優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué) 培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)
——以“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”為例

(西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心,重慶 400715)

當(dāng)前,培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)已成為課程改革的主要內(nèi)容,物理學(xué)科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面構(gòu)成。如何在物理課堂教學(xué)中落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo),是課堂教學(xué)需要不斷探索的問題。本研究以“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”為例,優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)和物理實(shí)驗(yàn),以此來詮釋良好的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)方面的重要意義。

1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”是人教版物理八年級(jí)下冊(cè)第九章的內(nèi)容,是在“液體的壓強(qiáng)”和“大氣壓強(qiáng)”的基礎(chǔ)上,對(duì)壓強(qiáng)概念和相關(guān)原理認(rèn)識(shí)的拓展。本文通過“隔杯吹蠟燭”的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)引入,在經(jīng)典“吹紙張”的實(shí)驗(yàn)中,創(chuàng)設(shè)激發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的問題情景,鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想,進(jìn)行探究驗(yàn)證，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)論。最后,通過對(duì)吸塵器的工作原理的介紹,將本節(jié)課的知識(shí)融會(huì)貫通,讓學(xué)生領(lǐng)略用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的巨大魅力。

2 流體壓強(qiáng)與流速的教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 情境導(dǎo)入,提出疑問

教師拿出一支點(diǎn)燃的蠟燭,向全班同學(xué)提問:如何才能使蠟燭熄滅？學(xué)生回答：吹氣,用水澆滅。教師繼續(xù)提問:如果要讓蠟燭吹不滅,又該怎么辦？然后教師拿出一張小紙片,隔著小紙片吹氣(如圖1),觀察到蠟燭會(huì)熄滅,學(xué)生解釋:可能是紙片太小擋得不夠嚴(yán)實(shí)。教師拿出一個(gè)玻璃杯,請(qǐng)幾位同學(xué)檢查玻璃杯是否有“洞”,發(fā)現(xiàn)玻璃杯完好無損,把點(diǎn)燃的蠟燭放進(jìn)去,對(duì)著杯底吹氣,蠟燭還會(huì)熄滅嗎(如圖2)？學(xué)生回答：蠟燭不會(huì)熄滅。教師演示隔杯吹蠟燭,發(fā)現(xiàn)放在杯子里的蠟燭被吹滅，為什么？由此引入新課內(nèi)容。

圖1

圖2

設(shè)計(jì)意圖:以學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)和原認(rèn)知為生長(zhǎng)點(diǎn),引入一個(gè)能引起學(xué)生認(rèn)知沖突的問題情景。從一個(gè)吹蠟燭的生活情境出發(fā),轉(zhuǎn)而探討如何才能使蠟燭吹不滅,從隔著紙片吹氣到隔著杯子吹氣,逐漸遞進(jìn)。到隔著沒有“洞”的玻璃杯杯吹氣時(shí),蠟燭居然熄滅了,給學(xué)生留下了深刻的印象,讓學(xué)生帶著懸念進(jìn)入課堂,從而激發(fā)學(xué)生對(duì)物理原理探索的興趣。

2.2 理解概念,逐步深入

由空氣和泉水圖片,引出流體、流速的概念。前面我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過液體內(nèi)部壓強(qiáng)和大氣壓,它們都是流體靜止時(shí)的壓強(qiáng)。當(dāng)流體處于流動(dòng)狀態(tài)時(shí)又會(huì)發(fā)生怎樣的現(xiàn)象？展示小車駛過,樹葉飄動(dòng)的圖片,引發(fā)同學(xué)們思考。

設(shè)計(jì)意圖:從身邊的物理現(xiàn)象入手,鞏固舊知,引出新的概念,引入本節(jié)課將要探究的內(nèi)容。將流體流動(dòng)的流速與壓強(qiáng)結(jié)合起來,為學(xué)生進(jìn)行有依據(jù)的科學(xué)猜想奠定基礎(chǔ)。

