何 敏 聶 穎 肖 化 包 雷

(1 華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2江蘇省張家港市教師發(fā)展中心,江蘇 蘇州 215600;3美國俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)院,哥倫布 俄亥俄州 43210)

壓強(qiáng)是中國初中物理課程中的一個重要概念,也是材料力學(xué)和熱力學(xué)中的核心概念。《中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中屬于理解層次的內(nèi)容要求只有四條,壓強(qiáng)是其中一條,可見壓強(qiáng)在初中物理課程中占有重要地位[1,2]。在現(xiàn)有國內(nèi)的初中教材中,討論液體內(nèi)部壓強(qiáng)時(shí)是完全忽略大氣壓的作用的。通過問卷調(diào)查我們發(fā)現(xiàn),這一階段的學(xué)生多半具有大氣壓對液體中壓強(qiáng)影響的直覺性理解。我們可以利用學(xué)生這方面的直覺思維,引導(dǎo)他們構(gòu)建正確的知識體系。

1 前言

國際上在液體壓強(qiáng)方面的教學(xué)研究大多針對高中和大學(xué)生,主要關(guān)注學(xué)生對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的錯誤概念理解。研究表明,學(xué)生在學(xué)習(xí)完液體內(nèi)部壓強(qiáng)公式(P=P0+ρgh)后,有些學(xué)生可能會對公式中的“h”產(chǎn)生誤解。他們會將“h”標(biāo)識為到容器壁的距離,或是到測量點(diǎn)的豎直上方邊界的距離,或者是測量點(diǎn)到管線開口的距離[3,4]。還有學(xué)生會認(rèn)為處于大氣壓環(huán)境下的液體中,液體上部受到的液體壓力較大,因?yàn)榇髿鈮涸谝后w上表面施加了壓力而在深入液體后這種壓力會減少[5]。有的學(xué)生也可能無法區(qū)分液體密度和壓力,從而認(rèn)為在均勻液體中壓力是相同的[3,4,5,6]。以上這些研究顯示了學(xué)生在學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)的過程中產(chǎn)生的各種錯誤性理解,說明學(xué)生對液體中的壓力和壓強(qiáng)有很多直覺認(rèn)識。

國內(nèi)對液體壓強(qiáng)的教學(xué)研究大多關(guān)注液體壓強(qiáng)演示實(shí)驗(yàn)改進(jìn)、液體壓強(qiáng)計(jì)算等方面。張前軍通過改進(jìn)“探究影響液體壓強(qiáng)的因素”實(shí)驗(yàn)中的U形管,在管內(nèi)封閉一段活塞,用空氣柱的移動帶動活塞的移動,用來替代教材中橡皮膜的細(xì)微變化[7]。王馳明等同樣對液體壓強(qiáng)公式推導(dǎo)中采用的建模發(fā)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新,將抽象知識具體化,細(xì)化了物理建模過程[8]。對于氣體壓強(qiáng)對液體壓強(qiáng)的影響,林維杰采用定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,對現(xiàn)有中學(xué)物理教材中液體壓強(qiáng)公式中的“h”有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)定,也對中學(xué)物理教學(xué)提出了幾點(diǎn)建議[9]。但是目前國內(nèi)學(xué)者對于中學(xué)生學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)有哪些直覺理解和先概念,以及學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會產(chǎn)生哪些錯誤理解,沒有進(jìn)行系統(tǒng)的梳理。同時(shí)對液體壓強(qiáng)這一章節(jié)的編排設(shè)計(jì)也很少涉及。

