注重探究實驗設計 引導學生深度學習

摘 要：本文基于物理核心素養對初中階段探究實驗的重要性作了闡述，并且以“估測大氣壓的值”實驗為例，尋找破解實驗重難點的方法.筆者以變異對照圖示和問題鏈作為橋梁來設計探究實驗，以達到提升學生思維品質引導學生深度學習的目的.

關鍵詞：物理核心素養;探究實驗;變異對照圖示;問題鏈

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0042-04

作者簡介：黃洋（1991-），女，江蘇無錫人，碩士，中學一級教師，研究方向：初中物理教學和探究實驗教學.

在傳統應試教育的影響下，教師往往以如何讓學生獲得更高的分數為目標，著重講授物理知識，而弱化了學生對知識本質的理解.尤其在一些重難點知識的教學上，教師往往通過刷題的方式，強化學生的解題方法，而忽視學生對知識的建構過程，這種教學方式與物理學科核心素養的要求并不匹配.

物理學科核心素養，是指學生在接受教育的過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格、價值觀念和關鍵能力，是學生通過物理學習而內化的帶有物理學科特征的品質[1].物理學科是一門來源于生活并且以實驗為基礎的學科，基于學科特點和核心素養的要求，只注重刷題的教學模式，會讓學生所掌握的知識脫離生活、支離破碎，不利于學生思維品質的發展.

探究實驗是物理知識和規律的來源，物理觀念和方法的掌握也滲透在探究實驗的過程中.如何提升學生的思維品質引導學生進行深度學習呢？筆者認為，教師在教學設計中，應將探究實驗的設計放在首要地位，通過設計問題鏈的形式，引導學生進行積極主動的思考.本文以“估測大氣壓的值”實驗為例，旨在通過設計探究實驗，引導學生進行深度學習，優化學生解決問題的思維能力.

1 基于課標，分析實驗難點

物理課程標準，對于大氣壓的要求是：知道大氣壓強及其與人類生活的關系.為進一步解讀課標的相關要求，我們要結合教材進行深度剖析.教材是教師進行教學設計的重要參考，因此，在準備實驗的過程中，第一步應深入分析教材.“估測大氣壓的值”實驗位于蘇科版初中物理教材第十章第3節.從形式上看，課本中對實驗的處理是以活動形式開展的，也就是教師可以通過演示實驗、自主實驗或討論等模式進行教學.從內容上看，課本對實驗器材、實驗步驟以及實驗數據記錄進行了詳盡的描述，教師或學生只需按部就班地重演實驗便可以完成.但是，在現實的教學中，當教師僅僅按照書本上的要求進行講授時，學生反饋的結果總是不盡如人意，每當試題中出現本實驗的相關內容，錯誤率總是居高不下，歸根到底，是由于學生對知識的理解不到位.其問題主要在于：（1）無法理解大氣壓的存在;（2）無法判斷氣體壓強的方向;（3）無法進行誤差分析.

大氣壓的存在及其方向是本節的重難點，也是測大氣壓值實驗所需要的前概念.因此，在進行本實驗前，應該重點先解決前兩個問題.大氣壓之所以成為難點，是由于學生知識水平的局限性和知識本身的抽象性，大氣壓是存在的，但卻是看不見摸不著，力的作用效果也不是很明顯，因此讓學生理解起來存在一定的困難.那么如何讓學生理解抽象的概念呢？這里便可以通過大量的實驗讓學生去體驗大氣壓的存在并且歸納總結出大氣壓的方向.

2 注重體驗，促進教學生成

大氣壓屬于抽象概念，如果只靠講述的話，便會顯得空洞無趣，學生也會難以理解.因此，教師應精心設計本節課的導入環節，注重學生的實驗體驗，充分調動學生學習積極性.通過借助學生的前概念搭建知識階梯，進一步認識大氣壓的存在.學生已有的知識是固體和液體壓強，從現象上來看都能使受力物體發生明顯形變，因此可以從直觀的實驗現象去引導學生理解.

探究實驗設計如下.

