實踐創(chuàng)新實驗 凸顯科學精神
——以“液體的壓強”實驗教學設計為例

吳 昊 朱文軍

陶 恒

《物理教師》2019年第12期中的一篇文章《液體的壓強創(chuàng)新實驗》[1]，利用4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管(圖1)來詳細闡述“液體內(nèi)部的壓強可能與液體的密度有關，密度越大，壓強越大”，再利用一根上細下粗的塑料管(圖2)來“直觀地排除影響液體內(nèi)部壓強的因素與液體的重力(質(zhì)量、體積)有關的猜想”，有待商榷的問題．

圖1 液體內(nèi)部壓強對比

圖2 排除液體的重力對液體內(nèi)部壓強的影響

1 創(chuàng)新實驗“堅持科學性”

文章表明，編號1，2，3的管中裝入水，4號管中裝有濃鹽水．通過創(chuàng)新實驗，啟發(fā)誘導學生根據(jù)前3根管子的現(xiàn)象得出“液體內(nèi)部的壓強可能與液體的深度有關，深度越大，壓強越大”的猜想，根據(jù)后2根管子的現(xiàn)象得出“液體內(nèi)部的壓強可能與液體的密度有關，密度越大，壓強越大”的猜想．

得到猜想的前提是對比法的科學運用．而實驗中用到的4根管子下面的橡皮膜看似相同，實則不同．這里的“相同”，指材質(zhì)、生產(chǎn)廠家及同一生產(chǎn)批次，但，“不同”可以斷定手工捆扎橡皮膜的松緊程度是無法控制相同的．文中制作的實驗器材也一定是在反復實驗的基礎上，得到的一個符合“標準答案”的實驗現(xiàn)象．

筆者根據(jù)文中提供的器材尺寸和購買途徑，運用文中提到的光面安全套，在兩道捆扎的方法下，盡量控制捆扎松緊相對相同，卻得到了如圖3(a)、(b)所示的實驗現(xiàn)象．看來，得不到“標準答案”的實驗現(xiàn)象是大概率事件，問題就出在“不同”上，看來對比實驗的科學性有待商榷．

圖3 筆者實驗所得的實驗現(xiàn)象

針對文中提到的創(chuàng)新實驗，可以做一下處理，來回避出現(xiàn)科學性錯誤的情況．可以在硬紙板上用強力雙面膠粘一排有4個掛鉤(掛鉤從左到右取名1，2，3，4)的塑料件，再將硬紙板掛在墻上．將1根一端封有橡皮膜的亞克力透明圓管(外徑20 mm、厚度2 mm、長度750 mm)按先后順序倒入很多、較多、較少的水和較少的鹽水分別掛在1，2，3，4的掛鉤上，然后畫出液面位置和橡皮膜鼓起的球狀大小．通過硬紙板上畫出的4次痕跡做對比實驗．從而回避了用多個橡皮膜的對比法的問題，也能達到相同的引導和啟發(fā)的效果．

對于液體重力對液體壓強的影響，是學生們經(jīng)常不能回避的猜想，文獻[1]用5號管來排除，也是不太合適的．可以利用一個注射器來解決．

如圖4(a)所示，用一個一次性注射器，在吸入大半管水之后，針孔朝上豎直放置，發(fā)現(xiàn)水不能將活塞往下壓．隨后將注射口通過一根吊水用的軟管連接,如圖4(b)所示，將下面注射器大部分水壓入上面的軟管中，松手，發(fā)現(xiàn)下面注射器中活塞竟然在水的壓強下往下運動．這個實驗很好地排除了在猜想環(huán)節(jié)，學生猜想液體壓強和液體重力等的關系．

圖4 用注射器演示液體內(nèi)部壓強

實驗中，兩次水的重力都是相同的，僅改變了水的深度，卻能使得第一次活塞和第二次活塞運動情況不同．利用這個創(chuàng)新的實驗，就能很好地引導學生認識到液體的壓強和液體重力無關．

物理學是以實驗為基礎的科學，實驗也是初中物理教學的重要內(nèi)容，創(chuàng)新實驗凝聚了教師的教學素養(yǎng)和能力，在設計創(chuàng)新實驗時首要關注科學性，不能為了實驗的對比效果、突出某一種思維方法而忽略了其他的物理思維方法．