在教材比較方面,國內(nèi)有許多學(xué)者從不同的角度對中美物理教材進(jìn)行對比研究,例如廣西民族大學(xué)的呂舒欣、周萍以“磁學(xué)”為例對中美高中物理教材進(jìn)行對比,通過對比發(fā)現(xiàn)兩版教材各有優(yōu)劣,因此得出在今后的教材編寫中可適當(dāng)借鑒美國教材的特點(diǎn),在內(nèi)容上要體現(xiàn)時(shí)代感、在習(xí)題編寫上要聯(lián)系生活實(shí)際等建議,為我國物理教材的編寫提出了建設(shè)性意見[10]。再例如南京師范大學(xué)的季蓉選擇“原子結(jié)構(gòu)”為切入點(diǎn)對中美高中物理教材進(jìn)行對比分析,從章節(jié)安排、引言設(shè)計(jì)等五個方面進(jìn)行細(xì)致的對比分析,也找到了值得中國教材借鑒的地方——即用真實(shí)的原子照片替代現(xiàn)有物理教材中的模擬示意圖,增加實(shí)驗(yàn)類欄目的數(shù)量,加強(qiáng)物理學(xué)與生活的聯(lián)系等[11]。不管從哪個角度出發(fā),分析中美教材都是在我國物理教材自身優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,借鑒美國物理教材的特點(diǎn),進(jìn)而完善我國物理教材。目前文獻(xiàn)中,還沒有學(xué)者對“液體壓強(qiáng)”在中美教材中的編排形式進(jìn)行對比研究和討論,因此,本文以此為出發(fā)點(diǎn),比較中美教材在“液體壓強(qiáng)”方面的教學(xué)框架,并對中國學(xué)生學(xué)習(xí)中可能具有的概念理解進(jìn)行分析,進(jìn)而探討今后教學(xué)改進(jìn)的策略。

我們通過對國內(nèi)人教版物理教材進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在液體壓強(qiáng)的教學(xué)設(shè)計(jì)上存在一些問題:液體中壓強(qiáng)的計(jì)算直接用公式P=ρgh,用來表明液體下深度為h處液體的壓強(qiáng),而沒有明確說明大氣壓強(qiáng)的影響。這樣的表述可能會給剛學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)的初中生一個誤導(dǎo):只要是求液體壓強(qiáng)就可以套用上面的公式。實(shí)際上“液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)”和“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”是兩個不同的概念:前者強(qiáng)調(diào)的是僅由液體部分產(chǎn)生的壓強(qiáng),后者則是要考慮液體上面是否存在大氣壓強(qiáng),要考慮疊加的效應(yīng)。因此在教學(xué)中需要教師強(qiáng)調(diào)兩者的區(qū)別?，F(xiàn)有的人教版教材中將大氣壓強(qiáng)和液體壓強(qiáng)分立成獨(dú)立的知識點(diǎn),這樣的安排會不利于知識的整合和培養(yǎng)學(xué)生的深度理解。在計(jì)算液體內(nèi)部壓強(qiáng)時(shí),直接運(yùn)用公式P=ρgh在兩個特殊條件下是可行的:(1)當(dāng)液面上方是真空而沒有大氣壓的時(shí)候,這個計(jì)算是正確的;(2)當(dāng)測量液體內(nèi)部深度很大的地方的壓強(qiáng)時(shí),可以近似忽略大氣壓強(qiáng)的影響,這個公式是近似可行的。但是教材中安排的例題和習(xí)題卻往往忽視這一點(diǎn),沒有具體闡述液體壓強(qiáng)公式的使用條件。同時(shí)本文認(rèn)為,在教學(xué)環(huán)節(jié)中應(yīng)該盡量減少不正確的近似。如果是可行的近似,則應(yīng)該給出具體的條件,否則很可能引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建一個不正確的概念。

2 研究設(shè)計(jì)

本研究以國內(nèi)人教版八年級物理教科書(以下簡稱“國內(nèi)教材”)和美國《Physics:Principles with Applications》(《物理:原理與應(yīng)用》) (Giancoli,2005)[12](以下簡稱“美國教材”)為例作比較分析。美國教材是基于代數(shù)基礎(chǔ)的課程,適用于大學(xué)里非理工科的學(xué)生。而在實(shí)際使用中,也多用于9～12年級的高中物理教學(xué)[12]。因?yàn)槊绹膶W(xué)生在初中不學(xué)物理,所以在高中選修物理的學(xué)生是第一次接觸物理課。因此這份美國教材和國內(nèi)教材一樣,都是面向剛接觸物理學(xué)習(xí)的入門級教材,對學(xué)生的要求是差不多的,都在兩國廣泛使用,因此具有代表性。

本研究采用分析教材,調(diào)查問卷和訪談的方法,試圖探究中美教材對液體壓強(qiáng)知識點(diǎn)是如何展開教學(xué)的以及學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的概念理解和問題解決的策略。本研究主要關(guān)注以下兩個問題:

