王愛生,管維三

(前郭爾羅斯蒙古族自治縣蒙古族中學(xué)，吉林 松原 138000)

壓強是初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中要求學(xué)生達(dá)到理解層次的4個內(nèi)容之一，因此液體壓強是初中物理教學(xué)中較為重要的教學(xué)內(nèi)容[1].

液體壓強是固體壓強知識的延續(xù)，也是后續(xù)浮力、氣壓與流速等知識的基礎(chǔ)，在形成和完善力學(xué)知識體系中起到承上啟下的作用. 因此，深入理解液體壓強規(guī)律，能夠豐富和重構(gòu)學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生了解探尋物理規(guī)律的實驗方法(通過實驗數(shù)據(jù)分析歸納)，有利于學(xué)生對后續(xù)浮力等知識的學(xué)習(xí). 本文基于自創(chuàng)性實驗教學(xué)的研究和實踐，介紹了在課堂教學(xué)中的嘗試和做法.

1 突破液體壓強教學(xué)難點的策略

由于概念的抽象性、學(xué)生頭腦中錯誤的前概念影響、實驗裝置單一、邏輯體系不足等原因，液體壓強成為了初中物理的教學(xué)難點. 為此，本文結(jié)合物理學(xué)科的特點，通過實驗創(chuàng)新(自創(chuàng)性實驗)來突破該教學(xué)難點.

1.1 利用認(rèn)知沖突糾正前概念

學(xué)生在學(xué)習(xí)液體壓強之前，已經(jīng)學(xué)習(xí)過固體壓強，并積累了一定的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，該經(jīng)驗會遷移到對液體壓強的學(xué)習(xí)，從而容易把固體壓強的概念套用于液體壓強，形成錯誤前概念，例如液體質(zhì)量越大，液體壓強越大. 美國康奈爾大學(xué)Posner提出了概念轉(zhuǎn)變理論[2]，該理論認(rèn)為進行概念轉(zhuǎn)變的首要前提是讓學(xué)習(xí)者對原有概念產(chǎn)生不滿. 因此，本文利用自創(chuàng)小實驗的實驗現(xiàn)象與學(xué)生原有認(rèn)知之間產(chǎn)生的沖突來糾正學(xué)生的錯誤前概念，讓學(xué)生在實驗過程中進行自我領(lǐng)悟、改造經(jīng)驗、重構(gòu)認(rèn)知，實現(xiàn)認(rèn)知順應(yīng)，最終形成科學(xué)概念，其過程為“嘗試→錯誤→糾正→解決→再嘗試”.

1.2 豐富實驗現(xiàn)象，突破知識抽象性

學(xué)生對液體的各個方向都具有壓強，液體壓強大小只與其深度和密度有關(guān)，而與其體積、質(zhì)量和形狀無關(guān)等知識缺少感性認(rèn)知. 另外，初中生的邏輯思維雖然比小學(xué)生有所發(fā)展，但仍是經(jīng)驗型的抽象思維，思維活動需要具體、直觀、感性經(jīng)驗的支持. 因此，利用直觀、簡捷、趣味的自創(chuàng)性小實驗?zāi)軌蜃寣W(xué)生經(jīng)歷、體驗和感悟，以降低學(xué)生的認(rèn)知坡度，通過改造和豐富學(xué)生的經(jīng)驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)其認(rèn)知結(jié)構(gòu)的重構(gòu).

2 基于自創(chuàng)性實驗的教學(xué)設(shè)計

基于對液體壓強教學(xué)難點的認(rèn)識，以及為了發(fā)揮物理實驗在物理教學(xué)中的作用，設(shè)計了8個自創(chuàng)性小實驗開展液體壓強教學(xué)，將抽象的物理知識轉(zhuǎn)換為直觀的物理現(xiàn)象或規(guī)律，從而幫助學(xué)生經(jīng)歷體驗、啟發(fā)思維、形成經(jīng)驗、獲得認(rèn)知.

