電視科學實驗節(jié)目資源在初中物理教學中的應用探討
——以“大氣壓強”為例

斯莉莎 吳 偉

(南京師范大學教師教育學院，江蘇 南京 210097)

自基礎教育課程改革以來,課程資源的開發(fā)與利用一直備受關注.義務教育物理課程標準(2011年版)提出要充分開發(fā)社會教育資源,它們主要來源于報刊、電視、展覽、科技館、少年宮、公共圖書館,以及工廠、農(nóng)村、科研單位、大專院校等.[1]其中電視節(jié)目中的科學實驗節(jié)目在供給大眾娛樂的同時也為初中物理的教學提供了豐富、精彩的課程資源.[2]本文將以中央電視臺《加油!向未來》節(jié)目為例,分析電視科學實驗節(jié)目作為初中物理課程資源的獨特優(yōu)勢,并以“大氣壓強”為例,探討哪些視頻資源可供教學利用,以及該如何有效地在課堂教學中使用這類資源.

1 科學實驗節(jié)目特點分析

《加油!向未來》是央視綜合頻道在2016年暑期檔推出的科學實驗節(jié)目.節(jié)目通過驚險有趣的物理、化學和生物實驗展示了科學的“奇美趣用”,努力做到以最形象生動的方式展示科學實驗,以最淺顯易懂的形式解釋科學原理. 從課程資源的視角來看,該節(jié)目具有以下3個重要的特點.

1.1 節(jié)目資源豐富,實驗效果震撼

為了給觀眾呈現(xiàn)震撼、精美的實驗效果,節(jié)目組不僅需要提前準備足夠的物資、財力和人力,還需嚴格挑選實驗裝置、精心設計實驗環(huán)節(jié)、謹慎進行實驗操作,甚至需要借助場內外聯(lián)動來完成一些大型實驗.

1.2 高清攝影記錄,實驗現(xiàn)象清晰

為了能讓觀眾看到清晰的實驗過程和實驗現(xiàn)象,節(jié)目組利用高清攝影機對實驗演示進行多角度、全方位的攝影記錄,并對重要的物理實驗現(xiàn)象進行全視角慢鏡頭回放.此外在每個實驗驗證后都會有未來博士鄧楚涵對其原理進行分析,其語言通俗明了、簡單易懂,既有助于學生的理解,也為教師錘煉自己的課堂語言提供樣本參考.

1.3 巧用明星效應,強化情感體驗

節(jié)目巧用明星效應,每期都會邀請深受青少年喜愛的嘉賓參與節(jié)目,例如航天英雄楊利偉、天才鋼琴家郎朗、演藝小鮮肉TF boys.而這些富有影響力的嘉賓也必然會引起中學生對于節(jié)目的關注和喜愛,同時也會使他們對于實驗的驗證過程和結果更加關切.

2 節(jié)目內容分析

《加油!向未來》這檔大型電視科學實驗節(jié)目自2016年播出以來共有兩季22期節(jié)目,在對每期節(jié)目進行分析之后發(fā)現(xiàn)有許多有關物理的實驗資源可引入初中物理教學,表1所示的是以“大氣壓強” 這節(jié)內容為例總結出的可供選擇的相關實驗視頻資源.

以下本文將以教材的知識點順序為軸,探討在哪些環(huán)節(jié)可以使用這些視頻資源,以及如何利用其進行教學.

2.1 體驗大氣壓的存在

視頻1： 吸塵器吸人.在驗證最少幾臺吸塵器能將成年男子吸起的實驗中,嘉賓尼格買提穿上護具后被固定在中空木盒人形板上,5臺吸塵器通過木盒擴大吸力將嘉賓吸住懸在空中,之后依次關掉吸塵器以驗證實驗結果,實驗裝置如圖1所示.最終答案為僅需一臺吸塵器就能將一名約70 kg的成年男子吸起.該實驗的原理是吸塵器吸出木盒中的部分氣體之后,就使其與外界形成了壓強差,由于大氣壓的存在人就被牢牢吸在了空中.

表1 有關“大氣壓強”電視科學實驗節(jié)目視頻內容

圖1 吸塵器吸人實驗裝置圖

視頻2： 被瞬間壓癟的鐵桶.在驗證被加熱的鐵桶倒扣入哪種物質中會被壓癟的實驗時,首先展示的是肌肉男用大鐵錘猛砸多次才使鐵桶嚴重變形,之后依次將鐵桶倒扣入冰塊、液氮和常溫水中.結果顯示,當鐵桶被倒扣入常溫水時,會被瞬間壓癟并伴隨巨響.該實驗原理是,加熱使鐵桶中原有的水變成水蒸氣,當將它倒扣入常溫水時水蒸氣會迅速冷凝并收縮以致桶內氣壓迅速降低,最終在外界大氣壓的作用下被迅速壓癟;而由于冰塊有縫隙以及液氮容易氣化,都可及時補充桶內氣體的收縮,因此鐵桶就不會被壓癟.