(1) 學(xué)生對液體內(nèi)部壓強(qiáng)是否受大氣壓強(qiáng)影響有哪些直觀的理解;

(2) 學(xué)生對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的理解是否可以映射知識整合的層次。

為了研究學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中表現(xiàn)的各種概念理解,我們設(shè)計(jì)了一個液體壓強(qiáng)的問卷,并以此收集了學(xué)生的定量和訪談數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)分析,進(jìn)而深入了解學(xué)生現(xiàn)有的認(rèn)知水平。最后我們綜合教材比較和問卷數(shù)據(jù)分析的結(jié)果,對國內(nèi)物理教材設(shè)計(jì)給出一些建議,希望能提升知識整合教育,幫助學(xué)生建立深度的概念理解。

3 中美教材對比

3.1 章節(jié)知識點(diǎn)編排

從“液體壓強(qiáng)”所在章節(jié)目錄來看,中美兩國教材有很大的不同:國內(nèi)教材圍繞“壓強(qiáng)”分別安排了壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)和流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系共4個小節(jié);美國教材則圍繞“液體”分別安排了物質(zhì)狀態(tài)、密度、液體中的壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)、帕斯卡原理、大氣壓強(qiáng)的測定、浮力和阿基米德原理、流體運(yùn)動、伯努利方程及其應(yīng)用共十多個知識點(diǎn),具體見表1。

表1 中美兩國物理教材相關(guān)章節(jié)知識點(diǎn)對比

從表1可見,國內(nèi)教材把“液體壓強(qiáng)”放在壓強(qiáng)介紹和大氣壓強(qiáng)之間,教材中對壓強(qiáng)的介紹首先從自然現(xiàn)象的觀察開始,思考雪地中穿雪橇和不穿雪橇的兩個人對雪地壓力作用的效果的不同,然后引導(dǎo)學(xué)生猜想影響壓力作用效果的因素有哪些,再通過以上感知、分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、歸納的過程認(rèn)識到壓力作用效果取決于相同面積上壓力的大小(也就是壓強(qiáng)),從而引出壓強(qiáng)的計(jì)算公式。學(xué)生對壓強(qiáng)概念有了一般性理解之后,教科書開始進(jìn)入對液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)的介紹,最后是對液體壓強(qiáng)和氣體壓強(qiáng)特點(diǎn)的拓展,即流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。整個《壓強(qiáng)》這一章的框架如圖1所示。

美國教材中把“液體壓強(qiáng)”放在了《Fluids》(《液體》)這一章。整體來看,這一章圍繞“液體”講了很多相關(guān)知識,其中液體壓強(qiáng)和氣體壓強(qiáng)是我們關(guān)注的重點(diǎn)。這一章的框架如圖2所示。

通過對比我們發(fā)現(xiàn),中美兩國物理教材對液體壓強(qiáng)知識點(diǎn)的安排各有特色。美國教材相關(guān)內(nèi)容整合在一個章節(jié),概念核心清晰,突出了知識之間的聯(lián)系性,呈現(xiàn)出的是清晰的知識脈絡(luò),對于學(xué)生知識體系的構(gòu)建十分有利[10]。國內(nèi)教材側(cè)重于“壓強(qiáng)”的教學(xué),把壓強(qiáng)、液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)以及由液體和氣體組成的流體壓強(qiáng)和流速的關(guān)系放在一起,我國物理教材的知識結(jié)構(gòu)傾向于直線型而美國物理教材中的知識結(jié)構(gòu)傾向于網(wǎng)絡(luò)型[10]。因此建議國內(nèi)教材的編寫應(yīng)打破知識點(diǎn)的界限,借鑒美國教材的特點(diǎn)——將相關(guān)聯(lián)知識點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化,以幫助學(xué)生構(gòu)建更加整合的知識結(jié)構(gòu)。

圖1 國內(nèi)物理教材中《壓強(qiáng)》章節(jié)教學(xué)框架圖[15]

圖2 美國物理教材中《液體》章節(jié)教學(xué)框架圖

3.2 學(xué)習(xí)順序比較

教材中對知識點(diǎn)的安排順序要符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的規(guī)律,因此具體到液體壓強(qiáng)的學(xué)習(xí),本文也對兩本教材的課程學(xué)習(xí)順序做了比較,如圖3所示。