2.1 知識點1：初識液體壓強真實存在

通過有趣的生活現(xiàn)象，讓學(xué)生通過觀察和體驗認(rèn)識到液體壓強真實存在，從而產(chǎn)生探究液體壓強的學(xué)習(xí)欲望.

2.1.1 學(xué)生實驗

在塑料袋里盛裝一定量水，用手提起，再用另1只手的手掌或手指擠壓盛水的塑料袋，手能夠感受到壓迫感；或讓學(xué)生佩戴一次性手套，并將佩戴手套的手放入水中(避免水進入手套)，手會感受到被水?dāng)D壓的感覺. 以上這些感覺能夠讓學(xué)生了解到水的壓力和壓強是真實存在的.

2.1.2 演示實驗

實驗器材：氣球(2個)、T型玻璃三通管、細(xì)線、玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、止水夾、橡膠管、充氣筒.

實驗裝置如圖1所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)打開止水夾，用充氣筒通過橡膠管向2個氣球內(nèi)充氣，氣球直徑約為12 cm時，用止水夾夾住橡膠管，完成充氣;

2)用手?jǐn)D壓氣球. 觀察到1個氣球受到擠壓時，另1個氣球的體積會變大;

3)將下面的氣球壓入水槽，如圖1所示. 觀察到壓入水中的氣球體積明顯變小，而露在水面的氣球體積變大.

以上現(xiàn)象直觀地說明了水的內(nèi)部存在壓強.

圖1 演示水的壓強使氣球發(fā)生形變的裝置圖

2.2 知識點2：液體內(nèi)部各個方向都存在壓強

教科書中關(guān)于“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”是用微小壓強計來驗證的，雖然能方便地檢測出各個方向都有壓強，但沒有給學(xué)生提供必要的體驗和豐富的實驗現(xiàn)象，學(xué)生缺少直觀、形象、趣味的經(jīng)歷. 本節(jié)通過創(chuàng)新小實驗幫助學(xué)生認(rèn)識和理解“液體內(nèi)部各個方向都存在壓強”，并增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性.

2.2.1 學(xué)生實驗

實驗器材：玻璃水槽(40 cm×20 cm×40 cm)、水、透明飲料瓶(300 mL)、細(xì)鋼絲、橡膠管.

實驗裝置如圖2所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用加熱后的細(xì)鋼絲在飲料瓶的各個方向垂直燙烙出小孔，以保證從小孔射進的水流與飲料瓶表面垂直;

2)飲料瓶通過橡膠管與外界空氣連通，以保證瓶內(nèi)壓強不變;

3)將飲料瓶按入水中，如圖2所示. 觀察到水從飲料瓶的各個方向射入瓶中，有的是拋物線，有的是直線.

以上現(xiàn)象說明了液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強.

圖2 演示水中各個方向都有壓強的裝置圖

2.2.2 演示實驗

實驗器材：氣球、空心正方體(棱長為20 cm，面中心是直徑為10 cm的圓孔)、正方形板(12 cm×12 cm，6個)、橡膠管、細(xì)線、膠帶、漏斗、水.

實驗裝置如圖3所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)將橡膠管的一端與氣球相連，并用細(xì)線系好;

2)將氣球從空心正方體側(cè)面的圓孔放入，用正方形板將正方體表面上的圓孔遮擋住，并用膠帶固定;

3)將漏斗與橡膠管的另一端相連，并通過漏斗向氣球內(nèi)充水，至充滿為止;

4)取下正方體6個面的遮擋板. 觀察到氣球通過正方體表面的圓孔向外凸起.

圖3 演示水對容器壁周圍有壓強的裝置圖

以上現(xiàn)象說明了液體對容器壁周圍都有壓強. 該實驗彌補了已有實驗只能顯示液體對容器底和側(cè)壁有壓強，而不能顯示對容器上表面有壓強的缺點.

2.3 知識點3：影響液體壓強的因素

基于以上實驗，學(xué)生已經(jīng)對液體壓強有了初步認(rèn)識，了解了液體存在壓強，且液體內(nèi)部的各個方向都存在壓強，那么液體壓強與什么因素有關(guān)呢？為了讓學(xué)生直觀地理解和感受相關(guān)知識，設(shè)計了以下小實驗進行探究.