2.3 觀察發(fā)現(xiàn),提出猜想

圖3

教師拿出平行自然下垂的兩張紙,通過往它們中間吹氣的辦法(如圖3),來改變氣體的流速,請(qǐng)同學(xué)們猜想紙片會(huì)發(fā)生怎樣的變化？教師向兩張紙中間吹氣,學(xué)生仔細(xì)觀察。

提出問題:為什么向兩張紙中間吹氣的時(shí)候,紙張反而向中間靠攏？

教師引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象入手,通過紙張受到的壓力進(jìn)行分析,得出氣體壓強(qiáng)與流速的猜想。

設(shè)計(jì)意圖:教師創(chuàng)設(shè)能引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的問題情景,打破學(xué)生原有認(rèn)知平衡,學(xué)生開始對(duì)自己的觀念產(chǎn)生疑點(diǎn),迫切要求改變?cè)杏^念以求得新平衡,[3]通過觀察“吹紙”的現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行猜想,從而喚起學(xué)生科學(xué)探究的欲望。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行探究

(1)驗(yàn)證猜想

圖4

實(shí)驗(yàn)裝置:3個(gè)標(biāo)有A、B、C的透明塑料管、3個(gè)乒乓球,將乒乓球放在塑料管中,3個(gè)乒乓球保持在同一豎直線上(如圖4)。

教師通過電吹風(fēng)吹氣,來改變乒乓球右側(cè)空氣的流速,如果乒乓球右端的壓強(qiáng)發(fā)生變化,那么它還能靜止嗎？學(xué)生回答:不能，乒乓球會(huì)向左或向右發(fā)生運(yùn)動(dòng)。可以從乒乓球的運(yùn)動(dòng)方向來判斷壓強(qiáng)的變化，如果用電吹風(fēng)吹塑料管右端的時(shí)候,請(qǐng)同學(xué)們猜測(cè)一下,乒乓球會(huì)往哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？

教師用電吹風(fēng)豎直向下吹塑料管右端,學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

學(xué)生觀察到乒乓球往右運(yùn)動(dòng),這是為什么？

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析,乒乓球向右運(yùn)動(dòng),說明右邊的壓強(qiáng)減小,左邊的壓強(qiáng)不變,產(chǎn)生向右的壓力差,把乒乓球往右壓出,從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖:引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)探究活動(dòng),通過學(xué)生觀察、理性分析,提升學(xué)生的思維品質(zhì)。本實(shí)驗(yàn)用電吹風(fēng)吹氣來改變氣體的流速,教會(huì)學(xué)生利用轉(zhuǎn)換法,通過觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng)情況,來判斷大氣壓的變化情況，并得到氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

(2)深入探究

當(dāng)老師打開電吹風(fēng)的一瞬間,三個(gè)乒乓球并不是同時(shí)運(yùn)動(dòng)出來,而是離吹風(fēng)口近的A管中的乒乓球最先出來,教師提問:這是什么原因引起的？引導(dǎo)學(xué)生從空氣流速不同的角度進(jìn)行回答，再提問:空氣流速的不同又該如何判斷？

教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，所用裝置為紙風(fēng)車、鐵架臺(tái)、電吹風(fēng)。

圖5

教師采用學(xué)生童年玩過的紙風(fēng)車,紙風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢與風(fēng)速有關(guān)。教師將電吹風(fēng)和紙風(fēng)車固定好后放在同一水平線上(如圖5),移動(dòng)紙風(fēng)車時(shí),請(qǐng)同學(xué)們注意觀察紙風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)快慢情況，觀察到在離吹風(fēng)口近的地方,紙風(fēng)車轉(zhuǎn)動(dòng)得快,空氣流速較大。進(jìn)而想到A塑料管右側(cè)空右側(cè)空氣流速快，壓強(qiáng)較小,所以A塑料管中的乒乓球左右兩端的壓力差也就越大,它就先從塑料管中運(yùn)動(dòng)出來。