2 創(chuàng)新實驗“強化探究性”

液體壓強這一節(jié)內(nèi)容，引入了一個比較重要的實驗器材——壓強計．傳統(tǒng)的教學是直接拿出壓強計，介紹結(jié)構(gòu)和使用方法，學生們通過使用壓強計，總結(jié)出液體內(nèi)部的壓強特征．但這種教學方式，給學生的思維含量不高，所以長時間后容易忘記，增加學生的記憶負擔．教師在教授這一節(jié)內(nèi)容時，總覺得壓強計的引入比較突兀，無法和學生建立認知上的聯(lián)系，學生的記憶過程也比較機械．于是如何設計探究性的過程，讓學生自己“探究出”壓強計，成為本節(jié)課的一個難點．

如圖5所示，綁在一根棍子上的玻璃容器上下左右分別封有4個橡皮膜，將其豎直緩緩放入水中，如圖6所示，左右和下面3個方向的橡皮膜向內(nèi)凹，上面的膜向上凸起．

圖5 液體內(nèi)部壓強演示裝置

圖6 演示液體內(nèi)部各方向壓強

師：為什么上面的膜向上凸起？如何改進？

生：內(nèi)部空氣出不來，開一個出氣孔．

師：開一個孔，水就進去了．

生：加一個管子，讓管子上口伸出水面．

師：老師帶來一個兩端封有橡皮膜并裝有橡膠軟管的裝置，先捏緊橡膠管，兩端橡皮膜形變很小(圖7)，再松手，放出內(nèi)部空氣，兩端橡皮膜明顯向內(nèi)凹(圖8)．橡膠膜雖有形變，但現(xiàn)象還是不明顯，如何改進？(提示：溫度計中測溫液體的體積膨脹，我們是如何看見的？)

圖7 容器封閉時的橡皮膜

圖8 容器與外界連通時的橡皮膜

生：往管子里加有顏色的水．

師：水會順著管子流到下面的盒子里．

生：把橡膠管彎成防臭地漏的U字型．

創(chuàng)新實驗不應僅僅是新型實驗器材的制作和設計，還要有配合傳統(tǒng)器材的引入、過渡、理解等思維過程性器材的設計和制作，更要有符合學生思維水平和模擬學生思維過程的教學設計．提升學生思維品質(zhì)、思維深度的探究性實驗器材的創(chuàng)新，也是創(chuàng)新實驗的重頭戲之一．

3 創(chuàng)新實驗“注重時代性”

在“探究液體內(nèi)部壓強的影響因素”實驗得出結(jié)論之后，為了定量描述深度、密度與液體壓強的數(shù)值關系，一般會介紹液體壓強公式，很大程度上是從柱體壓強推導出來的，對于學有余力的學生來說確實是一項有意思且難度不太大的挑戰(zhàn)．但對于大多數(shù)學生來說，理性的推導記憶深度比較淺，容易忘記．這是因為沒有重視初中學生的思維特征——具體、感性、圖形圖像思維占主導的原因．

如果利用YDLW_DISLab8.0(National)_8.2.0.451軟件和配套的數(shù)據(jù)采集器、相對壓強傳感器，配合壓強計的金屬盒、橡膠管部分器材，可以很方便地將水和鹽水的內(nèi)部壓強p和深度h、液體密度ρ的圖像關系現(xiàn)場呈現(xiàn)出來．課堂演示實驗時，邀請兩三位學生一起完成，整個過程僅需要2 min時間．通過數(shù)據(jù)和圖像，很容易看出p∝h，p∝ρ．從而在學生腦海中留下比較深刻的印象．

創(chuàng)新實驗是物理教師在教學過程中不可回避的實踐活動，是課堂實驗的有益補充．它體現(xiàn)學生發(fā)展核心素養(yǎng)所形成的實踐能力、創(chuàng)新意識的培養(yǎng)要求，凸顯科學精神，啟迪科學思維．

創(chuàng)新實驗應重視教材中基本儀器的使用方法和基本實驗的操作、原理，兼顧課本中出現(xiàn)的重要演示、分組實驗．設計的創(chuàng)新實驗一定要能經(jīng)得起“推敲”，在課堂演示之前，想一想“科學性”“探究性”和“時代性”，會有所幫助．