2.3.1 液體壓強與深度的關(guān)系

實驗器材：玻璃水槽(10 cm×10 cm×25 cm)、金屬球(4個)、200 g砝碼(1個)、100 g砝碼(3個)、金屬絲、貼有刻度貼紙的漂浮體(底面積S=0.01 m2).

實驗裝置如圖4所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)將2對相同的金屬球(前后、左右各1對)通過金屬絲纏繞后固定在浮體上，其作用是利用金屬球重心低、穩(wěn)定性好來保證漂浮體在水面上豎直漂浮而不傾斜；

2)將漂浮體放入玻璃容器的水中漂浮，調(diào)整刻度貼紙的“0”刻度線與水面相平(圖4中未畫出貼紙刻度尺)；

圖4 演示液體壓強與液體深度的關(guān)系裝置圖

3)將質(zhì)量為200 g的砝碼輕輕放入漂浮體內(nèi)，從刻度尺上讀出漂浮體浸入水中的深度h并記錄；再把質(zhì)量為100 g的砝碼逐個添加在漂浮體內(nèi)，記錄漂浮體浸入水中的深度值，見表1所示.

表1 漂浮體浸入水中的深度記錄表(g=10 m/s2)

4)對數(shù)據(jù)進行處理得到壓強p隨浸入深度h的變化曲線，如圖5所示. 從圖中可以看出：水中的壓強與浸入深度成正比.

圖5 壓強與浸入深度的關(guān)系

2.3.2 液體壓強與液體密度的關(guān)系

在之前的學(xué)習(xí)中，為了測量固體壓強的大小，設(shè)計了如圖6所示的實驗裝置. 選用實驗室配備的已知密度和體積的鋁、銅圓柱形金屬，以相同的豎立方式(保證底面積相同)放置在橡皮膜上，確定了壓強值最大和最小時，指針的位置，然后將該區(qū)域分成3等份，并按照每一等份刻畫壓強值，向兩端擴展得到帶有刻度值的壓強計. 學(xué)生對該裝置的原理和結(jié)構(gòu)都已經(jīng)了解，因此可直接用此裝置測量液體壓強.

實驗器材：去掉上下底的方形塑料飲料瓶、螺絲、針狀指針的硬質(zhì)塑料板、雙面膠、金屬絲、橡膠膜、刻度貼紙.

實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用螺絲在去掉上下底的透明塑料飲料瓶上固定刻度盤和指針，再把“U”型金屬絲的一端與指針相連，另一端與固定在飲料瓶瓶口上的橡膠皮相連；

2)將該裝置的橡皮膜端豎直向下壓入水中，從貼紙刻度尺上觀察到壓入的深度不同，指針的偏轉(zhuǎn)程度不同，即壓強值不同. 這是由于橡皮膜浸入水中越深，橡皮膜受到的壓強越大，指針偏轉(zhuǎn)越大，即所指的刻度值越大. 該現(xiàn)象驗證了在同一液體(密度相同)中，深度越大，壓強越大；

3)把該裝置分別放入同樣深度的純凈水和鹽水中，觀察到指針在鹽水中要比在純凈水中的偏轉(zhuǎn)更大. 該現(xiàn)象說明液體壓強與液體密度有關(guān)，即在深度相同的情況下，密度越大，壓強越大.

圖6 橡皮膜液體壓強計裝置圖

2.3.3 液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系

液體壓強與液體的體積、質(zhì)量以及形狀無關(guān). 在生活中學(xué)生由于缺少這方面知識的感性認(rèn)知，加之受固體壓強先入為主和直覺導(dǎo)向思維定勢的影響，從而形成“液體質(zhì)量越大，液體產(chǎn)生的壓強越大”的錯誤認(rèn)知. 下面通過自創(chuàng)性實驗探究液體壓強與質(zhì)量的關(guān)系，來糾正學(xué)生形成的錯誤前概念.

