西安交通大學(xué)蘇州附屬初級中學(xué)(215000) 王 芳

1 問題的提出

美國國家研究理事會(NRC)認(rèn)為：“學(xué)習(xí)進(jìn)階是對學(xué)生連貫且逐漸深入的思維方式的描述。在適當(dāng)?shù)臅r間跨度下，學(xué)生學(xué)習(xí)和探究某一重要知識時思維方式依次進(jìn)階。”從這一理論出發(fā)，根據(jù)學(xué)生認(rèn)知思維發(fā)展“進(jìn)階”的特點(diǎn)，構(gòu)建基于學(xué)生視角的清晰的“階”是課堂活動設(shè)計的關(guān)鍵。

要構(gòu)建學(xué)習(xí)進(jìn)階，首先要明確什么是“階”。學(xué)習(xí)進(jìn)階并不只是解決學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展路徑的問題，它解決的是學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展過程中用以“踏腳”的具體的“腳踏點(diǎn)”。本文以“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”一課設(shè)計為例，通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生認(rèn)知過程中的具體“踏腳點(diǎn)”創(chuàng)建階梯實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)科學(xué)思維進(jìn)階。

2 案例呈現(xiàn)及設(shè)計意圖

“流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”是液體、氣體壓強(qiáng)知識的拓展，為浮力學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。是對液體和氣體靜態(tài)壓強(qiáng)介紹后，對流體動態(tài)壓強(qiáng)的進(jìn)一步探討，是對液體和氣體靜態(tài)壓強(qiáng)知識的延伸。

新課程標(biāo)準(zhǔn)對“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”的要求是通過實(shí)驗(yàn)，能總結(jié)出流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系，能利用流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系解釋升力產(chǎn)生的原因，能利用流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系解釋生活中有關(guān)的現(xiàn)象。從課程標(biāo)準(zhǔn)來看，本節(jié)課體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的教學(xué)理念。因此，本節(jié)教學(xué)設(shè)計以實(shí)驗(yàn)為主線，從創(chuàng)設(shè)情境、合作探究、延伸拓展3個方面設(shè)置階梯情境，助推學(xué)生思維進(jìn)階，基于以上分析設(shè)計了如圖1所示的教學(xué)流程。

圖1 教學(xué)流程

2.1 通過實(shí)驗(yàn)器材創(chuàng)設(shè)物理情境，思考現(xiàn)象背后的本質(zhì)，激活學(xué)生形象思維

情境1：魔術(shù)“隔空點(diǎn)火”

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

設(shè)計意圖：在傳統(tǒng)觀念認(rèn)知中，“吹”是熄滅蠟燭的一種方式，而在這個小魔術(shù)中，卻用“吹”的方法點(diǎn)燃了蠟燭，與學(xué)生已有認(rèn)知產(chǎn)生強(qiáng)烈沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探究欲,自然引出流體概念，引導(dǎo)學(xué)生探究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

教師引導(dǎo)：物理學(xué)中把具有流動性的氣體和液體統(tǒng)稱為流體，

氣體和液體流動時的速度稱為流速。前面兩節(jié)已經(jīng)學(xué)過的液體內(nèi)部的壓強(qiáng)和大氣壓，它們都是流體靜止時的壓強(qiáng)，當(dāng)液體和氣體流動時，它們的壓強(qiáng)又會怎樣？接下來我們通過幾組演示實(shí)驗(yàn)來探究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

情境2：乒乓球賽跑

教師活動：向?qū)W生介紹流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系演示儀實(shí)驗(yàn)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(qiáng)產(chǎn)生的壓力相等，處于二力平衡狀態(tài)。這時如果用吹風(fēng)機(jī)從白色管道上端吹氣產(chǎn)生至上而下的氣流，帶動乒乓球左側(cè)氣體流動。同學(xué)們想一下，乒乓球會繼續(xù)處于靜止?fàn)顟B(tài)還是會運(yùn)動起來呢？如果運(yùn)動，它又會向哪個方向運(yùn)動呢？

圖2 流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系演示儀

設(shè)問：怎么讓空氣流動？實(shí)驗(yàn)過程中，觀察的對象是誰？3個玻璃管中的小球運(yùn)動快慢一樣嗎？

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

教師設(shè)問：同學(xué)們觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是否與你的猜想一致，乒乓球?yàn)槭裁磿撵o止變?yōu)檫\(yùn)動？為什么會向左運(yùn)動？

交流討論：吹風(fēng)機(jī)向下吹氣改變了乒乓球左側(cè)氣體的流速，我們看到的現(xiàn)象是乒乓球從靜止向左運(yùn)動，說明乒乓球受力發(fā)生了變化，右側(cè)條件未變，壓強(qiáng)不變，說明左側(cè)氣體流速改變后壓強(qiáng)發(fā)生了變化，看來當(dāng)氣體流動時壓強(qiáng)會發(fā)生變化。

