李科敏 蘇卡林 李奇云 徐旭玲 張 娜

“大氣壓強”的教學設計

李科敏 蘇卡林 李奇云 徐旭玲 張 娜

（湖南理工學院物電學院，湖南岳陽 414006）

在“大氣壓強”的教學設計中，注重培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，做到了在向學生傳授科學知識的同時，注重培養(yǎng)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，注重科學思維方法的學習和解決問題能力的提高，注重引導學生的心理品質和學科知識實現同步發(fā)展．

大氣壓強；教學設計；實踐體驗；合作交流

1 引言

新課程背景下的教學設計強調學生科學素養(yǎng)的全面提升和“知識與技能”、“過程與方法”、“情感態(tài)度與價值觀”三維教學目標的和諧達成，要求結合學生的實際情況，選擇合適的教學方法和構建有效的教學過程，做到在向學生傳授科學知識的同時，注重給學生創(chuàng)建“實踐體驗”和“合作交流”的學習環(huán)境，注重培養(yǎng)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，注重科學思維方法的學習和解決問題能力的提高，注重引導學生的心理品質和學科知識實現同步發(fā)展．

2 大氣壓強的教學設計

“大氣壓強”是在學生學完“壓強”和“液體壓強”的基礎上，對壓強知識的進一步拓展和延伸．“大氣壓強”與人們日常生活緊密相關，但對學生而言，要理解它的存在和知道它的大小是一件十分困難的事情．下面，我們通過設計一系列的實驗和活動，引導學生在“實踐體驗”和“合作交流”的過程中，逐步掌握有關大氣壓強的知識．

2．1 利用奇跡，引入新課內容

師生表演：教師出示一個礦泉水瓶，瓶口套有一個氣球的進氣口，氣球的其他部位都位于礦泉水瓶的內部，如圖1（a）所示．

學生表演：教師拿住此礦泉水瓶，由班上力氣較大的一名學生上臺表演把此瓶中的氣球吹大．表演結果：學生用盡力氣，并做了長時間努力，都沒辦法把此瓶中的氣球吹大，但此學生可以輕而易舉地把空氣中的同種氣球吹大．

教師表演：教師利用同一套裝置，可以輕而易舉地把礦泉水瓶中的氣球吹大，在停止吹氣時，在沒有給進氣口密封的情況下，被吹大的氣球也不向外放氣而保持體積不變，如圖1（b）所示．但在教師下令放氣變小時，被吹大的氣球立即向外放氣，體積變?。ㄈ笃孥E?。?/p>

圖1

同學們想知道其中的奧秘嗎？這是今天要學習的“大氣壓強”在起作用．（由此引入新課）

設計意圖：利用實驗奇跡，引發(fā)學生認知沖突，激發(fā)學生思維，從而喚起學生科學探究的欲望和對課堂學習的興趣．

2．2 創(chuàng)設情境，感知大氣壓強

師生互動：教師出示一個蓋住瓶蓋的空雪碧瓶，如圖2（a）所示．先向全班學生提問：要使空雪碧瓶變癟，我們可以采用什么辦法？（備選答案：用力壓．）再從班上選一個力氣大的學生，請該學生上臺展示用雙手對壓的方式把空雪碧瓶壓癟的過程．（結果：該學生只能使空雪碧瓶產生較小的變形但不能把空雪碧瓶完全壓癟．）可見，要想將空雪碧瓶壓癟需要很大很大的壓力．

教師演示：教師在空雪碧瓶內倒入一小杯開水（用開水加熱瓶內的空氣），片刻后倒掉開水，并迅速用瓶蓋蓋住雪碧瓶，學生會驚奇地發(fā)現，原來完好的雪碧瓶很快被一股神奇的力量所壓癟，如圖2（b）所示．對比上述學生的展示，引導學生分析得出空雪碧瓶的周圍存在一個很大的壓強．

圖2

設計意圖：通過展示驚奇的實驗現象，激發(fā)學生學習的熱情和興趣，吸引學生深入思考．

學生討論：這個巨大的壓強是誰施加的呢？

師生互動：教師引導學生類比液體內部存在壓強進行思考，地球周圍有幾百千米厚的大氣層，就像液體因重力作用會在其內部產生壓強一樣，大氣層也會因重力作用在其內部產生壓強，這個壓強叫做大氣壓強．與液體壓強一樣，大氣內部向各個方向都有大氣壓強．

設計意圖：引導學生類比液體內部壓強的本質進行思考而感知大氣壓強的存在，對學生進行研究方法的教育和實踐．

2．3 設計活動，體驗大氣壓強

體驗活動1：體驗拉吸盤．用兩個有塑料掛鉤的吸盤模擬做馬德堡半球實驗，排除兩個吸盤中的空氣，讓兩個學生向兩端拉開吸盤，體驗大氣壓強的大小，如圖3所示．（結果：學生很難拉開兩個吸盤，讓學生體驗到大氣壓強是很大的．）