視頻1中的吸塵器是大部分家庭所擁有的清潔電器,在學生的生活常識中,大多認為吸塵器僅能吸入輕小的物質例如灰塵、紙片、毛發(fā)等.因此視頻中僅需一臺吸塵器就能將男嘉賓吸起,這與他們原有的生活經(jīng)驗形成強烈的反差.同樣在鐵桶的實驗中首先展示的是肌肉男猛砸鐵桶才使其嚴重變形,而后其倒扣入常溫水時鐵桶卻被瞬間壓癟,這前后又一次形成了強烈的對比.這種與學生潛意識形成的強烈反差更能夠激發(fā)他們的疑問,調動起他們學習的興趣.與此同時,懸空的人和被壓癟的鐵桶以及伴隨的巨響可以極大地刺激學生的視覺和聽覺,使他們有更豐富的認知體驗,能夠更直觀地感受大氣壓的存在.因此教師在大氣壓強這節(jié)課的導入教學環(huán)節(jié)可選取以上的任意一個視頻進行展示.

通過播放這個視頻來演示實驗過程之后,可能會引起部分學生對于實驗真實性的懷疑,而物理是求真的,是講究實證的[4].因此為了解決這些學生的疑慮,教師可以根據(jù)江蘇鳳凰科學技術出版社教材所設計的活動,采用易拉罐被壓癟的實驗來確證科學節(jié)目中實驗的真實性.為學生養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度樹立榜樣,并引導學生形成判斷大眾傳媒信息是否符合科學的意識.

2.2 估測大氣壓的值

圖2 玻璃杯吊人實驗裝置圖

視頻3： 玻璃杯吊人.在驗證玻璃杯吊人的實驗中,兩組嘉賓分別由圖2所示的3只裝滿水并用橡膠墊密封的玻璃杯吊于空中,之后將會由實驗員根據(jù)兩組所選擇的答案敲碎多余的杯子,而回答錯誤的嘉賓將會受到敲碎所有玻璃杯秋千垂直落下的懲罰.最終實驗驗證僅需一只玻璃杯就能將兩名嘉賓吊于空中.其原理是當杯內的空氣被排出,外界氣壓就對橡膠墊形成了很大的垂直向上的壓力,經(jīng)過粗略的計算,一只玻璃杯約能吊起400 kg的重物.

視頻4： 肚子吸鍋拉動重卡.驗證吸附在肚子上的鍋是否能拉動重9.6t的重卡的實驗,是由實驗員周師傅將鍋內空氣排出一部分然后扣在肚子上,并用此裝置拉動重卡運動2m的距離.其原理與上一個實驗類似,只是該實驗未將空氣全部排出,而是排除部分形成壓強差,使外界氣壓作用在鍋上,將鍋緊緊地壓在肚子上.

這兩個實驗與教師在課堂中常做覆杯實驗同出一轍,但第1個實驗增加了吊取重物的設計,第2個實驗增加了拉動重卡的設計.在實驗呈現(xiàn)之初學生對于成人和重卡的質量會有預判,無論是吊起成人還是拉動重卡都需要很大的力,而在實驗過程中尤其是結果呈現(xiàn)之后,學生在驚嘆之余會更直觀地感受到大氣壓的力量.以上兩個片段可選擇性地用于以下兩處教學.

由于覆杯實驗取材和操作都較為簡單并且實驗現(xiàn)象較為明顯,許多教師在設計大氣壓強這節(jié)課時都會加入該實驗.但是如果我們將實驗與以上教學視頻配合使用,就能產(chǎn)生更好的教學效果.例如,當教師演示完簡單的覆杯實驗后,向學生提問“能否在紙板下方垂吊重物?”學生會根據(jù)生活經(jīng)驗做出預判,大部分學生會認為不能垂吊重物,或是只能垂吊較小的物體.然后當教師播放以上玻璃杯吊人的視頻時,學生因有預判也會更加期待實驗的結果.而當實驗結果與學生預判有較大差異時,學生不僅能對實驗結果印象更加深刻,也會對“大氣壓的大小”有更深刻的體驗.

“估測大氣壓的值”是江蘇鳳凰科學技術出版社教材中的探究實驗,這對于提高學生實驗操作能力、數(shù)據(jù)測量和計算能力都很有幫助,但是該設計缺少了激發(fā)學生實驗動機這個環(huán)節(jié).我們需要讓學生明白為什么要估測大氣壓的值,知道大氣壓的值對我們的生活有什么用處.因此在教學設計中引入該視頻片段,學生會好奇“大氣壓究竟有多大,竟能把兩個人吊起來,竟能拉動一輛重卡”,這更有助于學生認識到實驗的重要性和必要性,從而使學生更加主動地學習和進行實驗操作.此外,學生通過實驗活動和教材總結可以知道大氣壓準確的值,這時也可以利用視頻3對學科基礎較好的學生進行提升訓練,引導他們計算一只玻璃杯究竟能吊起多重的物品.這是對壓強公式p=F/S的靈活運用,因為學生需要將原公式化解為F=Sp進行計算;并且也是對學生知識遷移能力的提升,因為學生需要從熟悉的固體壓強計算轉化為陌生的氣體壓強計算.