我們發(fā)現(xiàn),國內(nèi)初中教材在液體壓強(qiáng)的學(xué)習(xí)順序上有這樣的特點(diǎn):從實(shí)際生活場景出發(fā)引導(dǎo)學(xué)生感受“液體壓強(qiáng)”的存在,然后設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn),用壓強(qiáng)計(jì)的橡皮膜在水中不同深度、不同方向的形變程度反映液體壓強(qiáng)的大小。這兩步設(shè)計(jì)對學(xué)生的概念建構(gòu)非常重要,在此基礎(chǔ)上,通過對液體內(nèi)部建模,推導(dǎo)出液體壓強(qiáng)公式P=ρgh,最后教材安排了液體壓強(qiáng)在實(shí)際生活的應(yīng)用,進(jìn)一步加深了學(xué)生對液體壓強(qiáng)的理解。大氣壓強(qiáng)對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響在高中物理學(xué)習(xí)階段才有涉及,例如在U 形管中判斷水銀柱的位置。

圖3 中美教材液體壓強(qiáng)學(xué)習(xí)順序比較

而美國教材首先介紹了壓強(qiáng)公式P=F/S,然后引入到液體壓強(qiáng),將液體想象成由無窮小的立方體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)模型,介紹液體內(nèi)部壓強(qiáng)的特點(diǎn),再根據(jù)壓強(qiáng)公式P=F/S推導(dǎo)出液面下深度為h處所受的液體部分產(chǎn)生的壓強(qiáng)為P=ρgh,同時(shí)強(qiáng)調(diào)該公式適用于液體密度不隨深度變化的液體。當(dāng)液體密度連續(xù)變化時(shí),根據(jù)壓力差法得到適用范圍更廣的液體中壓強(qiáng)變化公式,即ΔP=ρgΔh。緊接著教材安排的是大氣壓強(qiáng)和帕斯卡定律的學(xué)習(xí),我們要強(qiáng)調(diào)的是,在美國教材設(shè)計(jì)中編者把大氣壓強(qiáng)對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響在這之后進(jìn)行匯總,液體中壓強(qiáng)的計(jì)算最后有了更完整的公式P=P0+ρgΔh。

中美兩國教材在液體壓強(qiáng)這章節(jié)的安排有以下的不同:國內(nèi)教材采用探究式教學(xué)的方式,有提供實(shí)驗(yàn)器材做演示實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié),這是美國教材沒有明顯安排的;國內(nèi)教材從實(shí)際生活出發(fā)引出課題,最后又回到現(xiàn)實(shí)生活應(yīng)用中,是一個完整的學(xué)習(xí)知識、運(yùn)用知識的過程;美國教材側(cè)重于知識點(diǎn)之間的鏈接,雖然液體壓強(qiáng)和后面的大氣壓強(qiáng)、帕斯卡定律和連通管處于不同的小節(jié),但是目標(biāo)是構(gòu)建相互緊密相關(guān)的知識體系。因此通過帕斯卡定律和連通管的學(xué)習(xí),將這三節(jié)結(jié)合起來,使液體內(nèi)部壓強(qiáng)得到更完整的詮釋,即液面上方大氣壓強(qiáng)也會對液體內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生影響。

由此我們建議國內(nèi)教材可以在保留自身特色的同時(shí),將大氣壓強(qiáng)對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響加入到教材中。否則P=ρgh只是一個忽略大氣壓的公式,在沒有標(biāo)注忽略大氣壓的前提條件下是不完備的。

4 中考題分析

中考對液體壓強(qiáng)的考查主要側(cè)重于液體壓強(qiáng)公式的理解和簡單的計(jì)算。這里以2001 年廣州市的中考題為例進(jìn)行分析。

【中考題】如圖4所示,置于水平桌面上的容器裝有某種液體,液體的體積為2.0×10-3m3,液體的深度為0.5m,若容器重為20N,底面積為2.0×10-2m2,容器底受到液體的壓強(qiáng)為5.0×103Pa(g取10N/kg),求:(1)液體的密度;(2)距容器底高為0.2m 處A點(diǎn)的液體壓強(qiáng);(3)這個裝著液體的容器對桌面的壓強(qiáng)。