設計意圖：使學生通過拔出吸盤的艱難過程，體驗大氣壓強的存在和巨大．

體驗活動2：制作和操作“聽話的礦泉水瓶”．在一礦泉水瓶的兩端各開一個大小適當的小孔，將礦泉水瓶裝滿水，把礦泉水瓶倒過來，并用手指堵住礦泉水瓶底部的小孔．操作體驗：（1）手指松開底部小孔時，瓶中的水會隨之從瓶中流出；（2）手指堵住底部小孔時，瓶中的水會隨之停止流出．

圖3

學生討論1：瓶中的水為什么會隨著手指的松開、堵住小孔分別出現流出、停止流出的現象呢？（參考答案：手指松開小孔，瓶中的水受到向下和向上兩個相同大小的大氣壓強作用而抵消，此時，瓶中的水僅僅受到豎直向下的重力作用而從瓶的下端流出；用手指堵住小孔，瓶中的水受到豎直向上的大氣壓強和豎直向下的重力作用，但大氣壓強對瓶中的水產生豎直向上的力大于水的重力，所以，此時瓶中的水不會流出來．）

學生討論2：你還見過哪些與大氣壓強有關的事例？

設計意圖：利用活動和討論，使學生親身體驗大氣壓強的存在和巨大，并通過交流討論，培養(yǎng)學生的學習興趣、語言表達能力和科學思維能力．

2．4 指導實驗，測量大氣壓強

學生活動：粗略測量大氣壓強的大?。畬⑷鄬W生分成若干個學習小組，每組4～6人，要求學生利用“帶有塑料掛鉤的吸盤”、“玻璃板”、“彈簧秤”等工具，設計一個能測出大氣壓強大小的實驗，并利用設計的實驗估測大氣壓強的大?。?/p>

教師指導學生設計如圖4所示的實驗，并通過實驗測量，利用公式p＝F／S得出大氣壓強的大?。Y果是：各組得到的結果相差較大．教師問：產生誤差的原因是什么？可以怎樣改進？

設計意圖：培養(yǎng)學生創(chuàng)造性設計實驗的能力和團隊合作精神．

視頻展示：精確測量大氣壓強的大小．教師利用視頻向學生介紹如圖5所示的托里拆利實驗裝置、實驗原理、實驗過程和實驗結果；引導學生觀察，并指導學生利用公式p＝F／S＝ρ液gh，得出大氣壓強的大小和一個標準大氣壓強的值（約為1．01×105Pa），強調一個標準大氣壓強大約相當于1kg物體壓在1cm2的面積上產生的壓強．

圖4

圖5

設計意圖：給學生創(chuàng)設觀察和思考的學習環(huán)境，培養(yǎng)學生的觀察能力和手腦并用的能力．

2．5 借助實物，介紹測量工具

教師介紹：（1）水銀氣壓計：在托里拆利實驗的玻璃管旁立上刻度尺，即成為一種測量大氣壓的工具——水銀氣壓計；（2）無液氣壓計：水銀氣壓計攜帶不方便，給學生介紹使用較多的無液氣壓計——金屬盒式氣壓計，并介紹其結構及應用．

2．6 開展討論，探討相關因素

學生討論：根據大氣壓強的來源，討論影響大氣壓強大小的因素有哪些？（考察點的高度、溫度等因素）

2．7 利用實例，研討新知應用

學生活動1：體驗注射器吸水．讓學生將注射器的針頭放入水中，抽動活塞，體驗注射器往針筒內吸水的過程，并討論和思考：如果沒有大氣壓強會發(fā)生什么情況？

學生活動2：自制抽水機．教師出示手搖式抽水機裝置的示意圖，如圖6（a）和（b）所示，指出圖中單向閥門的作用，要求學生討論、思考和表述這種手壓式抽水機的工作原理；利用手搖式抽水機的工作原理，指導每組學生將一個礦泉水瓶制成一個抽水機并操作抽水，即在礦泉水瓶的側面打開一個小孔，利用薄金屬片和透明膠帶在小孔處設置一個單向閥門，如圖6（c）所示，只要上下抖動這個改裝的礦泉水瓶，就會看到杯中的水被逐步抽到瓶中并由小孔噴出．

圖6

學生活動3：選用一根塑料輸水管，用手掌做單向閥門，并使輸水管在裝滿水的容器中上下抖動，要求把水管下面的水抽出來．

設計意圖：給學生創(chuàng)設手腦并用的學習環(huán)境，促使學生深入理解大氣壓強，并培養(yǎng)學生的操作興趣、動手能力和動作協(xié)調能力．

教師介紹：拔火罐．拔火罐是一種古老的醫(yī)療方法，這種療效顯著的方法是由我國祖先發(fā)明至今仍被廣泛采用．它是以杯罐作工具，借加熱法排去杯罐中的部分空氣，杯罐內部空氣冷卻后的壓強小于杯罐外的大氣壓強，從而使杯罐可以吸附在人體皮膚上，使人體達到疏通經絡、通暢氣血、驅寒除濕等效果．你能否進一步改進這種拔火罐的裝置？（激發(fā)學生創(chuàng)造性地進行發(fā)散思維．）

