關注學生核心素養體驗創新科學實驗
——以“流體壓強”實驗改進為例

趙 曼(山東省煙臺福安中學 山東 煙臺 264000)田麗杰(魯東大學 山東 煙臺 264000)

核心素養是個人終身發展、融入當今社會的必需品格和關鍵能力,物理作為一門基礎學科,引領著現代科技的進步,物理核心素養的提出不僅順應了教育發展的必然趨勢,更極大地肯定了物理教學的育人功能[1].2011年教育部制定的《義務教育物理課程標準》指出“義務教育物理課程是一門注重實驗的自然科學基礎課程.此階段的物理課程應注意讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力”[2].流體壓強是對前面壓強知識的進一步延伸和拓展，又與生產生活聯系緊密.傳統教學中，流體壓強與流速關系相關液體和氣體實驗都存在現象不明顯，持續時間短，不利于學生觀察等不足.而且本節涉及到的流速知識是學習流體壓強規律的基礎，傳統教學介紹液體流經粗細管與液體流速的關系和飛機上下表面氣體流速大小時，大部分教師只采用理論分析的方法進行教學而沒有實驗支撐，學生不易透徹理解流速知識，這也造成學生不能結合生活情境靈活應用流體壓強規律.因此，筆者自制流速演示儀，將學生不易理解的流速知識通過鮮明的實驗現象得出，降低學生學習難度，提高學習效率.結合改進的液體壓強與流速演示器、氣體壓強與流速演示器以及探究飛機升力演示儀更加鮮明的實驗現象，幫助學生獲取流體壓強規律，培養學生善于觀察、善于總結、解決問題的能力，促進學生學以致用.

本文根據教學內容分為探究流體壓強與流速的關系實驗、探究飛機升力實驗、流體壓強實例模型情境再現3大部分，每部分結合傳統教學方式、改進實驗、實驗過程、核心素養4個方面進行闡述.

1 探究流體壓強與流速的關系實驗

1.1 傳統教學實驗方式

1.1.1 液體壓強與流速關系實驗

魯科版《物理·八年級下冊》第七章第五節提供的液體壓強與流速關系演示裝置如圖1所示[3]，而目前教學中常用的液體壓強與流速關系演示教具如圖2所示.

圖2 液體壓強與流速關系演示儀

對于液體壓強與流速關系實驗的處理多數教師將其作為演示實驗，直接向學生展示書中附圖所示的實驗器材，教師演示實驗后，結合流速知識理論分析講解，讓學生得出實驗結論.

經過多年一線教學的積累，筆者將教學過程中學生遇到的困惑和問題進行匯總，具體如下：

(1)實驗現象持續時間短，液體流動與不流動時液體壓強對比現象不突出.

(2)實驗需多人完成，進行實驗時不利于學生仔細觀察實驗現象.

(3)實驗容易漏水，造成實驗環境污染，意外頻發.

(4)實驗所用水資源不能重復利用，浪費水資源.

(5)粗細管流速大小部分無相關實驗裝置，只有理論分析，不能透徹理解流速知識.

1.1.2 氣體壓強與流速關系實驗

本節提供的氣體壓強與流速關系實驗示意圖如圖3和圖4所示[3].氣體實驗操作相對簡單，多采用學生分組實驗或趣味比賽來獲得實驗結論.最后結合液體、氣體相關結論綜合總結出流體壓強規律.

圖3 口吹硬幣跳欄桿

圖4 口吹紙張

(1)硬幣跳高實驗部分肺活量小的學生不能完成，或者現象不明顯.

(2)吹紙實驗易受外界風影響，多風環境干擾因素太大，實驗結果不夠客觀.

1.2 改進實驗方式

經過以上學生反映的困惑和問題的分析，針對以往實驗的弊端，對實驗進行了相應的改進優化，自制了液體壓強與流速演示器、流速演示儀，引導學生類比液體實驗裝置，自制氣體壓強與流速關系演示器.

1.2.1 液體壓強與流速演示器

改進裝置流體壓強與流速演示器如圖5所示，該儀器主要由儲水瓶、相連接的粗細管、豎管、止水夾、供水泵5個部分構成.

①儲水瓶;②相連接的粗細管;

實驗裝置增加了水槽和儲水瓶，通過水泵持續不斷向儲水瓶供水，水流經粗細管最終流向水槽，整個裝置構成自循環系統，實現水資源重復利用，入水口、出水口密封，防止液體外漏，避免了資源浪費.儲水瓶向粗細管供水，增加實驗時間，而且儲水瓶水位高，止水夾打開前后實驗現象對比明顯.裝置安裝在支架上，只需要打開止水夾和供水泵開關，方便學生觀察實驗現象.

