創建階梯實驗情境 促進科學思維進階
——以“流體壓強與流速的關系”優質課為例

西安交通大學蘇州附屬初級中學(215000) 王 芳

1 問題的提出

美國國家研究理事會(NRC)認為：“學習進階是對學生連貫且逐漸深入的思維方式的描述。在適當的時間跨度下，學生學習和探究某一重要知識時思維方式依次進階。”從這一理論出發，根據學生認知思維發展“進階”的特點，構建基于學生視角的清晰的“階”是課堂活動設計的關鍵。

要構建學習進階，首先要明確什么是“階”。學習進階并不只是解決學習者認知發展路徑的問題，它解決的是學習者認知發展過程中用以“踏腳”的具體的“腳踏點”。本文以“流體壓強與流速的關系”一課設計為例，通過創設學生認知過程中的具體“踏腳點”創建階梯實驗情境，促進科學思維進階。

2 案例呈現及設計意圖

“流體壓強與流速的關系”是液體、氣體壓強知識的拓展，為浮力學習奠定基礎。是對液體和氣體靜態壓強介紹后，對流體動態壓強的進一步探討，是對液體和氣體靜態壓強知識的延伸。

新課程標準對“流體壓強與流速關系”的要求是通過實驗，能總結出流體壓強與流速關系，能利用流體壓強與流速關系解釋升力產生的原因，能利用流體壓強與流速的關系解釋生活中有關的現象。從課程標準來看，本節課體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學理念。因此，本節教學設計以實驗為主線，從創設情境、合作探究、延伸拓展3個方面設置階梯情境，助推學生思維進階，基于以上分析設計了如圖1所示的教學流程。

圖1 教學流程

2.1 通過實驗器材創設物理情境，思考現象背后的本質，激活學生形象思維

情境1：魔術“隔空點火”

將3根蠟燭并排放置，點燃左右兩邊的蠟燭,用軟管向中間未被點燃的蠟燭吹氣。學生觀察到中間的蠟燭竟然自動燃燒起來了，引導思考為什么用“吹”的方式能把中間的蠟燭點燃。

設計意圖：在傳統觀念認知中，“吹”是熄滅蠟燭的一種方式，而在這個小魔術中，卻用“吹”的方法點燃了蠟燭，與學生已有認知產生強烈沖突，激發學生的求知欲和探究欲,自然引出流體概念，引導學生探究流體壓強與流速的關系。

教師引導：物理學中把具有流動性的氣體和液體統稱為流體，

氣體和液體流動時的速度稱為流速。前面兩節已經學過的液體內部的壓強和大氣壓，它們都是流體靜止時的壓強，當液體和氣體流動時，它們的壓強又會怎樣？接下來我們通過幾組演示實驗來探究流體壓強與流速的關系。

情境2：乒乓球賽跑

教師活動：向學生介紹流體壓強與流速關系演示儀實驗裝置，如圖2所示。一只兩端開口的透明管道，先把乒乓球放入其中，然后把透明管道水平插入上下兩端開口的豎直白色管道中，透明管道處于水平位置，乒乓球水平方向上受到的大氣壓強產生的壓力相等，處于二力平衡狀態。這時如果用吹風機從白色管道上端吹氣產生至上而下的氣流，帶動乒乓球左側氣體流動。同學們想一下，乒乓球會繼續處于靜止狀態還是會運動起來呢？如果運動，它又會向哪個方向運動呢？

圖2 流體壓強與流速關系演示儀

設問：怎么讓空氣流動？實驗過程中，觀察的對象是誰？3個玻璃管中的小球運動快慢一樣嗎？

學生體驗：小組討論，得出解決問題的方案后，由一名學生上前演示，其余同學觀察現象。及時對學生的正確方案給予正面的評價。

教師設問：同學們觀察到的實驗現象是否與你的猜想一致，乒乓球為什么會從靜止變為運動？為什么會向左運動？

交流討論：吹風機向下吹氣改變了乒乓球左側氣體的流速，我們看到的現象是乒乓球從靜止向左運動，說明乒乓球受力發生了變化，右側條件未變，壓強不變，說明左側氣體流速改變后壓強發生了變化，看來當氣體流動時壓強會發生變化。

流動的氣體的壓強和流速到底存在怎樣的關系呢？下面，再取出2個相同的透明管道放入乒乓球后插入白色管道，如果重復剛才過程進行一組對比實驗，你將會看到什么現象？3個乒乓球是同時到達左側，還是快慢不同，如果快慢不同，哪個球運動得最快，哪個球運動得最慢？為了便于描述我們把乒乓球標記為1、2、3號球，左側空氣流動后壓強分別變為P1、P2、P3。1號球左側離出風口最近，空氣流速最大，1號球運動的最快，說明P1最小，表明氣體流速越大的位置，壓強越小。3號球左側離出風口最遠，風速最小，3號球運動的最慢，說明P3最大，表明氣體流速越小的位置，壓強越大。

