“大氣壓強”教學中“覆杯實驗”的改進與思考

黎 莎

(中國傳媒大學附屬中學 北京 100021)

“大氣壓強”是學生學習了壓強與液體壓強之后開展的內容，既是液體壓強知識的延續拓展，也是學習流體壓強與浮力的基礎.“大氣壓強”作為初中物理學習中的重要概念之一，加上“大氣壓強”與生活聯系密切，涉及的實例及有趣的實驗較多，一直以來都是廣泛研究的內容.

在“大氣壓強”的教學設計中，主要圍繞3部分進行教學[1]：

(1)大氣壓強是否存在？

(2)大氣壓強有多大？

(3)大氣壓強的應用.

在這3部分的教學過程中，“覆杯實驗”作為比較經典的演示實驗，因為效果明顯、操作簡單，一直以來倍受青睞，成為教師授課時比較常用的演示實驗.然而，“覆杯實驗”也引起一些問題，比如學生質疑是水黏住了紙片，水杯中沒有灌滿水時紙片也可以不掉落，學生的質疑給大氣壓強的后續教學造成了影響.“大氣壓強”的教學目的之一就是學生能夠運用所學知識驗證并解釋大氣壓強的存在，這就不得不引出“氣壓”的概念，雖然教材中沒有提到，但是在學生解釋大氣壓強的常見現象及應用中是必不可少的，因此在教學過程中有必要建立“氣壓”的概念，使學生區分“大氣壓強”與“氣壓”的區別.

初中物理課堂教學中，演示實驗是提高學生學習興趣、啟發學生思考的重要環節[2]，從教學的目的出發，對演示實驗進行改進是有必要的，加上教師啟發式的提問，一步步引導學生學習知識.本文針對“大氣壓強”教學中“覆杯實驗”出現的問題進行改進，解決上述疑問，充分實現演示實驗的教學功能，利用“覆杯實驗”實驗器材將演示實驗做“透”，激發學生進行更深入的思考，培養學生積極挖掘實驗的本質，引導學生后續對大氣壓強的測量及描述大氣壓強的存在時，建立準確的物理語言體系，正確描述物理現象.

1 驗證不是水黏住了紙片

“覆杯實驗”通常做法是，將水杯灌滿水倒置，由于水的自重而流出，接著進行對比試驗，將水杯再次灌滿水，杯口覆蓋一個小紙片，將其倒置，觀察到紙片沒有掉落.在教師的引導下得出結論，是大氣壓強“托”住了紙片，進而得出大氣壓強的存在，并且在各個方向都存在的結論.

上述實驗過程中，學生質疑“水黏住了紙片”，針對這個問題，重新設計“覆杯實驗”.首先對實驗中的紙片進行受力分析，紙片受到自身重力(輕質，可忽略)及水杯中水施加向下的壓力作用，那到底是外界大氣壓力的作用“托”著紙片，還是水黏住紙片呢？現在做如下處理，如圖1所示.

圖1 改進的“覆杯實驗”

在水杯底部扎一個小孔(盡量小)，首先將小孔用手堵住或用橡皮泥塞住，按照“覆杯實驗”的做法進行，為了驗證學生的質疑，將橡皮泥用牙簽或針捅開，可以觀察到紙片掉落，這是由于紙片上下表面均受到大氣壓力的作用并且相互抵消，由于水施加向下的壓力，從而使紙片掉落.通過這樣的處理，也驗證了不是“水黏住了紙片”.

2 “覆杯實驗”再改進——氣壓與大氣壓強

在之前“大氣壓強”教學中，學生小組實驗嘗試驗證大氣壓強的存在，眾多實驗器材中學生對“覆杯實驗”特別感興趣，都躍躍欲試，按照教師的做法照做，但是有的學生有了新發現：水杯中沒有灌滿水，紙片也沒有掉落.學生嘗試解釋說“水杯內的大氣壓小于外面的大氣壓”，因為教材中沒有涉及“氣壓”的概念，按照之前的講課方法，學生不清楚“氣壓”是什么，但是所有驗證大氣壓強存在的實驗中，真空環境幾乎不能達到，因此“氣壓”的概念引入必不可少.

為了使學生對大氣壓強的概念有更清晰的認識，從而正確解釋生活現象，在演示實驗環節充分利用“覆杯實驗”的有趣性，進一步將實驗改進得生動有趣，使學生產生懸念，提出問題并進一步解決問題.基于教學中學生出現的問題，考慮到演示實驗的可改進性，將“覆杯實驗”在原來基礎上進行改進，使學生在對大氣壓強認識的基礎上，利用實驗的設計，引發學生認知沖突和求知欲.

實驗器材選取上述“覆杯實驗”中底部帶孔的水杯，兩個水槽(一高一矮)，高水槽便于學生觀看實驗現象，矮水槽防止水流出，如圖2所示.

圖2 再改進的“覆杯實驗”

首先在高水槽中裝入一定高度的水，為便于觀察，在水中滴入幾滴紅墨水.實驗器材準備完畢后，教師用手堵住水杯底部小孔，并將水杯灌滿水，將其倒置放在高水槽中，觀察到水杯中液面不下降，學生看到這個現象多數會覺得很新奇，會不斷追問為什么？激發了他們的求知欲.有些學生觀察到教師手指堵住了水杯底部的小孔，提出是這個原因引起水面不下降.帶著學生的好奇心和求知欲，教師進一步演示，手指松開小孔，觀察到水面下降，再次堵住小孔，水面不下降……在這樣操作的過程中，學生不僅有了興趣，也開始思考這其中的原因.結合“覆杯實驗”的結論，通過教師引導，學生會想到當手指松開小孔后，水杯內的水上下表面均受到大氣壓強的作用，水由于自重流出從而液面下降.當手堵住小孔后，水杯內液面不下降，學生觀察到水杯內液面上方存在空氣，液面下方受到大氣壓強的作用，抓住學生此時的求知欲和興趣，引入“氣壓”的概念.氣壓指任意氣體在任意狀態下產生的壓強，比如實驗中液面上方的空氣產生的氣壓，教師可再多舉幾個例子：氣球中氣體的壓強，車胎中氣體的壓強等，幫助學生正確認識氣壓，這時候學生就可以知道水杯中液面不下降的原因了，水杯內氣壓小于外界大氣壓.

“氣壓”概念的引入是講授“大氣壓強”時必不可少的內容，對于學生正確解釋生活中大氣壓強的現象具有引導作用，課堂中運用演示實驗的直觀性、趣味性和引導性[3]，不斷引起學生的學習興趣和求知欲，通過教師的語言組織及實驗演示，為學生建立用邏輯的物理語言解釋實驗現象的示范，為課堂中接下來的學生實驗及大氣壓強的測量及應用建立理論基礎.

就“大氣壓強”這節課的設計來說，結合授課時學生出現的認知問題，充分利用課堂中演示實驗的重要性，將原有的“覆杯實驗”進行改進，放大實驗教學效果，引發學生的好奇心和求知欲，使學生主動參與獲取知識的過程[4]，將演示實驗做“透”，使之更好地服務于課堂教學，不僅有助于學生思維品質的發展，并且能夠深化“大氣壓強”知識的應用與理解.