設(shè)計(jì)意圖:從學(xué)生的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)出發(fā),設(shè)計(jì)出富有新奇感的趣味實(shí)驗(yàn),可獲得良好的教學(xué)效果。[4]對(duì)于不可見的空氣流速,通過紙風(fēng)車的轉(zhuǎn)動(dòng)情況,來進(jìn)行定性描述,再進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析、解釋,從而達(dá)到融會(huì)貫通、學(xué)以致用的目的。

(3)類比推理

學(xué)生利用放置在桌面上的實(shí)驗(yàn)器材,探究液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系,實(shí)驗(yàn)器材包括:裝有水的水槽、兩只小船、注射器。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系,從而得出結(jié)論。

設(shè)計(jì)意圖:對(duì)于液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系,學(xué)生類比氣體壓強(qiáng)與流速的研究方法,教師鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究、觀察現(xiàn)象、歸納分析、得出結(jié)論,讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程,培養(yǎng)科學(xué)探究能力。

2.5 拓展提高,解釋應(yīng)用

(1)揭秘奇跡

圖6

教師對(duì)著水杯的杯底吹氣時(shí),杯身和杯口上方的空氣流速增大壓強(qiáng)減小,杯內(nèi)的氣壓大于杯口外側(cè)的氣壓,杯內(nèi)的空氣在壓強(qiáng)差作用下就會(huì)向外流,蠟燭就是被這股急劇向外流出的氣體給熄滅的。

(2)簡(jiǎn)易吸塵器

教師向同學(xué)們展示自制教具，學(xué)生觀察到紙盤中的碎紙屑都被吸到塑料瓶里(如圖6),教師提問:這實(shí)際是什么裝置？學(xué)生回答:簡(jiǎn)易吸塵器。老師請(qǐng)同學(xué)在課后思考它的工作原理，并鼓勵(lì)感興趣的同學(xué)自己動(dòng)手制作。

設(shè)計(jì)意圖:首尾呼應(yīng),活學(xué)活用,隔杯吹蠟燭的神秘之處在于應(yīng)用了氣體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系,與學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知相沖突,從而激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。物理從生活中來,再到生活中去,對(duì)簡(jiǎn)易吸塵器工作原理的解釋,使學(xué)生體會(huì)到物理就在身邊,并加深學(xué)生對(duì)流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系的理解,從中體會(huì)到學(xué)習(xí)物理的樂趣。

3 教學(xué)反思

“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”與人們的日常生活密切相關(guān),許多現(xiàn)象都可以運(yùn)用這個(gè)原理來解釋,大多數(shù)老師在上課的時(shí)候,會(huì)選擇一系列的小實(shí)驗(yàn)來得到結(jié)論,這樣的課堂看似有趣,學(xué)生們很喜歡參與其中,但是卻缺乏科學(xué)探究的體驗(yàn),不利于學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。而本節(jié)課的創(chuàng)新之處在于讓學(xué)生通過提出問題、猜想、觀察、實(shí)驗(yàn)探究、驗(yàn)證、應(yīng)用等步驟,經(jīng)歷完整的科學(xué)探究過程,在學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)、訓(xùn)練技能的同時(shí),學(xué)生的科學(xué)探究能力、科學(xué)思維也得到培養(yǎng)和發(fā)展。

本節(jié)課的另一個(gè)創(chuàng)新之處在于創(chuàng)設(shè)激發(fā)認(rèn)知沖突的問題情境,從而使學(xué)生產(chǎn)生解決矛盾的迫切心理,調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性,使學(xué)生在提升物理技能的同時(shí),培養(yǎng)對(duì)科學(xué)的興趣。從課前“隔杯吹蠟燭,會(huì)不會(huì)熄滅”到課中“吹紙張、紙張會(huì)向兩邊分開還是會(huì)向中間靠攏”的實(shí)驗(yàn),學(xué)生通過生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)在頭腦中已有答案,而當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)與呈現(xiàn)在眼前的物理現(xiàn)象不吻合時(shí),鼓勵(lì)學(xué)生大膽猜想,讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)探究的真正主人,帶著問題進(jìn)行觀察和思考，從而培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。