師生歸納：實驗結果表明氣體流速越大的位置，壓強越小。

2.2 以問題合作探究液體壓強與流速的關系，培養學生抽象思維能力

情境3：針筒噴泉

將3種規格不同的注射器用膠粘在一起，如圖3所示。每個注射器的上端開有1個小孔，注滿水后，推動活塞，使液體流動起來，觀察3個孔噴出的液柱高低情況。

圖3 針筒噴泉實驗

教師：介紹實驗裝置，并設問：“怎么形成水流？觀察到什么實驗現象？”

學生小組討論，形成可行性實驗方案。教師進行演示實驗。

教師：為什么粗管道的B孔噴出中的液柱最高呢？由于每秒內流經管道不同截面的液體的體積相同，因此橫截面積大的位置，液體的流速小，橫截面積小的位置，流體的流速大。讓學生根據這個原理，結合實驗現象，完成表1。

表1 針筒噴泉實驗現象及結論

粗管的部分，液體的流速小，上方噴出的液柱較高，說明該位置流動液體的壓強較大；細管的部分，液體流速較大，上方噴出的液柱較低，說明該位置流動液體的壓強較小。從表1中我們可以得到這樣的結論:液體流速越大的位置壓強越小，流速越小的位置壓強越大。

實驗結論：實驗結果表明液體流速越大的位置壓強越小，流速越小的位置壓強越大。

設計意圖：學生觀察實驗，根據現象討論交流，水柱為什么會噴出？為什么不同位置的小孔噴出水柱的高度不同？以小組為單位，交流、質疑、討論，主動參與到學習過程中來，學會用簡潔精煉的專業術語總結出流動的液體壓強與流速之間的關系。

結合氣體和液體壓強與流速關系的實驗進行總結，初步得出：在氣體和液體中，流速越大的位置,壓強越小。

2.3 以探究促真知，研究流體壓強與流速的關系，培養學生創造性思維

情境4：體驗流體壓強與流速的關系

學生體驗：學生2人為1小組，共同設計實驗方案，1人動手操作，1人觀察并記錄實驗現象，進行如圖4所示的實驗。實驗結束后，由組長匯報研究成果，自評、互評實驗過程。

圖4 體驗流體壓強與流速的關系

教師活動：學生探究過程中，教師實時巡視，與學生交流實驗注意事項。教師對探究過程進行反饋，引導學生對自己的探究行為進行反思。

設計意圖：每個學生通過自己動手實驗，真實經歷實驗探究過程，通過教師創設的情境將知識和實踐結合起來，更好地理解流體壓強與流速的關系。

情境5：探究飛機升力產生的原因

教師活動：介紹飛機升力演示模型裝置結構及原理，用相對運動的知識推理出飛機升力產生的原因。機翼上下方的風速可用風速測定儀進行測定，打開鼓風機，讓學生觀察U型管兩側液柱的變化情況如圖5所示，使學生獲得真實的情境體驗，幫助學生理解飛機升力產生的原因。

圖5 飛機升力演示模型裝置

學生體驗：通過動手實踐認識機翼的特殊造型，思考機翼有什么特殊的造型，機翼的升力是從何而來？以小組為單位交流討論，組長匯報。在實驗的過程中，測得機翼上方的流速為12.9 m/s，機翼下方的流速為6.8 m/s，上方氣體流速大壓強小,所以與上方機翼連通的右側管道中的液面會上升。

學生活動：解釋生活中有關流體壓強與流速關系的現象。

(1)分小組交流自己在本節課上的收獲，分析解釋草原犬鼠的“空調”洞穴原理。

(2)火車站或地鐵站，離站臺邊緣一定距離的地方標有1條安全線，人必須站在安全線以外的區域候車的原因。

(3)解釋“隔空點火”成功的原因。

實踐性作業：自制噴霧器。

設計意圖:通過層層深入地啟發學生思維，使學生在分析、歸納中獲得知識，充分體現了學生的主體性，同時也彰顯了本節設計首尾呼應的整體性和嚴密性。

3 教學反思

教師以初中學生對壓強的認識為基礎，通過情景與資源的設計支撐學生的建構活動。按流體——流體壓強與流速關系——飛機升力——生活中有關流體壓強與流速關系的探究這一線索展開教學。將教師演示實驗與學生分組實驗相結合，給學生更多的真實體驗，從而更好地突破教學難點。