1.2.2 流速演示儀

粗細管中流速大小相關知識部分沒有實驗儀器，受水沖擊水輪情景的啟發，自制了流速演示儀，如圖6所示，裝置由儲水瓶、相連接的粗細管、螺旋槳、開關4部分組成.

①儲水瓶;②相連接的粗細管;③螺旋槳;④開關

自制流速演示儀，在粗細管中各放置一個小螺旋槳，這樣就巧妙地將肉眼不能直接觀察到的流速大小轉換為觀察螺旋槳轉速的大小，現象直觀，說服力強，巧妙突破學生學習難點.

1.2.3 氣體壓強與流速關系演示器

學生根據液體實驗，結合課本氣體小實驗中的不足，自制氣體壓強與流速關系演示器，如圖7所示，裝置包括相連接的粗細管、與粗細管相連接的裝有紅墨水的軟管2部分，并結合吹風機進行實驗.

①相連接的粗細管;

在液體實驗器材基礎上將相連接的粗細管倒置，用軟管連接進行實驗，結合液體實驗經驗，快速得出氣體流動的壓強規律.采用吹風機代替學生進行氣體壓強與流速實驗，現象明顯且持續時間長，還可以改變風力大小增加對比實驗.

1.3 實驗過程

1.3.1 實驗器材

液體壓強與流速演示器，流速演示儀，氣體壓強與流速關系演示器，吹風機，插排，紅墨水，凳子支架，水桶.

1.3.2 實驗步驟

實驗1：液體壓強與流速關系

將事先準備好的紅色液體倒入液體壓強與流速演示儀水槽中，打開插排電源開關，水泵向儲水瓶中供水，止水夾使出水軟管保持關閉狀態，水充滿粗細管，達到一定高度的時候關閉供水泵，整個裝置構成連通器如圖8所示，豎管與儲水瓶液面相平.打開止水夾液體流動時如圖9所示，能觀察到液面明顯下降，直觀形象地讓學生了解液體流動時的液體壓強要比它不流動時的壓強小，清晰地認識流體壓強.通過水泵向儲水端不斷供水，現象持續時間長，學生進一步觀察，發現在粗管中液柱高，細管中的液柱低，反映了粗管內的液體壓強大，細管中的液體壓強小.

圖8 流體壓強與流速演示器水靜止時現象

圖9 流體壓強與流速演示器水流動時現象

實驗2：流速與管粗細關系

學生利用器材分組實驗，關閉出水口開關，將水裝滿儲水瓶，觀察到水靜止時螺旋槳不動，慢慢打開開關，水流動時，快速直觀地認識到：粗管中的流速小，細管中的流速大.結合第一部分實驗現象，進而發現粗管流速小的位置壓強大，細管流速大的位置壓強小.

實驗3：氣體壓強與流速關系

用吹風機向粗細管中吹風，現象如圖10所示，能明顯觀察到與粗管相連接的軟管中紅墨水液面下降，與細管相連接的軟管中紅墨水液面上升.結合壓強知識，學生自己分析出原來氣體中也存在粗管流速小的位置壓強大，細管流速大的位置壓強小的規律.

圖10 氣體壓強與流速關系現象

綜合以上3個實驗現象，總結出流體壓強規律：在流體中，流速越大的位置壓強越小，流速越小的位置壓強越大.

1.4 核心素養目標實現

該實驗過程核心設計思路如圖11所示，經過不同情境的創設、遞進問題的設計、知識的遷移，學生自己經歷“推理”過程獲取流動液體中的流體壓強規律，讓學生認識到實驗探究的重要性，培養學生善于觀察、善于總結、解決問題的能力.教師進而引導學生通過實驗方法遷移，自行設計實驗，自制氣體壓強與流速關系演示器，讓學生通過科學想象與科學推理方法的結合，大膽嘗試動手實驗，發展學生想象力和動手實踐能力，使學生敢于質疑，勇于創新，形成尊重事實、探索真理的科學態度，有效落實提高學生核心素養的最終目標.

圖11 實驗核心設計思路

2 探究飛機升力實驗

2.1 傳統教學實驗方式

飛機升力是流體壓強的典型應用，多數教師的教學模式采用如圖12所示飛機升力演示實驗結合動畫和理論分析的方式進行飛機升力知識的講解，而動畫演示是人為設計，可信度不高，由于缺乏實驗驗證，學生在學習飛機上下表面流速時，經常錯誤地認為上表面流速小，下表面流速大，導致飛機升力最終不能正確得出答案，阻礙了教學進度的完成.