圖4 中考題插圖

題目考查的是學(xué)生對壓強(qiáng)公式的運(yùn)用,因?yàn)楸敬沃饕懻撘后w壓強(qiáng),故只以第2問為例進(jìn)行分析。參考答案給出的解法是:

A點(diǎn)距離液面的距離為:

所以A點(diǎn)的液體壓強(qiáng)為:

這是在忽略大氣壓的情況下得到的結(jié)果。在訪談一線教師時(shí),受訪初中教師們表示在中考中,液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)通常是明確分開的,教學(xué)和命題時(shí)一般會強(qiáng)調(diào)“液體壓強(qiáng)”或“液體內(nèi)部壓強(qiáng)”,因此本題在考試時(shí)并不會造成學(xué)生誤解。但從物理角度上,如果考慮大氣壓強(qiáng),則這道題的解答應(yīng)是:

因此我們建議在液體壓強(qiáng)的考查時(shí),如果教材中沒有討論大氣壓強(qiáng)對液體壓強(qiáng)的影響,則應(yīng)該在題干中增加前提條件——使用真空環(huán)境,或是處于液體中很深的位置,并明確說明忽略大氣壓強(qiáng)對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響。此外,如果教師在教學(xué)中嚴(yán)格區(qū)分“液體部分產(chǎn)生的壓強(qiáng)”和“液體內(nèi)部壓強(qiáng)”,那么用“液體壓強(qiáng)”這個名詞就不是很嚴(yán)謹(jǐn),會有不同的理解,造成歧義。因此在教學(xué)和測試中必須精確定義和使用這些名詞,不能模棱兩可。

5 訪談結(jié)果

鑒于中美物理教材的不同,我們以“壓強(qiáng)”為核心概念設(shè)計(jì)了一套調(diào)查問卷,其中在液體壓強(qiáng)的計(jì)算中沒有忽略大氣壓強(qiáng),目的是調(diào)研學(xué)生在傳統(tǒng)教材沒有教授大氣壓對液體內(nèi)部壓強(qiáng)影響的情況下是否對這個問題有直覺的感知思考。例如問卷中的第7題就主要關(guān)注學(xué)生這方面的認(rèn)知思維(見表2)。

使用該問卷,我們測試了江蘇省某中學(xué)初二、初三的學(xué)生,共回收1113份問卷。其中初二學(xué)生剛剛學(xué)習(xí)完液體壓強(qiáng),而初三學(xué)生則已經(jīng)復(fù)習(xí)過相關(guān)內(nèi)容。該題的答題情況如表3所示。

題目第一問是填空題,目的是調(diào)查學(xué)生對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的理解狀況。結(jié)果顯示約80%的學(xué)生能寫出P=ρgh和F=ρghS,這是國內(nèi)教材要求學(xué)生掌握的液體壓強(qiáng)公式及壓力公式,表明大部分學(xué)生能夠掌握書本的內(nèi)容。此外,我們還發(fā)現(xiàn)有大約5%的學(xué)生能回答出P=P0+ρgh,即能正確判斷出大氣壓對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響。由表中其他題目數(shù)據(jù)可以看出,在液體表面上的大氣壓強(qiáng)發(fā)生變化時(shí),有超過一半的學(xué)生能給出正確答案。因?yàn)檫@方面內(nèi)容教材和教學(xué)中都沒有討論,所以學(xué)生的答案反映了他們通過自己的直觀感受定性地知道大氣壓強(qiáng)的變化對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響。以第2問為例,當(dāng)用抽氣泵慢慢抽出密閉容器中的氣體時(shí),52.92% 的學(xué)生回答“變小”,21.74%的學(xué)生回答“變大”,不論答案正確與否,共74.66%的學(xué)生能知道大氣壓強(qiáng)變化時(shí)會對液體內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生改變。

