陸丁 張利國 馮爽

摘 要：本文以“大氣壓強”的教學為例，探究培養(yǎng)學生“科學思維”形成的路徑：通過課堂引入和感知大氣壓強存在環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的模型建構(gòu)能力;通過大氣壓強的測量環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的科學推理和科學論證能力;通過利用大氣壓強知識解決真實的問題，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力.

關鍵詞：大氣壓強;核心素養(yǎng);創(chuàng)新實驗;科學思維

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）22-0055-04

基金項目：北京市海淀區(qū)教育科學“十三五”規(guī)劃重點課題“通過中學物理實驗發(fā)展學生科學思維的實踐研究”（項目編號：HFGH20190054）;北京教育學院“物理課程論”課程建設教育教學改革項目研究成果;北京教育學院“HPS教育范式在中學物理教學中的實踐研究工作室”卓越教師工作室研究成果;北京教育學院2021年度一般課題“中小學線上線下混合式教學現(xiàn)狀與模式研究”.

作者簡介：陸?。?986-），女，河北石家莊人，博士，研究方向： 物理學科教學;

張利國（1977-），男，黑龍江人，本科，中學高級教師，研究方向： 物理學科教學;

馮爽（1982-） ，女， 河南人，碩士，副教授，研究方向：物理教學、物理教師培訓.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》明確物理課程的基本理念：注重體現(xiàn)物理學科本質(zhì)，培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任等方面提煉學科育人價值，充分體現(xiàn)物理學科對提高學生核心素養(yǎng)的獨特作用，為學生終身發(fā)展、應對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎.其中“科學思維”是學生從物理學視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關系的認識方式，是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)理想模型的抽象概括過程;是分析綜合、推理論證等科學思維方法的內(nèi)化;是基于事實證據(jù)和科學推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).物理學科核心素養(yǎng)中的“科學思維”包括模型建構(gòu)、科學推理、科學論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.新課程改革倡導對物理學科的全面理解，包含物理學前沿發(fā)展、物理思維方法、物理與社會和生活、物理規(guī)律的適用條件、雙刃劍作用及科學本質(zhì)的認識等等.這就對教師提出更高的要求，教學也需要多元的教學方式.在我國目前教育的整體改革背景下，教師應當注重在教育教學中滲透對學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng).對于初中生來說，他們正處于人生觀、世界觀的形成階段，教師通過教學提高學生的核心素養(yǎng)有利于學生形成正確的價值觀.

本文以“大氣壓強”的教學為例，探討培養(yǎng)學生“科學思維”的形成的路徑.“大氣壓強”這一節(jié)是北師大版初中《物理》八年級下冊第八章第四節(jié)的教學內(nèi)容，義務教育課程標準對本節(jié)課的要求：“2.2.8知道大氣壓強及其與人類生活的關系.”本節(jié)課既要使學生感知大氣壓強的存在，還要使學生知道大氣壓強在人類生活中的應用，因此本節(jié)課可以分為“大氣壓強的存在”“大氣壓強的測量”“大氣壓強與人類生活的關系”三個部分.這既是對液體壓強知識的延續(xù)拓展，又是為學生學習流體壓強和高中氣體性質(zhì)做鋪墊.本節(jié)課不但從內(nèi)容上與前面所學的固體壓強、液體壓強共同構(gòu)成一個相對完整的體系，而且在培養(yǎng)學生認知能力方面也與前幾節(jié)內(nèi)容銜接得很好.

1 通過課堂引入和感知大氣壓強存在環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生模型建構(gòu)能力

“模型建構(gòu)”作為一種認識手段和思維方式，是學生根據(jù)研究問題和情境，在對客觀事物進行抽象和概括的基礎上構(gòu)建易于研究的、能反映事物本質(zhì)特征和共同屬性的理想模型、理想過程和物理概念的過程[5].