實驗器材：塑料飲料瓶(350 mL，2個)、去底的方形透明飲料瓶(1 000 mL)、螺絲、針狀薄塑料板、圓形刻度尺、金屬絲、橡皮膜、帶有橡膠塞的長頸漏斗.

實驗裝置如圖7所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)向2個飲料瓶中注入相同質(zhì)量的水;

2)將帶有橡膠塞的漏斗塞入方形飲料瓶的瓶口里，形成容積很小、獨立封閉的壓強計,向漏斗中慢慢加水使漏斗頸中的水面與方形飲料瓶標(biāo)注的最高線處相平，觀察到橡皮膜發(fā)生形變，導(dǎo)致指針偏轉(zhuǎn)，記錄指針?biāo)傅目潭戎?

3)拔出漏斗，將方形飲料瓶中的水全部倒出，再加入與2)相同的水量，觀察到指針偏轉(zhuǎn)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于上次所指的刻度值，說明液體質(zhì)量相同的情況下，液體壓強可以不同；

4)繼續(xù)加水，直至液面與飲料瓶標(biāo)注的最高線處相平，觀察到指針?biāo)傅目潭戎迪嗤f明液體壓強相同的情況下，水量可以不同.

以上現(xiàn)象表明液體壓強與液體質(zhì)量無關(guān).

圖7 液體壓強與質(zhì)量無關(guān)的裝置圖

2.4 知識點4：液體壓強等大地向各個方向傳遞

教學(xué)中補充帕斯卡定律的知識，不僅可以豐富教科書的內(nèi)容，還能完善液體壓強知識系統(tǒng)，有助于學(xué)生進一步理解微小壓強計的原理. 2.2.2的演示實驗讓學(xué)生認(rèn)識到液體向各個方向都有壓強，但對于同一深度，當(dāng)增大液體壓強時，各個方向的壓強是否發(fā)生傳遞，傳遞值又有什么樣的關(guān)系呢？為了讓學(xué)生直觀地理解和感受，設(shè)計了以下小實驗進行探究.

實驗器材：細(xì)線(或膠水)、薄木板、氣球皮、長頸漏斗、金屬絲、橡膠膜、橡膠管半圓形刻度尺、金屬螺絲、止水夾、硬質(zhì)的塑料球容器、空心螺絲(可用自行車內(nèi)袋上的氣門螺絲)、注射器、半圓形刻度尺、指針.

實驗裝置如圖8所示，實驗步驟及現(xiàn)象如下：

1)用細(xì)線(或膠水)將橡膠膜系在漏斗上. 通過金屬絲連接橡膠膜與指針,并用螺絲把漏斗固定在薄木板制作的支架上，與半圓形刻度尺和指針組成液體壓強計;

2)空心螺絲固定在硬質(zhì)塑料球上作為接口，并與橡膠管相連;

3)用橡膠管將漏斗頸與硬質(zhì)的塑料球容器連接，組成封閉的系統(tǒng);

4)通過漏斗向圓形容器中加水，使壓強計的指針偏轉(zhuǎn)在同一刻度線上. 用止水夾夾住橡膠管，取下漏斗;

5)將抽滿水的大號注射器通過橡膠管向圓形容器中注水，以增大液體壓強. 觀察到4個壓強計的指針變化相同.

以上現(xiàn)象說明增加的液體壓強，能夠等大地向各個方向傳遞.

圖8 帕斯卡定律實驗裝置圖

3 教學(xué)反思

液體壓強教學(xué)的關(guān)建在于將學(xué)生頭腦中的錯誤前概念通過自創(chuàng)性實驗進行認(rèn)知重構(gòu). 通過創(chuàng)設(shè)實驗情境、設(shè)計自創(chuàng)性實驗，能夠讓學(xué)生經(jīng)歷實驗體驗、內(nèi)化感悟，幫助學(xué)生將知識同化或順應(yīng)，從而豐富學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

3.1 根據(jù)學(xué)生的起始經(jīng)驗進行教學(xué)