表2 問卷測試題舉例

表3 問卷測試題答題正確率

同時(shí)我們根據(jù)該類測試題訪談了一些學(xué)生和初中物理教師,主要是為了更深入地了解學(xué)生在大氣壓強(qiáng)是否會影響液體內(nèi)部壓強(qiáng)這個問題上的思維過程。根據(jù)他們的回答,我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對此有直覺性的理解。大部分學(xué)生認(rèn)為大氣壓強(qiáng)改變時(shí)會對液體內(nèi)部壓強(qiáng)產(chǎn)生影響。雖然其中有些答案不對,或是不能準(zhǔn)確描述具體的原因,但是也足以說明學(xué)生即使在教科書上沒有涉及該種關(guān)系的前提下也會獲得正確的直覺性理解。其中有些學(xué)生能明確知道抽氣和打氣過程中液體內(nèi)部壓強(qiáng)的定性關(guān)系,但是不知道如何計(jì)算,因?yàn)椤霸趯W(xué)校老師沒有教過”。

在訪談過程中,我們也發(fā)現(xiàn)學(xué)生對“液體壓強(qiáng)”、“液體內(nèi)部壓強(qiáng)”和“液體部分產(chǎn)生的壓強(qiáng)”通常不能清晰地區(qū)分,而認(rèn)為這些都是表達(dá)了“液體內(nèi)部壓強(qiáng)”的含義。因?yàn)檎n程沒有講大氣壓對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響,因此學(xué)生也沒能自主建立區(qū)分這些名詞含義不同的概念基礎(chǔ)。所以即便教師在教學(xué)中嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貐^(qū)分這些名詞,學(xué)生仍然不可能理解這樣做的意義和其中的物理含義。因此不講授大氣壓的影響會造成學(xué)生這部分概念理解的局限性,達(dá)不到深度學(xué)習(xí)的教學(xué)目的。

從初中教師的訪談中,我們可以發(fā)現(xiàn)他們自身對“大氣壓強(qiáng)會對液體內(nèi)部壓強(qiáng)有影響”是知道的,但是由于教材中的教學(xué)目標(biāo)沒有給出要求,大部分考題也是沒有明確界定考慮大氣壓強(qiáng)的條件,因此他們會按照教材中的教法教授,訪談中有約60%的物理教師會區(qū)分“液體產(chǎn)生的壓強(qiáng)”和“液體內(nèi)部的壓強(qiáng)”,但同時(shí)也會說“初中階段只需要掌握以上公式的計(jì)算即可”;約30%的教師表示課堂上沒有強(qiáng)調(diào)兩者的聯(lián)系,認(rèn)為“擔(dān)心學(xué)生理解不了”;約10%的教師會在物理基礎(chǔ)好的班級單元學(xué)習(xí)后拓展教學(xué),將大氣壓對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響整合起來,學(xué)生大都能理解。

由此看見,初中階段的學(xué)生通過直覺感知,已具有對大氣壓和液體內(nèi)部壓強(qiáng)之間關(guān)系的基本概念理解。然而我們的教材對知識之間的聯(lián)結(jié)不夠重視,使得學(xué)生沒能形成整體的深度理解,不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維等物理學(xué)科核心素養(yǎng)。通過研究,我們可以看出,這階段學(xué)生已經(jīng)具備學(xué)習(xí)該內(nèi)容完整概念的思維和數(shù)學(xué)基礎(chǔ),因此,我們建議可以適當(dāng)優(yōu)化教材,在液體內(nèi)壓強(qiáng)的教學(xué)中納入大氣壓影響的部分,以幫助學(xué)生獲得更好的知識整合。