在課堂引入環(huán)節(jié)，教師利用“隔空喝飲料”的小魔術（如圖1所示），激發(fā)學生學習興趣，使學生產(chǎn)生認知沖突，激發(fā)他們的好奇心和求知欲，使學生產(chǎn)生探究欲望.

本環(huán)節(jié)使用的杯子由兩個杯子套在一起，內(nèi)部的杯膽底部開了小孔，外部杯子的上部側(cè)壁開了孔，只要將側(cè)壁的孔堵住，液面就不會下降.松開手后，由于與外部空氣相通，液柱迅速下降，就像被喝掉一樣（如圖2所示）.

在此基礎上，教師演示覆杯實驗，并設置如下的思考問題.

問題1：大家看杯子里的水為什么沒有流出來？紙片好像被托住了一樣，是什么在托著紙片？

問題2：將杯子向各個方向轉(zhuǎn)動，紙片都不會掉下來.猜想：大氣壓強的特點？

問題3：請大家對比液體壓強產(chǎn)生的原因，思考大氣壓強產(chǎn)生的原因是什么？

學生經(jīng)過剛才的思考，已經(jīng)對“大氣壓強”的概念形成初步的認識，教師提前在桌子上準備好吸盤、吸管、滴管、裝有紅墨水的燒杯、注射器和測力計等實驗器材（如圖3所示），請學生利用這些器材找出與大氣壓相關的現(xiàn)象.

教師利用投屏技術展示學生的實驗：有的同學在用吸管吸水，有的同學在用注射器吸紅墨水，有的同學將吸盤按壓到桌子上，有的同學試圖用吸管吸取燒杯里的紅墨水（如圖4所示）.

教師再通過視頻介紹歷史上最著名的證明大氣壓存在的實驗——馬德堡半球?qū)嶒灪螅埻瑢W演示橡膠馬德堡半球?qū)嶒?兩位同學上臺試圖將橡膠馬德堡半球拉開，但是將皮碗拉環(huán)拉至變形，也沒有將皮碗拉開.教師從中間掀開，輕輕用力一拉，就將兩個皮碗分開.教師設置如下問題，試圖啟發(fā)學生們分析其中原理.

問題1：為什么兩個皮碗很難被拉開？

問題2：為什么老師從中間掀開，輕輕用力一拉，皮碗就分開了？

大氣壓強雖然普遍存在，但在日常生活中如果不善于觀察，卻并不能真切地感受到它的存在.因此，教師在本環(huán)節(jié)設計一些實驗證明它的存在：從覆杯實驗入手，讓學生初步感知大氣壓強，也為后續(xù)大氣壓強的測量中的受力分析做好鋪墊;通過讓學生自主探究，利用給定的實驗器材充分感知大氣壓強的存在;再請同學體驗橡膠馬德堡半球?qū)嶒?，感受大氣壓強的力量，從而引出大氣壓強的測量.本環(huán)節(jié)“大氣壓強”的模型建構(gòu)過程有助于學生抓住事物的關鍵要素，加深對概念、過程和系統(tǒng)的理解，形成系統(tǒng)思維，培養(yǎng)學生在真實情境中建構(gòu)模型的能力和意識 .

2 通過大氣壓強的測量環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生科學推理和科學論證能力

“科學推理”不僅包括邏輯上的歸納推理、演繹推理和類比推理，而且包括分析與綜合、抽象與概括、比較與分類等思維方式，還包括控制變量，即組合推理、概率推理、相關推理、因果推理等推理形式.中學生應能正確理解和運用上述科學思維方法，從定性和定量兩個方面進行科學推理找出規(guī)律，形成結(jié)論.“科學論證”是以科學知識為媒介，對所獲取的數(shù)據(jù)資料進行解釋說明，提出自己的觀點.中學生應該具有使用科學證據(jù)的意識和能力，能運用證據(jù)對所研究的問題進行描述、解釋和預測.