圖12 飛機升力演示器

2.2 改進實驗方式

分析以上學生容易犯錯的原因，針對傳統教學中存在的缺陷，自制圖13飛機升力機翼模型，學生分組進行實驗，認識飛機升力的存在.類比氣體壓強與流速關系實驗，自制探究飛機升力演示儀(圖14)，有效突破飛機升力產生原因.

圖13 飛機升力機翼模型

探究飛機升力演示儀包括飛機升力演示部分、U型管、軟管、機翼模型4部分，實驗巧妙結合機翼模型與氣體壓強與流速關系裝置，通過軟管將機翼上表面與U型管左側相連，機翼下表面與U型管右側相連，U 型管液面的高度變化反映機翼上下表面的壓強變化，從而有效分析出機翼上下表面壓強與流速大小的關系，找到飛機升力產生的原因.

2.3 實驗過程

2.3.1 實驗器材

飛機升力機翼模型，探究飛機升力演示儀，鼓風機，插排.

2.3.2 實驗步驟

(1)利用如圖13所示自制飛機升力機翼模型，讓小飛機起飛的小實驗，學生積極嘗試，認識飛機起飛是由于飛機受到向上的升力.

(2)教師演示探究飛機升力演示儀，鼓風機未吹風時，機翼上下表面壓強相等，U型管兩側液面相平.用鼓風機模擬空氣氣流，吹向機翼模型，現象如圖15所示，觀察U型管兩側液面高度變化，發現左側液面升高，右側液面下降，結合流體壓強和流速的關系，學生自己分析確定原來真的是上表面流速大壓強小，下表面流速小壓強大.機翼上下表面形成向上的壓強差，飛機獲得向上的升力騰空而起.

圖15 探究飛機升力演示儀現象

2.4 核心素養目標實現

學生利用飛機升力機翼模型進行實驗，既增加了學習的趣味性，提高了學生的學習興趣，又為后面探究飛機升力問題做好鋪墊.結合探究飛機升力演示實驗鮮明的實驗現象，學生自己利用已經獲得的知識進行分析，獲取飛機升力產生的原因.整個分析過程，符合學情，從感性到理性，巧妙突破本節難點.整個環節讓學生體驗到物理的奇妙和魅力，提高學生自主學習物理的興趣，培養學生遇到問題自主思考的習慣和設法解決的毅力，鍛煉學生一定的自主鉆研物理的能力.

3 流體壓強實例模型情景再現

3.1 傳統教學方式

學生利用所學的流體壓強知識解釋生活中的流體壓強現象，教材雖然有豐富的文字和圖片展示，但是很多學生沒坐過火車、地鐵，沒拆開過吸塵器，更沒見過草原犬鼠，生活經驗的限制導致學生不能理解具體的流體壓強情境，多數教師采用播放視頻的方式幫助學生理解情境，但效果不是特別理想.

3.2 改進教學方式

筆者結合八年級學生的實際情況，提供相應的材料，鼓勵學生進行科學小創作，安全線模型(圖16)、迷你吸塵器(圖17)、草原犬鼠之家(圖18)模型情景再現，提升知識與生活的關聯性，實現在做中學，從表層學習向深度學習發展.

圖16 安全線模型

圖17 迷你吸塵器

圖18 草原犬鼠之家模型

3.3 核心素養目標實現

流體壓強實例模型情景再現，直觀的現象令人印象深刻，既驗證了知識的正確性，又提高了學生的自信心和學習興趣.筆者幫助學生課下查閱資料撰寫科學小論文，更好地了解生活、服務社會.“學以致用”鍛煉了學生的物理應用能力，學會用物理知識指導生活，服務生活，有效激發學生學習物理的熱情，樹立通過學習鉆研科技、報效祖國的理想.

4 結束語

本節實驗大膽改進創新，自制教具獨特，現象直觀，利于突破重點和難點.在整個教學過程中，營造一個自主、和諧、多元的實驗環境;以實驗為主線，以學生為主體，小組精誠合作，充分調動學生學習積極性，培養學生創新思維和實踐動手能力.流體壓強實例模型情境再現，材料易得，效果顯著，幫助學生從生活走向物理，從物理走向社會.整節課以創新實驗為依托，貫徹落實了提高學生核心素養的目標.