6 結(jié)語

零碎與分散的物理知識,對學(xué)生構(gòu)建物理認(rèn)知結(jié)構(gòu)是單薄的[13]。知識整合教學(xué)一直是近年來各位學(xué)者研究的重點(diǎn),并提出教學(xué)改革應(yīng)該通過深度學(xué)習(xí),將散存的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來形成層級結(jié)構(gòu)的知識,提高學(xué)生知識學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)度[13],從而有助于學(xué)生認(rèn)知的全面發(fā)展。對于液體壓強(qiáng)的教學(xué)同樣如此,國內(nèi)物理教材的安排有其優(yōu)點(diǎn),但是也存在一些問題,例如,任少鐸[14]通過對比國內(nèi)兩個版本的物理教材發(fā)現(xiàn),它們完全忽略現(xiàn)實(shí)中液面承受的大氣壓強(qiáng),錯誤地將液體由于重力而產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)等效為液體內(nèi)部壓強(qiáng),因此建議在課本液體壓強(qiáng)一節(jié)對公式P=ρgh推導(dǎo)時(shí)明確說明液體內(nèi)部的壓強(qiáng)其產(chǎn)生原因除了液體自身重力以外還有其他原因,而這個壓強(qiáng)公式只是表達(dá)了液體重力產(chǎn)生的那部分壓強(qiáng)。但是,這樣局部改變?nèi)匀徊荒軓谋举|(zhì)上解決問題。如果不明確討論大氣壓的影響,就容易造成對液體中某一點(diǎn)壓強(qiáng)的定義的混淆。因此,教學(xué)中應(yīng)該清晰地討論液體中某一點(diǎn)的壓強(qiáng)既包含液體重力產(chǎn)生的部分,也包含大氣壓的影響,同時(shí)闡明壓強(qiáng)壓力的疊加性質(zhì),并可以進(jìn)一步延展到受力分析和合力的概念。

為了促進(jìn)知識整合教學(xué),教學(xué)內(nèi)容的安排上應(yīng)該首先實(shí)現(xiàn)知識點(diǎn)的整合。在液體內(nèi)部壓強(qiáng)的教學(xué)中實(shí)現(xiàn)知識整合,就需要幫助學(xué)生正確理解和計(jì)算大氣壓和液體內(nèi)部壓強(qiáng)的關(guān)系。為此,我們需要在教學(xué)中明確地教授大氣壓對液體內(nèi)部壓強(qiáng)的影響,并給出完整的計(jì)算公式。通過問卷和訪談研究,我們發(fā)現(xiàn)初中階段的學(xué)生是具備所需的概念和數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來完整地學(xué)習(xí)這一塊內(nèi)容的。同時(shí),通過與美國物理教材的比較,我們發(fā)現(xiàn)美國教材的教學(xué)流程最終會將大氣壓和液體內(nèi)部壓強(qiáng)聯(lián)系起來,形成一個整合的概念。這樣的編排可以提供我們借鑒。因此我們有以下幾點(diǎn)建議供參考:

(1) 國內(nèi)物理教材可以把大氣壓強(qiáng)放在液體壓強(qiáng)之前。學(xué)生對地球表面大氣的特性有一定的生活經(jīng)驗(yàn),也能根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)感知大氣壓強(qiáng),學(xué)習(xí)完大氣壓強(qiáng)的特性后學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng),就能很自然知道液體表面的大氣也會對液體內(nèi)壓強(qiáng)產(chǎn)生作用。

(2) 國內(nèi)現(xiàn)行的教材安排也有其優(yōu)勢,先學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)再學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)已經(jīng)是很多版本物理教材的傳統(tǒng)安排方式。如果不方便改動,我們則建議在大氣壓強(qiáng)結(jié)束后安排部分板塊進(jìn)行總結(jié),將大氣壓強(qiáng)對液體內(nèi)壓強(qiáng)的影響進(jìn)行具體闡述,并給出完整的公式。根據(jù)之前的調(diào)查問卷,我們知道學(xué)生已經(jīng)有了比較正確的直覺性理解,課本上沒有進(jìn)行整合性教學(xué)反而會讓學(xué)生產(chǎn)生困惑。為了使學(xué)生對壓強(qiáng)的認(rèn)知更清晰、完整,我們建議增加總結(jié)性板塊,用以連接整合大氣壓和液體內(nèi)壓強(qiáng)的內(nèi)容。

(3) 物理題目設(shè)計(jì)要更嚴(yán)謹(jǐn),在液體壓強(qiáng)題目設(shè)計(jì)時(shí),基于課堂上的深度學(xué)習(xí),如果課程標(biāo)準(zhǔn)要求初中階段的物理學(xué)習(xí)可忽略大氣壓強(qiáng)的影響,只對液體內(nèi)壓強(qiáng)進(jìn)行近似計(jì)算,那么在題干中要明確標(biāo)注忽略大氣壓的影響。這樣即使現(xiàn)階段不要求精確計(jì)算,學(xué)生也會得到物理上正確的結(jié)果,不會干擾將來的物理學(xué)習(xí),從而獲得更牢靠的知識基礎(chǔ)。