本環(huán)節(jié)從覆杯實驗入手，分析紙片不掉落的原因.教師通過演示不同長度的試管（20cm，1.2m）（如圖5所示），將試管中灌滿水并倒扣在水槽中，請同學觀察試管中的水是否流出，并分析原因.

學生通過實驗，加以分析后發(fā)現(xiàn)，只要玻璃管中的液體產(chǎn)生的壓強比大氣壓強小，水柱就不會下降.教師再次提出問題：若取一根足夠長灌滿水的玻璃管，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？教師播放視頻“大氣壓強能支持多高的水柱”，此時學生已經(jīng)逐步意識到只要試管中液體的壓強和外界大氣壓相同，液面就不會下降.

教師播放視頻“托里拆利實驗”，并請大家思考這幾個問題：

（1）實驗開始時水銀為什么下降？

（2）后來水銀柱為什么靜止而不再繼續(xù)下降？

（3）試管內(nèi)水銀柱的上方是真空還是空氣？

（4）水銀柱產(chǎn)生的壓強是多少？如何計算？

（5）大氣壓的值是多少帕？

教師通過設置以下的問題，有意識地引導學生從受力分析的角度解釋其中的原因.

問題1：我們要從受力的角度來進行分析，選取什么作為我們的研究對象？

問題2：它受到哪些力的作用？

學生通過對液片進行受力分析，明確試管中的水銀柱對液片有向下的壓力，大小為試管中水銀柱的壓強乘以受力面積.周圍的大氣會作用在水銀液面一個向上的壓強，由于液體能將大氣壓向各個方向傳遞，這個壓強會通過水槽內(nèi)的水銀傳遞給液片的下表面，因此液片下表面受到向上的大氣壓力.這個大氣壓強等于水銀柱產(chǎn)生的壓強，所以水銀柱不會下降（如圖6所示）.

學生通過分析發(fā)現(xiàn)，試管中液體壓強等于外界大氣壓強，由此可以將大氣壓強的測定轉(zhuǎn)化為測定液體壓強，也就是760mm水銀柱產(chǎn)生的壓強：

p0=p液=ρgh=13.6×103kg/m3×9.8N/kg×0.76m≈1.01×105Pa

在此基礎上，教師請同學們利用桌上的實驗器材自己測量大氣壓強值，有的同學選吸盤和測力計，有的同學選注射器和測力計，教師請同學評估所選器材的優(yōu)劣，并引導學生設計實驗方案.學生經(jīng)過討論后，確定所選實驗器材和方案如下：將注射器的活塞推到注射器的底端，這樣做的目的是排盡筒內(nèi)空氣，然后用手指堵住注射器的小孔，水平緩慢拉動測力計，當測力計示數(shù)不再變化時，記下測力計的讀數(shù)F1即為大氣壓力（如圖7所示）.

教師提前測量好注射器的橫截面積，請大家動手測量教室內(nèi)的大氣壓強值.

學生通過測量發(fā)現(xiàn)測量的大氣壓強值比標準大氣壓偏大，教師請學生分析本實驗的誤差來源，并提出改進意見，如測量出滑動摩擦力的大小，并重新計算出更準確的大氣壓強值.

學生通過橡膠馬德堡半球?qū)嶒炓呀?jīng)感受到大氣壓強的力量，在此基礎上，測量出大氣壓強的數(shù)值就更是順水推舟.本環(huán)節(jié)大氣壓強值的測量包括兩部分，即歷史上托里拆利實驗測量的標準大氣壓值，以及學生親自動手測量教室內(nèi)的大氣壓強值.教師通過對小試管中的“假想液片”這一理想模型進行受力分析，引導學生利用二力平衡原理和液體壓強的公式，分析水銀不下落的原因，為托里拆利實驗中將實驗目標轉(zhuǎn)換為測量液體壓強做好鋪墊.托里拆利實驗是本節(jié)課的教學難點，難在學生不能理解水銀柱底端的液片沒有與大氣接觸卻受到大氣壓力的作用，且p水銀=p大氣.這就涉及到液壓傳動的帕斯卡定律，而這一知識不在課標范圍內(nèi)，學生知識儲備不足，導致學生不會推導大氣壓強的大小.在學習大氣壓強的測量環(huán)節(jié)中，教師利用“轉(zhuǎn)換法”可以幫助學生理解為什么可以通過測液體壓強而得到大氣壓強.

