丁志紅
(南京師范大學附屬中學樹人學校,江蘇 南京 210001)
實驗既是物理教學的重要內容,也是物理教學的重要方式,實驗教學在培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)方面具有不可替代的作用。筆者以“氣體的壓強”教學為例,探討物理實驗教學設計。
教師用問題引入課題:“我們學過了固體壓強、液體壓強,那么氣體有壓強嗎?”教師的引導語直奔主題,引發(fā)學生的思考。教師將擺在講臺上的10個塑料瓶內依次倒入熱水,搖一下、倒掉,蓋上瓶蓋,迅速將瓶子扔給不同位置的學生,同時將裝有少量水的易拉罐用酒精燈加熱,待罐口出現(xiàn)白霧后,用橡皮泥堵上罐口,并撤去酒精燈。這期間會不時聽到從不同位置傳來的“啪、啪”聲,還有更驚人的金屬罐“啪”的響聲,這時再提出問題:你觀察到什么現(xiàn)象?這些現(xiàn)象說明了什么?
點評:易拉罐實驗是蘇科版教材中氣體壓強部分的一個經典實驗,為了讓學生能更好地體驗大氣壓強的存在,增加了礦泉水瓶的實驗,創(chuàng)設“聲”“動”情境。一方面較好地解決了實驗中需要等待一定時間的問題,另一方面扔瓶子的舉動和“啪”的聲音,活躍了課堂氣氛。作為引入實驗,讓學生熟悉的生活物品走進物理課堂。聽著響亮的聲音,同時看到了變癟的瓶子和易拉罐,通過視聽見識了大氣神奇的力量。
課前要求學生自備礦泉水瓶、保溫瓶等,向學生展示如圖1所示的器材,提出任務:你能選用合適的器材,設計一個證明大氣存在壓強的實驗嗎?學生設計出了滴管實驗、吸盤實驗、覆杯實驗等,進而引導學生思考實驗的目的所在,通過擠壓或吸出空氣、密封等方式驗證大氣壓強的存在。
圖1
點評:在動手實驗中思考使研究對象的一側有大氣、另一側有少量空氣的方式,這是此環(huán)節(jié)設計的要點。實驗中注重科學方法的學習,發(fā)揮學生的主觀能動性,有學生選擇了平口玻璃杯和手機鋼化膜的組合,有的選用了冷水,有的選用了熱水,還有學生只選用了平口玻璃杯,用嘴巴吸氣。雖然途徑不同,但都達成了實驗目標,運用了等效方法。
引導學生回顧覆杯實驗(圖2),大氣壓強能支撐一定高度的水柱,提出大氣壓強大小的問題。兩只按壓在一起的小吸盤能比較輕松地分開,此時拿出大號的橡膠吸盤(圖3),讓兩位班級公認的“大力士”進行對拉,發(fā)現(xiàn)并不像想象中的那么容易拉開,這時再請學生閱讀教材上“馬德堡半球實驗”的介紹(圖4)。
圖2 圖3
圖4
點評:用實驗創(chuàng)設真實的情境,讓學生感知大氣壓托起的水柱、用力對拉大吸盤等現(xiàn)象,為閱讀“馬德堡半球實驗”的故事做好鋪墊,有助于學生認識到:大氣作用的面積越大,大氣壓力越大。
圖5
點評:選用注射器進行估測大氣壓的值,是蘇科版教材富有特色的實驗。為什么選擇注射器?這涉及到物理模型的建構,在教學中將其進行拆解,用意是為了明確研究對象。而在實踐中發(fā)現(xiàn),市面上的一次性注射器的活塞整體并非圓柱體,故在選擇演示教具時選用了大號玻璃注射器,其活塞整體是圓柱體(圖5)。而在學生分組實驗中,選用的是1mL的注射器,其全部刻度部分的長度約為6cm。學生通過自己的測量,估算出大氣壓強的值,之后的誤差分析也能順利進行。
教室中的大氣壓強到底有多大?除了用常規(guī)氣壓計測量外,筆者還采用了DIS實驗系統(tǒng)中的壓強傳感器進行數(shù)字化展示。當屏幕上出現(xiàn)大氣壓的數(shù)值時(圖6),學生對大氣壓強的大小有了進一步的認識。
圖6
點評:在此環(huán)節(jié)引導學生利用注射器估測大氣壓的值,再用壓強傳感器進一步展示大氣壓強的值,對估測中產生的誤差進行簡單分析,拓展了物理實驗教學資源。
在教學中筆者介紹了南京博物院舉辦的“兄弟王:從滿城漢墓到大云山漢墓”特展中的文物,這是2000多年前的西漢劉非墓出土的錯金銀嵌寶石鳥首銅汲酒器,引導學生嘗試解釋汲酒器的原理。
如圖7所示,汲酒器的頂端有一鳥柄,鳥背上有孔,中間柄身修長,內部中空。下端有罐形容器,罐底中心有孔直通上下,與鳥背孔相通。取酒時夾住鳥形首浸入酒缸,待酒灌夠之后再用拇指按住鳥背上的小孔,提出汲酒器,此時酒并不會從下面的孔里漏出來。一松一按,就可靈活調節(jié)取酒量,巧妙地利用了大氣壓強的原理,令人叫絕。
圖7
點評:利用本地博物院里的文物創(chuàng)設情境,引導同學運用所學大氣壓知識解釋我國古人創(chuàng)制的精巧器具。一方面培養(yǎng)了學生運用物理知識解決問題的能力,另一方面展現(xiàn)了我國古代匠人的高超智慧,以培養(yǎng)學生的文化自信。
你有幾種方法能讓瓶“吞”蛋?又有幾種方法能讓瓶“吐”蛋?讓學生分組進行研究、交流、展示。
點評:拿出平底燒瓶和適量的鵪鶉蛋(圖8),引導學生提出實驗方案,動手做一做。這個活動能有效激發(fā)學生的探究熱情,拓展其知識的深度和廣度。如在“吞蛋”環(huán)節(jié),有學生提出用熱水排出瓶內空氣、用酒精燈加熱圓底燒瓶、用點燃的酒精棉消耗瓶內氧氣等方法;在“吐蛋”環(huán)節(jié),有同學提出用開水燙瓶底、用力甩燒瓶、從瓶口吸蛋,甚至還有同學提出往瓶內吹氣等方法。學生運用大氣壓強的原理,各顯其能,方案多樣,培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新思維能力。
圖8