自創(chuàng)性實驗對于學(xué)生來說，具有創(chuàng)新性、新穎性和獨特性. 因此，教學(xué)過程中教師要注重學(xué)生的起始能力，從符合學(xué)生的認(rèn)知和經(jīng)驗出發(fā)，做好教學(xué)的切入口. 如探究液體壓強與深度關(guān)系的實驗裝置(見圖4)，要給學(xué)生講清楚以下實驗原理：

1)2對金屬球的作用是利用重心低使容器更易豎立在水中；

2)靜止在液面上的物體受到二力平衡，即重力與液體向上的壓力相等，從而間接得到物體受到的壓力大小，這樣既不涉及到浮力的知識，還對后續(xù)學(xué)習(xí)浮力產(chǎn)生原因的理解埋下了伏筆；

3)機械液體壓強計(見圖6～7)用到了杠桿原理的知識，在學(xué)生不理解杠桿原理的情況下，教師要喚醒學(xué)生兒時玩過的“蹺蹺板”的生活經(jīng)驗，讓學(xué)生知道杠桿的一端下降時，另一端會上升，也可用手向上或向下擠壓機械壓強計的橡皮膜，讓學(xué)生體驗到與橡皮膜相連的金屬絲會帶動指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的事實.

3.2 讓學(xué)生經(jīng)歷“自學(xué)、自創(chuàng)、自演”

自創(chuàng)性實驗教學(xué)不是簡單地為了實驗而實驗，而是師生把物理問題轉(zhuǎn)化為實驗現(xiàn)象，通過實驗現(xiàn)象得出相關(guān)的理論知識. 在這個過程中，學(xué)生要經(jīng)歷自主學(xué)習(xí)、自主創(chuàng)新、自主操作的過程，自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新是自主操作演示的前提和基礎(chǔ). 教師要特別重視自主操作的演示過程，講清楚演示實驗的目的、操作過程、實驗現(xiàn)象(或數(shù)據(jù))、實驗結(jié)論等，并讓學(xué)生分享該創(chuàng)新實驗的設(shè)計依據(jù). 參與觀察的學(xué)生在學(xué)習(xí)知識的同時，還要根據(jù)演示過程和設(shè)計理念進行交流與評估，分析優(yōu)點與不足，并嘗試提出改進、優(yōu)化的措施與方法，或展示自己的設(shè)計方案等. 該過程能夠培養(yǎng)學(xué)生的團隊合作意識、溝通交流能力以及敢于質(zhì)疑、批判的科學(xué)精神.

3.3 深層次地理解自創(chuàng)性實驗的價值

自創(chuàng)性實驗不是彌補課程資源不足的權(quán)宜之計，也不是知識的附屬品，而是創(chuàng)造性、個性化、實踐性的教學(xué)之需，也是實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)、突破教學(xué)難點、突出教學(xué)重點的有效手段，更是指向核心素養(yǎng)的物理教學(xué)路徑. 自創(chuàng)性實驗以簡單的形式，重演人類獲取知識的過程，也是學(xué)生在“玩中學(xué)，學(xué)中思，思中悟”的快樂學(xué)習(xí)方式[3]. 不僅如此，自創(chuàng)性實驗教學(xué)也融入了杜威的“教育即生活”以及陶行知的“教學(xué)做合一”等教育理念. 只有教師重視自創(chuàng)性實驗教學(xué)，并將其看作是創(chuàng)新、有效的教學(xué)方式，才能有意識地將其應(yīng)用到物理課堂教學(xué)中.

4 結(jié)束語

物理是以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，重視物理實驗就是遵循物理教學(xué)規(guī)律、符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、回歸物理教學(xué)本真[4]. 因此，在教學(xué)中有意識地通過實驗創(chuàng)新來解決、優(yōu)化、提升物理教學(xué)成效，并通過自創(chuàng)性物理實驗來改變傳統(tǒng)物理教學(xué)方式，從而能夠提高學(xué)生的實驗操作能力，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，幫助學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的關(guān)聯(lián)和整合，從而提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).