2.3 大氣壓的變化

視頻5： 超低壓下的“人”.實驗欲模擬無保護狀態(tài)的人體,在海拔不斷升高周邊氣壓逐步降低時,身體部位發(fā)生的變化.如圖3所示,其中棉花糖模擬人的頭部、氣球模擬人的頭部、氣球模擬人的肺部、燒杯中的水模擬人體中的水，利用真空抽氣系統(tǒng)來模擬從地面到航天員途徑高度20000m的大氣壓變化.實驗顯示當海拔達到14000m時，棉花糖嚴重膨脹、氣球爆裂;當海拔到達19000m時,燒杯中的水沸騰.該實驗中水沸騰的原理是,液體的沸點會隨外界的氣壓變化而變化.

圖3 (超低壓人體模擬實驗裝置圖)

在蘇教版教材“生活·物理·社會”的板塊中介紹了高壓鍋的原理,其中配有一個簡易的實驗:將剛注入沸水的燒杯塞緊瓶塞后倒置,而后在燒杯底部澆上冷水,此時會發(fā)現(xiàn)水又重新沸騰.書本以此來解釋水的沸點與大氣壓的關系,以及高山上的食物為什么不易煮熟[5].然而學生理解這個實驗現(xiàn)象需要進行兩次思維轉化:一是冷水澆燒瓶導致溫度變低,然后氣體收縮;二是氣體收縮導致氣壓變小,這連續(xù)的兩次思維轉化對于初中生具有一定的難度.若用以上視頻就可以很好地規(guī)避這一思維轉變的環(huán)節(jié),因為實驗員是通過抽氣泵直接將空氣抽出來降低氣壓的,并且學生可通過觀察氣壓表盤直接知道裝置內部的氣壓.此外實驗所采用的是常溫水并不是開水,常溫水在低壓下不需要加熱就能沸騰,更有利于學生理解“液體的沸點與大氣壓的關系”.因此若將以上實驗視頻引入“大氣壓的變化”這一知識點的教學過程中,不僅能讓學生更形象地理解大氣壓與海拔高度的關系,還能讓學生知道氣壓對于我們身體的影響.

2.4 流體壓強與流速的關系

視頻6： 懸浮的氣球環(huán)與泡沫碗.在有關流體壓強與流速的實驗中,節(jié)目組選擇了泡沫大碗、氣球花環(huán)、泡泡云朵作為實驗物品,來驗證哪種物品不能在吹風機上懸浮.實驗結果如圖4所示,泡沫大碗和氣球花環(huán)都成功地懸浮于吹風機上,而泡泡云朵由于自身密度比空氣小,不需要吹風機便會向上運動,在吹風機的作用下便會“灰飛煙滅”.泡沫大碗和氣球花環(huán)能在空中懸浮的原理為伯努利原理,即氣流和水流的流速越快,則流體產(chǎn)生的壓強越小.

圖4 氣球環(huán)和泡沫碗懸浮展示圖

色彩斑斕的氣球花環(huán)和充滿喜感的泡沫大碗增加了學生的視覺體驗和美感體驗,同時實驗中不可思議的現(xiàn)象也調動學生對于其原理的探知欲望,因此該片段可用于伯努利原理的教學引入,使學生更加關注教師所教授的知識.同時教師還可以設計現(xiàn)場演示實驗“吹風機吹乒乓球”,并由實驗現(xiàn)象向學生提問“為什么乒乓球會跟著吹風機運動”,來引發(fā)學生思考以培養(yǎng)學生運用理論知識解釋實驗現(xiàn)象的能力,從而形成從現(xiàn)象到本質,再由本質到現(xiàn)象的良性學習循環(huán).

3 小結

總之,將電視科學實驗節(jié)目作為課程資源引入物理教學,這不僅能為學生創(chuàng)設輕松愉悅的學習情境,調動他們的學習興趣;也能讓他們更加深入地觀察實驗現(xiàn)象,學到更多物理知識和物理方法;還能豐富學生的課外活動,改變娛樂與學習完全割裂的局面.這些都有助于學生形成“寓學習于娛樂,寓娛樂于學習”的思想觀念,有利于發(fā)展他們自主探索知識、學習知識和享受知識的能力,最終提升自身的核心素養(yǎng).電視科學實驗節(jié)目并不能完全替代課堂中的真實物理實驗,而是需要教師選擇精彩的視頻片段與常規(guī)的教學手段進行配合使用,以達到最好的教學效果.