體驗實驗1：把一個塑料瓶捏扁，讓學生不用手讓瓶子變得鼓起來.學生大多會使用嘴吹氣的方式.通過這個實驗，提問學生是什么使瓶子發生了形變？方向如何呢？本實驗旨在讓學生體驗認識到氣體能對容器壁產生壓強，瓶內的氣體對容器壁的壓強向外，為后續學習大氣壓強埋下伏筆.

體驗實驗2：在實驗1的基礎上再利用課本實驗：用酒精燈對裝有少量水的易拉罐進行加熱，堵住罐口并且撤去酒精燈讓易拉罐冷卻.實驗現象：易拉罐向內癟了.提問學生又是什么力使罐子發生了形變呢？方向如何呢？在實驗1的基礎上，學生會聯想到罐外也有氣體，罐外的氣體壓著罐壁向內凹，方向是向內的.根據兩次實驗體會可以讓學生構建氣體壓強的概念，教師再介紹大氣壓的概念.

關于大氣壓的概念，學生容易將“大氣壓”與“氣體的壓強”這兩個概念混淆，以至于在后續分析注射器內部由于存在氣體導致測量大氣壓產生誤差時，辨別不清內部氣體壓強和外界大氣壓強.教材上給出的定義是：“大氣對處在其中的物體有壓強，這種壓強稱為大氣壓強，簡稱大氣壓.”[2]教師應該緊抓關鍵字“大氣”，解釋“大氣”的定義，所謂大氣是指包圍地球的厚厚的空氣，大氣與外界環境相聯通，而某一封閉空間內的氣體不能稱之為大氣.通過概念剖析，可以幫助學生掌握區分內部氣體壓強和外界大氣壓強.

由于大氣壓概念的抽象性，只用一個對照實驗是不夠的，此時應該趁熱打鐵，在認識了大氣壓強基本概念的基礎上，再讓學生利用實驗器材進行瓶子吞雞蛋和吸盤掛重物等實驗.通過豐富的實驗體驗，不僅讓學生對大氣壓的應用產生興趣，而且更加肯定大氣壓的存在.這樣一來學生對大氣壓便不再陌生，可以順利進入大氣壓方向的教學.

3 利用變易，完成科學探究

變易理論認為：“只有學生在教師的引導下，把握住事物關鍵方面的關鍵特征，對事物對結構和學習意義有了深入的理解，才能使教師預設的教學內容轉化為學生體驗到的教學內容，從而達到良好的學習效果.”[3]在利用注射器測大氣壓時，學生對于活塞受到的大氣壓方向的判斷存在困難.根據變異理論，教師應該引導學生通過實驗去抓住大氣壓方向的關鍵特征，從而總結出判斷大氣壓方向的方法.

在研究大氣壓方向時，可以設計對照實驗來提高學生抓住問題本質特征的能力.實驗設計如下.

對照實驗1：教師演示如圖1所示的豎直方向的覆杯實驗，提問學生為什么紙片不掉下并且能夠托住水呢？一部分學生由于初學大氣壓，給出的猜想是“由于水把紙片粘住了”.為了引導學生深入分析，此處教師可以繼續演示如圖2所示的抽氣實驗進行對照，通過抽氣，學生觀察到抽氣后紙片無法托住水而下落.兩個實驗的對比，相同點是水都接觸著紙片，顯著變化是由于紙片下方沒有大氣了，因此學生自己可以很自然地聯想到紙片之所以能托水不是由于水粘著紙片，而是由于大氣壓的作用.此時，教師進一步提問，大氣壓的方向如何？學生根據本次實驗的現象會回答方向是豎直向上的，顯然這個結論具有片面性.

對照實驗2：覆杯實驗，將杯子如圖3所示向不同方向放置，觀察紙片是否依舊能托住水.基于對照實驗1，如果學生認為大氣壓的方向只是豎直向上的話，那么，圖3中的各個方向紙片都能托水的現象會讓學生形成思維沖突，重新審視大氣壓的方向，激發學生的深度學習.在實驗現象的基礎上，教師再引導學生以紙片為研究對象畫出紙片所受的大氣壓力，通過受力分析，學生可以發現，大氣壓力的方向總是垂直于受力物體表面并且指向受力物體.

