“支架式”教學設計在托里拆利實驗中的運用

焦 明

(南京樹人國際學校 江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

由于水銀有毒，現階段初中教材已不再提倡教師演示托里拆利實驗.但不做實驗，學生對這一節內容的認識和理解會大打折扣，為了避免學生失去對這一經典實驗的感性認識的機會，多數教師會選擇播放教學視頻.但筆者發現即使如此，在教學過程中，仍然困難重重.很多學生在理解實驗原理時存在思維障礙.例如：

(1)從學生的生活經驗來看，大氣壓是向下的，怎么會向上將水銀柱托起來呢？水銀柱是大氣壓托起來的嗎？

(2)由于人們始終生活在大氣之中，對大氣壓的存在“毫無感覺”，不少學生認為是水槽中的水銀托起了玻璃管中的液柱，或者是起到部分參與托起液柱的作用.

2 嘗試

為了解答學生們心中的疑惑，筆者曾經采用演繹推理的方法進行解釋.如圖1所示, 設大氣壓為p0，設想在管內與管外水銀面相平處取一液片AB，由于液片AB靜止不動，可知作用在液片AB上向下和向上的壓力相等，即F下=F上.向下的壓力是在液片AB上方的水銀重產生的，即F下=G=ρghS，式中ρ為水銀的密度，S為液片的面積.向上的壓力是由于大氣壓產生的，它等于F上=p0S.又因F下=F上，所以ρghS=p0S，化簡得p0=ρgh.即大氣壓等于管內高為h的水銀柱產生的壓強.

圖1

但在實際授課中，由于蘇科版教材中沒有涉及連通器原理和帕斯卡定律部分的知識，學生對于液體有傳遞壓強的特點，即“加在密閉液體上的壓強，能夠大小不變地被液體向各個方向傳遞”沒有建立感性的認識.還是有很多學生不能理解加在水銀面上的大氣壓強能夠由水銀傳遞到液片上，進而影響了對整個實驗的理解.

3 改進方案

建構主義理論告訴我們，人類學習的過程是一種認知建構的過程.學生學習的過程常常會走很多彎路，如同科學家在發現過程中要歷經曲折一樣.受此啟發，筆者在課后學習了有關科學家托里拆利測量大氣壓值的物理學史.發現教師雖不能在課堂上直接再現托里拆利實驗，但可以采用支架式教學設計的模式設計其他的一些替代實驗來幫助學生理解，也能取得較好的教學效果.

支架1:

(1)如圖2所示,將一試管倒扣在盛有水的燒杯中.引導學生觀察，發現試管中水面不會上升.

圖2

(2)如圖3所示，在試管中注入少量水，用酒精燈加熱試管底部，當試管內水開始沸騰，管口出現大量白霧時，迅速將試管倒扣在盛水的燒杯中.引導學生觀察，發現試管中水面逐漸上升，但不能升至試管頂部.(如圖4)

圖3

圖4

設計意圖：

(1)此實驗可安排在蘇科版教材活動10.6“體驗大氣壓強存在”即觀察易拉罐被大氣壓壓扁實驗之后.這兩個實驗都是利用水蒸氣排擠出空氣，水蒸氣降溫后液化為水從而減少氣體的方式減少了容器內的氣壓.雖然實驗的現象不同，但原理類似，學生在認知這一實驗時能很快和教師產生共鳴，認識到試管中水柱的上升是由于內外氣壓差的作用，即外界大氣壓托起了試管中的水柱.這就解決了學生原有的第一個思維困惑，即大氣壓強雖然向下作用于水面，但在試管內氣壓較小的情況下，大氣壓能夠將燒杯中的水擠壓入試管中，即向上托起一定高度的水柱.

(2)此實驗分成兩個部分，第一部分(圖1)看似雞肋，沒有明顯的實驗現象.但可和后來的第二部分(圖2)實驗現象形成鮮明的對比，從而解決了部分學生的第二個思維困惑,即試管中水柱的上升只與氣壓的差值有關，和燒杯內液體壓強無關.

(3)此器材簡單易得，且操作方便，實驗現象相當明顯，成功率非常高且不存在安全隱患.

支架2：

(1)讓學生思考問題：“上述實驗中水為什么不能充滿整個試管？”“怎樣改進能讓水充滿整個試管？”“如果試管無限長，水是否可以無限地上升呢？”通過學生討論，引發思考，過渡到測量大氣壓值的實驗中來.

(2)播放教學視頻：“大氣壓托起約10 m高的水柱”.

設計意圖：

這幾個“階梯式”的問題情境在前兩個實驗的基礎上引申開來.既符合學生的認知規律，降低了學習的難度，又引導學生步步深入，從“體驗大氣壓存在”到“測量大氣壓值”的主題中來.

支架3：

(1)教師組織學生思考：“通過上述實驗，你能計算出大氣壓強的值大約為多大嗎？”“大氣壓托起10 m高的水柱實驗顯然在操作上是很不方便的，你能改進實驗器材，使其簡便易行嗎？”通過學生討論，使其明確托里拆利實驗中使用水銀作為研究對象的原因.

(2)播放教學視頻：“托里拆利實驗”.

(3)引導學生計算76 cm水銀柱產生壓強大小，并和10 m水柱產生壓強大小以及課本提供的一個標準大氣壓的值進行比較.引導學生分析這兩種測量大氣壓值實驗的異同以及實驗誤差產生的原因.

設計意圖：

支架3的教學設計借鑒了科學家托里拆利設計托里拆利實驗的物理學史，旨在幫助學生搭建“能力遷移”支架.不僅讓學生學到物理知識，更能深入其中，鍛煉其物理思維，體驗實驗設計的樂趣.從而構建知識體系，完成托里拆利實驗教學的的“封頂”工作.

4 效果評價和反思

從課堂的實際效果來看，這一支架式的教學設計遵循了學生認知事物的規律，從學生身邊最常見的實驗器材出發，小步推進，層層深入.不僅成功地突破了教學的難點和重點，更發展了學生探究、推理和運用物理知識解決實際問題的能力.

教學設計中使用的實驗器材和實驗方法都遵循了經濟、有效、簡單安全的原則.這一實驗雖不能真實測出大氣壓的值，但在降低學生的思維難度、激發學生的學習興趣上起到了積極的作用.

參考文獻

1 王志國.在問題情境中打造支架式物理課堂.物理教師,2012(10)：17～19

2 劉炳升.繼承與創新.南京:江蘇科學技術出版社,2007.1