設計意圖：利用“拔火罐”的介紹，讓學生進一步理解大氣壓強在自己日常生活中的用途，實現“從物理走向社會”，并增強學生的民族自豪感．

學生討論1：這么大的大氣壓強壓在我們身上，為什么沒有把我們壓壞？

學生討論2：海拔越高的地方空氣越稀薄，那里的大氣壓強越小．請你想象一下：長期生長在沿海一帶的人們，剛到西藏高原時會有什么感受？長期生長在西藏高原的人們，剛到沿海一帶時又會有什么感受？

學生討論3：如果我們直接跑到沒有大氣的太空去，可能會發(fā)生什么情況？你認為此時該如何保護自己？

（參考答案：生物是適應環(huán)境的，我們體內都有一個和外界大氣壓強大小相等、方向相反的向外的壓強；長期生長在沿海一帶的人們，剛到西藏高原時，因為外面的大氣壓強小于體內向外的壓強，因而會有全身發(fā)脹的感覺，這就是所謂的“高原反應”；相反，長期生長在西藏高原的人們，剛到沿海一帶時，會有全身受壓的感覺；如果我們直接跑到沒有大氣的太空中去，由于體表沒有受到指向體內的大氣壓強，但體內向外的壓強仍然存在，并等于大氣壓強，這使我們的身體會受到一個由體內指向體外的巨大作用力，它會使我們的身體因此而炸裂；為了保護自己，我們必須穿上特制的航空服，使人體表面擁有一個指向體內且大小等于大氣壓強的壓強．）

奇跡揭秘：開始上課時，教師表演了三大奇跡，這主要來自大氣壓強的作用和礦泉水瓶底部開了一個小孔，如圖1（a）所示．堵住瓶底小孔，就沒辦法把瓶中的氣球吹大；松開小孔，就可以輕而易舉地把瓶中的氣球吹大；再堵住瓶底小孔，在停止吹氣時，在沒有給進氣口密封的情況下，被吹大的氣球也不向外放氣而保持體積不變，如圖1（b）所示；再次松開小孔，被吹大的氣球立即向外放氣、體積變?。埻瑢W們利用大氣壓強等知識進一步討論和解析其中的原因．

設計意圖：以學生感興趣的問題為牽引，培養(yǎng)學生學習物理的興趣和解決實際問題的能力．2．8 引導總結，把握知識要點

師生互動：教師引導學生總結本節(jié)的知識要點，并讓學生交流各自的體會，然后板書．

（1）大氣壓強：地球周圍的大氣對浸入其中的物體具有壓強，這個壓強就叫大氣壓強，簡稱大氣壓．與液體壓強一樣，大氣內部向各個方向都有壓強．

（2）一個標準大氣壓強等于760mm高的水銀柱對地面產生的壓強，大小約為1．01×105Pa，大致等于1kg物體壓在1cm2的面積上產生的壓強．

（3）大氣壓強的測量工具：水銀氣壓計，金屬盒式氣壓計．

（4）影響大氣壓強大小的因素有：考察點的高度、大氣的溫度等．

（5）大氣壓強的應用：注射器吸水、抽水機抽水、拔火罐等．

2．9 利用任務，培養(yǎng)合作精神

課后實驗：學生選用底部開了孔的紙杯和輕質塑料片做覆杯實驗．用手指堵住該孔，杯中裝滿水且用輕質塑料片蓋住杯口，把杯子倒過來，并在前后左右輕輕傾斜晃動杯子，觀察杯中的水會不會從杯中流出來？松開手指（即打開該孔），會發(fā)生什么現象？并思考為什么會出現這兩種現象？

小組合作：每個小組合作設計并制作一個氣壓計，用它來觀察樓下到樓上或者山下到山上的大氣壓的變化，并把你們的設計方案、工作原理和體會寫成小論文貼到“學習園地”與大家交流．［圖7（a）和（b）是兩個學習小組的優(yōu)秀作品．］

圖7

設計意圖：通過課后的學生實驗和小組合作，以任務為牽引，進一步加深學生對大氣壓強的理解，訓練學生的語言表達能力、研究創(chuàng)新能力和團隊合作精神．

3 教學反思

在此“大氣壓強”的教學設計中，我們構建了一系列“實踐體驗”和“合作交流”的學習環(huán)境，做到了在向學生傳授科學知識的同時，注重培養(yǎng)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力，注重科學思維方法的學習和解決問題能力的提高，注重引導學生的心理品質和學科知識實現同步發(fā)展．這個教學設計，我們已經進行了教學實踐，并取得了良好的教學效果．

2016－05－24）

湖南理工學院學位與研究生教育教改項目（2016—2018）：在教學實踐中培養(yǎng)專業(yè)學位研究生創(chuàng)新能力的研究．