通過兩組對照實驗，我們可以破解關于大氣壓的方向這個難點.此外，也可以從微觀上大氣壓的形成進行補充解釋.微觀上，氣體的壓強是由于氣體分子雜亂無章地撞擊物體的表面而產生的，當氣體分子撞擊物體時會產生壓力，由于氣體分子的運動是朝向受力物體的，所以大氣壓的方向也可以認為是垂直于受力物體表面并且指向受力物體.

4 設問題鏈，引導實驗設計

在學生初步形成大氣壓的概念以及會判斷大氣壓方向的基礎上，教師可以引導學生設計“估測大氣壓強值”的實驗.由于學生對于大氣壓強值是完全陌生的，因此，應先設計實驗讓學生初步感知到大氣壓的大小，激發學生學習興趣.此處建議設置兩個演示實驗：實驗一，教師可以演示水平方向的馬德堡半球實驗（如圖4所示），讓班里兩個力氣最大的同學嘗試拉開;實驗二，豎直方向上吸盤掛鉤碼實驗（如圖5所示），讓學生嘗試最多可以掛多少個鉤碼吸盤才能被拉開.通過這兩個實驗，一定程度上可以吸引學生去設計探究大氣壓強值的實驗.

教材上估測大氣壓強值的實驗是利用注射器，從表面上看，這似乎與前兩個演示實驗毫無關聯，并未搭建一個可供攀登的臺階，學生難以理解.因此，如何有邏輯地從兩個演示實驗過渡到注射器實驗顯得尤為重要，這也是提升學生思維品質的重要途徑.“問題鏈”是引導學生的思維向更深更廣處發展的途徑，當學生的思維停留在對事物表面的認識上時，教師的拔高追問會使學生的思維上升一個臺階，攀向思維的新高.因此，教師應該以“問題鏈”為臺階，引導學生設計實驗，可以幫助學生進一步發現問題、解決問題，走進問題的縱深.

在吸盤掛鉤碼的實驗基礎上，教師可以通過設計問題鏈的方式，引導學生設計出注射器實驗.問題鏈如下：

（1）吸盤為什么能承受這么多鉤碼的重量？請畫出吸盤受力的示意圖.

（2）測量大氣壓強值的原理是什么？你需要測量出哪些物理量？

（3）何時能測出大氣壓強值？理論依據是什么？

（4）實驗中用“鉤碼”作為實驗器材準確嗎？如何改良？

（5）考慮到吸盤的自重，你認為如何改進實驗使測量值更準確？

（6）利用實驗室里的彈簧測力計能否完成這個實驗？為什么？

問題1的設計意圖：讓學生通過畫力的示意圖，認識到大氣壓的方向，以及大氣壓力是“對抗”鉤碼對吸盤的拉力以及吸盤重力的重要因素，同時也為之后的誤差分析做鋪墊.

問題2的設計意圖：讓學生在固體壓強的前概念下遷移得出測量氣體壓強的原理，并且順理成章地直接得出需要測量的物理量以及對應的測量工具.

問題3是一個難點，因為在掛到最多鉤碼前，吸盤每次都是處于平衡狀態，那么到底以哪次為準呢？這里需要向學生介紹說明，應該以最多的那一刻（再掛最小鉤碼就會掉下去以前）的鉤碼重力的大小作為拉力大小，利用平衡力的知識求出對應的大氣壓力，由于塑料吸盤相對于鉤碼而言非常輕，在忽略吸盤自重情況下，大氣壓力可以近似于鉤碼重力.

問題4是實驗的改良，由于鉤碼變化是不連續的，因此實驗結果是不準確的，從而引導學生改進實驗.學生根據已有知識可得到將鉤碼改為燒杯和水或者是用彈簧測力計直接拉吸盤等讓拉力連續變化的實驗方案.