對于大氣壓的測量，教材上直接給出托里拆利實驗，這對學生來說在思維上的跨度較大，理解起來有難度，教師僅僅通過播放視頻無法讓學生真正了解托里拆利實驗，無法理解利用測量液體壓強的方式巧妙轉(zhuǎn)換為測量大氣壓，學生不容易想到這些，在這里存在“思維跳躍”，因此教師要設置必要的銜接：通過換用不同長度的試管，灌滿紅墨水后倒扣在水槽中，水柱不會下降.通過這一系列遞進實驗，并結(jié)合受力分析，引發(fā)學生思考“大氣壓強究竟能托起多高的水柱？”學生會想到有一個具體的高度數(shù)值，但是并不知道具體的高度，教師在此基礎上播放“大氣壓強能托起多高的水柱”的視頻，使學生知道一標準大氣壓強能托起10.3m高的水柱.學生發(fā)現(xiàn)用水測量大氣壓，水柱太高，器材的選擇、實驗操作都很不方便，如何進行改進？ 學生經(jīng)過分析得到：根據(jù) p=ρgh可知，要想降低液柱的高度，應該換用密度更大的液體，因此可以選擇密度最大的液體水銀來做實驗，很自然引出托里拆利實驗.

在學生動手測量教室內(nèi)的大氣壓值環(huán)節(jié)，將注射器在水平位置勻速拉動，排除活塞自重對實驗的影響.學生發(fā)現(xiàn)自己估測的大氣壓值與真實值存在差異，師生共同討論實驗結(jié)果存在差異的原因有哪些，讓學生巧妙地測出活塞與針筒壁之間的滑動摩擦力，這樣不僅使學生鞏固大氣壓的知識，還在分析和論證的過程中，培養(yǎng)學生的物理學習能力，使學生逐步掌握物理研究的方法，從而不斷提高學生的科學推理和科學論證能力.

3 通過利用大氣壓強知識解決真實的問題，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力

中學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力表現(xiàn)在善于運用分析、綜合、抽象、概括，迅速洞察科學研究對象的本質(zhì)屬性和相互聯(lián)系，能設計出各種簡單、新穎、有效、獨特實驗方案.

本環(huán)節(jié)教師先請學生分析吸管喝飲料的原理，再請學生用本節(jié)課所學知識解決生產(chǎn)生活中的問題：幫工人師傅設計一種方法搬運大塊的玻璃.學生通過分析喝飲料的過程，依據(jù)“一定質(zhì)量的氣體，溫度不變時，體積增大，壓強變小”的知識， 利用大氣壓比液面上方的氣壓大的原理，明白大氣壓是怎樣將液體壓到高處的.在面對具體的真實情境時，學生能夠迅速抓住重要信息，運用分析、綜合、抽象等思維方法，設計出新穎有效的實驗方案（如圖8所示）.

在運用大氣壓強知識解決真實問題的過程中，教師要促進學生對物理學認識方式和研究方法進行理解與反思，并為學生質(zhì)疑創(chuàng)新提供思維基礎，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑和創(chuàng)新能力.

物理核心素養(yǎng)中的“科學思維”“科學探究”是關鍵能力，“科學思維”是物理學科核心素養(yǎng)的核心內(nèi)容.本文以“大氣壓強”的教學為例，討論培養(yǎng)學生“科學思維”形成的路徑.在教學中，教師可以通過分析綜合、抽象與概括、比較與分類、邏輯推理等思維方法，使學生的科學思維能力得到有效提升.

參考文獻：

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（收稿日期：2021-07-11）