻。這一教學(xué)方式不僅加深了學(xué)生對物理現(xiàn)象的理解，還在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的物理觀念。

2.2.3"設(shè)計方案，提升思維

通過上面的模擬“馬德堡半球?qū)嶒灐被顒?，學(xué)生不難得出是金屬盆外部的空氣將它們緊緊壓在一起的，并且大氣壓強是很大的。那么，大氣壓到底有多大？如何設(shè)計實驗方案來具體測量大氣壓？教材中估測大氣壓的方案是直接給出的，這雖然降低了實驗的難度，但是跳過了必要的設(shè)計過程，導(dǎo)致學(xué)生難以知其然又知其所以然。因此，筆者建議在上面活動的基礎(chǔ)上，設(shè)置問題情境引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計測量大氣壓的方案。該情境的受力示意圖如圖5所示。

問題情境：設(shè)計測量大氣壓的方案。

師：在上述活動中，假如能將兩個半球之間的空氣抽成接近真空，對其中一個半球進(jìn)行受力分析，它受哪些力？

生：受拉力、大氣壓力、另一個半球的彈力。

師：當(dāng)兩個半球剛好拉開時，受力又是怎樣的？

生：所受彈力變?yōu)?，大氣壓力近似等于拉力，根據(jù)壓強公式p＝F/S可估算出大氣壓強。

師：在實際操作的過程中，我們可能遇到哪些困難？

生：很難抽成接近真空。

生：需要拉開兩個半球的力太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常用彈簧測力計的量程。

師：如何改進(jìn)呢？

生：可以減小它的受力面積，如用受力面積較小的吸盤來替代。

師：很好，這位同學(xué)的想法很有新意。教材上實驗方案是利用注射器和彈簧測力計進(jìn)行測量，請分析它的可行性體現(xiàn)在哪些方面。

生：注射器的活塞和針筒相當(dāng)于兩個半球。

生：將注射器活塞推至針筒底端可以排出針筒內(nèi)的空氣，便于使針筒內(nèi)部產(chǎn)生一個接近于真空的環(huán)境。

生：注射器活塞橫截面積較小，作用在上面的大氣壓力也較小，一般不會超過實驗室常用彈簧測力計的量程。

生：活塞受力面積可以通過注射器針筒上所標(biāo)注的最大容積和針筒刻度部分長度的比值進(jìn)行求解。

師：同學(xué)們回答得太棒了！下面請大家按照所設(shè)計實驗方案和桌面上老師提供的實驗器材，分小組進(jìn)行實驗，并做好實驗數(shù)據(jù)記錄和處理。

設(shè)計意圖：高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動或認(rèn)知能力。按照布魯姆的教育目標(biāo)分類來定義，“記憶、理解、應(yīng)用”屬于低階思維的范疇，“分析、綜合、評價”屬于高階思維的范疇。在學(xué)生設(shè)計測量大氣壓的方案過程中，他們需要深入分析測量原理，確定待測的物理量以及所需的測量工具。此外，學(xué)生還需對所選實驗器材進(jìn)行可行性評估，并對實驗過程中收集的數(shù)據(jù)以及最終的實驗結(jié)果進(jìn)行誤差分析。因此，在測量大氣壓這個環(huán)節(jié)中，學(xué)生的高階思維得到了充分的訓(xùn)練和提升。

2.2.4"實施項目，創(chuàng)新思維

在學(xué)習(xí)了大氣壓的知識后，教師設(shè)置一個真實的問題情境：如何將池塘里的水抽出來灌溉田園？為了直觀演示這一過程，教師使用水槽來模擬池塘，并取出一根兩端開口的管子，將其豎直地放入水槽中。為了增強演示效果，教師還特意將水槽中的水染上了顏色，使得水流的變化更加清晰可見。

實驗情境4：手壓式直管抽水機。

師：如何利用大氣壓將水槽里的水通過管子抽上來？

生：把管子插入水槽中，用手指堵住管子上端，將管子提上來。

（教師按照學(xué)生的說法操作，發(fā)現(xiàn)水一直充滿整個管子。但是，當(dāng)管子下端離開水面，管子中的水又落回去了）

生：可以將管子上方的氣體抽掉，管子外的水在大氣壓的作用下就可以進(jìn)去。

師：在管子的上方通上抽氣機，抽氣機工作時，管子中的水的確升上來了，但是怎么取出上升的水呢？

生：紛紛搖頭，感覺沒有辦法。

（適時地演示用大拇指堵住管子的上端，向上提管子，再把手指松開，同時使管子向下運動，如此重復(fù)相同操作）

師：同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象？

生：（驚訝地發(fā)現(xiàn)）水從管子上端冒出來了。

設(shè)計意圖：教師的一系列“神奇”操作極大地激發(fā)了學(xué)生探索新知的渴望。隨后，教師適時地為學(xué)生答疑解惑。在這個過程中，教師的大拇指相當(dāng)于抽水機中一個單向閥門。當(dāng)管子向上運動時，大拇指堵住管口，此時水被大氣壓壓到管內(nèi)；當(dāng)管子向下運動時，大拇指松開，水便順暢地從管子上端流出。通過這樣不斷地重復(fù)操作，水就能源源不斷從管子上端涌出。如果將手指換成裝有球的單向閥門，再結(jié)合可以上、下運動的活塞，就可以制成生活中常見的手壓式抽水機（見圖6）。最后，教師再借助多媒體演示活塞式抽水機的工作過程（見圖7），讓學(xué)生更加直觀地理解它的工作原理。

2.3"創(chuàng)新實踐作業(yè)，實現(xiàn)思維進(jìn)階

在真實的問題情境中開展項目式跨學(xué)科實踐活動，能夠為學(xué)生提供一個相對開放和多元的學(xué)習(xí)環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，學(xué)生通過教師的有效引導(dǎo)和同伴之間的積極互助，能夠自主完成活動任務(wù)，實現(xiàn)知識的綜合應(yīng)用與能力的提升。因此，教師給學(xué)生布置課外實踐作業(yè)，要求學(xué)生利用可樂瓶、電動機、瓶蓋、熱熔膠槍等器材，設(shè)計并制作簡易的抽水機模型。部分學(xué)生制作出了比較有創(chuàng)意的作品（見圖8）。在制作過程中學(xué)生手腦并用，不僅加深了對所學(xué)知識的理解，也激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望。同時，制作的成功所帶來的喜悅和成就感也極大地鼓舞了學(xué)生。

3"結(jié)語

課堂是實施教學(xué)的主陣地。物理教師在課堂中應(yīng)精心創(chuàng)設(shè)實驗情境，以學(xué)生的思維進(jìn)階為主線，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)知識并熟練應(yīng)用，從而引導(dǎo)學(xué)生思維不斷深化，最終確保核心素養(yǎng)能夠真正在學(xué)生心中扎根，并促進(jìn)其持續(xù)成長。

參考文獻(xiàn)

［1］姜棟強.思維場視角下促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維進(jìn)階的實踐研究——以“電阻”教學(xué)為例［J］.物理之友，2022，38（9）：10"-12，25．

［2］曹健.演示實驗對教學(xué)促進(jìn)作用的思考［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（8）：95"-96．

*基金項目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“初中物理‘進(jìn)階展學(xué)’的課堂實踐研究”（課題編號：C"-c/2020/02/33）階段性研究成果。