問題5則是誤差分析和改良，當考慮到吸盤自重時，通過受力分析可知測量的大氣壓力會比實際值小，那么如何減小誤差，甚至是可以真正地不計吸盤重力呢？通過這個問題的探討，學生會給出答案，將整個裝置旋轉90度，也就是沿水平方向拉就可以了，此時該實驗裝置與注射器實驗就相同了.

問題6則是更進一步地將此實驗引向注射器實驗，由于吸盤面積較大，用彈簧測力計水平方向拉，拉力的大小需要幾十牛甚至幾百牛，這遠遠超過了實驗室彈簧測力計的量程，因此，為了測出大氣壓力應該選用面積更小的實驗器材，由老師介紹教材中的實驗器材即細的注射器.

通過6個問題構成的問題鏈，可以從吸盤掛鉤碼實驗有梯度且有邏輯地過渡到注射器實驗，讓學生明白教材上實驗設計的初衷.這樣既可以引導學生充分思考，也可以培養學生設計實驗、分析誤差以及改良實驗的能力.

5 后測評價，形成物理觀念

學生已經掌握了測量大氣壓強值的原理，設計出了利用吸盤測大氣壓強值的實驗，并且通過分析，了解了實驗的優缺點.也通過實驗改進過渡到教材中利用注射器測量大氣壓強值的實驗.在此基礎上，我們可以對學生進行后測，通過后測，判斷學生是否形成物理觀念，進一步讓學生鞏固測量大氣壓強值的方法.

注射器估測大氣壓值實驗（如圖6所示）存在三個難點：（1）研究對象的確定;（2）大氣壓力和內部壓力方向的判斷;（3）實驗的誤差分析.為解決這三個難點，首先要確定研究對象，只有研究對象明晰，才可以設計問題鏈，并且利用前文中的大氣壓方向判斷以及受力分析的方法解決后面的兩個難點.

由于注射器由活塞和針筒兩部分構成，且在實驗過程中細繩拉著活塞的頸部，而手拉著針桶的外壁.學生往往在受力分析時會畫出兩個拉力，這個錯誤是由于研究對象混淆而導致的.因此，要讓學生明確這個實驗的研究對象是活塞，拉力也只需要考慮作用在活塞上的拉力即可.

為了進一步破解實驗的難點，問題鏈設計如下：

（1）活塞為什么能承受這么大的拉力？請畫出活塞受力的示意圖.

（2）測量大氣壓強值的原理是什么？你需要測量出哪些物理量？

（3）何時能測出大氣壓強值？理論依據是什么？

（4）如果考慮到活塞受到摩擦力，測量值準確嗎？如果不準確，測量值是偏大還是偏小？如何消除摩擦力的影響？

（5）如果考慮大針筒內無法徹底排盡空氣，測量值準確嗎？如果不準確，測量值是偏大還是偏小？如何消除空氣無法徹底排盡的影響？

在這個過程中，重要的方法是通過受力分析，按照前文中“氣體壓力的方向總是垂直于受力物體表面并且指向受力物體”這個結論去判斷大氣和內部氣體壓力的方向（如圖7所示），以及用摩擦力的定義來判斷摩擦力的方向，從而進行誤差分析（如圖8所示）.

6 結束語

探究實驗是學生形成物理觀念和提升物理思維的重要途徑，教師應注重課前對探究實驗的設計，從而促成學生的深度學習.在探究實驗設計的過程中，首先，要注重學生的體驗，激發學生的學習興趣;其次，當遇到容易混淆的概念時，可以設計變異對照圖示來引導學生總結歸納關鍵特征;最后，當遇到難點時，教師可以利用問題鏈作為臺階，引導學生攀向思維的新高.

參考文獻：

[1]張民軍.初中物理探究實驗中發展學生的學科核心素養[J].中學物理，2020，38（02）：20-23.

[2]劉炳升，李容.義務教育教學書物理（八年級下冊）[M].南京：江蘇科技出版社，2012.

[3]植佩敏，馬飛龍，郭建鵬.如何促進學生學習——變易理論與中國式教學[J].人民教育，2009（08）：33-37.

（收稿日期：2020-10-14）