流動的氣體的壓強(qiáng)和流速到底存在怎樣的關(guān)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(fù)剛才過程進(jìn)行一組對比實(shí)驗(yàn)，你將會看到什么現(xiàn)象？3個乒乓球是同時到達(dá)左側(cè)，還是快慢不同，如果快慢不同，哪個球運(yùn)動得最快，哪個球運(yùn)動得最慢？為了便于描述我們把乒乓球標(biāo)記為1、2、3號球，左側(cè)空氣流動后壓強(qiáng)分別變?yōu)镻1、P2、P3。1號球左側(cè)離出風(fēng)口最近，空氣流速最大，1號球運(yùn)動的最快，說明P1最小，表明氣體流速越大的位置，壓強(qiáng)越小。3號球左側(cè)離出風(fēng)口最遠(yuǎn)，風(fēng)速最小，3號球運(yùn)動的最慢，說明P3最大，表明氣體流速越小的位置，壓強(qiáng)越大。

師生歸納：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明氣體流速越大的位置，壓強(qiáng)越小。

2.2 以問題合作探究液體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生抽象思維能力

情境3：針筒噴泉

將3種規(guī)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(shí)驗(yàn)

教師：介紹實(shí)驗(yàn)裝置，并設(shè)問：“怎么形成水流？觀察到什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？”

學(xué)生小組討論，形成可行性實(shí)驗(yàn)方案。教師進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

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(nèi)流經(jīng)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(xué)生根據(jù)這個原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，完成表1。

表1 針筒噴泉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)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(qiáng)較大；細(xì)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(qiáng)較小。從表1中我們可以得到這樣的結(jié)論:液體流速越大的位置壓強(qiáng)越小，流速越小的位置壓強(qiáng)越大。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液體流速越大的位置壓強(qiáng)越小，流速越小的位置壓強(qiáng)越大。

設(shè)計意圖：學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)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(zhì)疑、討論，主動參與到學(xué)習(xí)過程中來，學(xué)會用簡潔精煉的專業(yè)術(shù)語總結(jié)出流動的液體壓強(qiáng)與流速之間的關(guān)系。

結(jié)合氣體和液體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，初步得出：在氣體和液體中，流速越大的位置,壓強(qiáng)越小。

2.3 以探究促真知，研究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維

情境4：體驗(yàn)流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系

學(xué)生體驗(yàn)：學(xué)生2人為1小組，共同設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案，1人動手操作，1人觀察并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行如圖4所示的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由組長匯報研究成果，自評、互評實(shí)驗(yàn)過程。

圖4 體驗(yàn)流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系

教師活動：學(xué)生探究過程中，教師實(shí)時巡視，與學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)。教師對探究過程進(jìn)行反饋，引導(dǎo)學(xué)生對自己的探究行為進(jìn)行反思。

設(shè)計意圖：每個學(xué)生通過自己動手實(shí)驗(yàn)，真實(shí)經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，通過教師創(chuàng)設(shè)的情境將知識和實(shí)踐結(jié)合起來，更好地理解流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系。

情境5：探究飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因

教師活動：介紹飛機(jī)升力演示模型裝置結(jié)構(gòu)及原理，用相對運(yùn)動的知識推理出飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因。機(jī)翼上下方的風(fēng)速可用風(fēng)速測定儀進(jìn)行測定，打開鼓風(fēng)機(jī)，讓學(xué)生觀察U型管兩側(cè)液柱的變化情況如圖5所示，使學(xué)生獲得真實(shí)的情境體驗(yàn)，幫助學(xué)生理解飛機(jī)升力產(chǎn)生的原因。

圖5 飛機(jī)升力演示模型裝置

學(xué)生體驗(yàn)：通過動手實(shí)踐認(rèn)識機(jī)翼的特殊造型，思考機(jī)翼有什么特殊的造型，機(jī)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(shí)驗(yàn)的過程中，測得機(jī)翼上方的流速為12.9 m/s，機(jī)翼下方的流速為6.8 m/s，上方氣體流速大壓強(qiáng)小,所以與上方機(jī)翼連通的右側(cè)管道中的液面會上升。

學(xué)生活動：解釋生活中有關(guān)流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的現(xiàn)象。

(1)分小組交流自己在本節(jié)課上的收獲，分析解釋草原犬鼠的“空調(diào)”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(biāo)有1條安全線，人必須站在安全線以外的區(qū)域候車的原因。

(3)解釋“隔空點(diǎn)火”成功的原因。

實(shí)踐性作業(yè)：自制噴霧器。

設(shè)計意圖:通過層層深入地啟發(fā)學(xué)生思維，使學(xué)生在分析、歸納中獲得知識，充分體現(xiàn)了學(xué)生的主體性，同時也彰顯了本節(jié)設(shè)計首尾呼應(yīng)的整體性和嚴(yán)密性。

3 教學(xué)反思

教師以初中學(xué)生對壓強(qiáng)的認(rèn)識為基礎(chǔ)，通過情景與資源的設(shè)計支撐學(xué)生的建構(gòu)活動。按流體——流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系——飛機(jī)升力——生活中有關(guān)流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系的探究這一線索展開教學(xué)。將教師演示實(shí)驗(yàn)與學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，給學(xué)生更多的真實(shí)體驗(yàn)，從而更好地突破教學(xué)難點(diǎn)。