摘"要：創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境不僅是一種重要的教學(xué)策略，也是助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階的重要途徑。本文以“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)為例，探討如何利用實(shí)驗(yàn)情境啟發(fā)思維、設(shè)計(jì)問(wèn)題情境驅(qū)動(dòng)思維、實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)創(chuàng)新思維、實(shí)現(xiàn)從低階思維到高階思維的進(jìn)階，以期使學(xué)生的核心素養(yǎng)得以提升。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)情境；任務(wù)設(shè)計(jì)；深度思維；核心素養(yǎng)

1"引言

物理課程是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，它旨在引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，養(yǎng)成科學(xué)思維的習(xí)慣，進(jìn)而使學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)從低階思維到高階思維的進(jìn)階。那么，教師在教學(xué)中該如何創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境驅(qū)動(dòng)教學(xué)任務(wù)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)建構(gòu)的思維進(jìn)階呢？本文以蘇科版物理八年級(jí)下冊(cè)第十章第三節(jié)“氣體的壓強(qiáng)”教學(xué)設(shè)計(jì)為例，探討創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，設(shè)計(jì)任務(wù)驅(qū)動(dòng)，幫助學(xué)生建構(gòu)大氣壓的概念，以期實(shí)現(xiàn)學(xué)生的思維深度進(jìn)階，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。概念課教學(xué)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

2"創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階的案例研究

2.1"設(shè)置懸念，激發(fā)學(xué)生思維

在新授課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，以實(shí)驗(yàn)或真實(shí)情境導(dǎo)入新授內(nèi)容，可提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使他們盡快主動(dòng)融入課堂教學(xué)。［1］教師展示兩個(gè)相同的礦泉水瓶子，并將兩只相同的氣球放入瓶子中，隨后將氣球口的橡皮圈翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)套在瓶口上（見(jiàn)圖2）。

實(shí)驗(yàn)情境1：吹氣球比賽。

師：上課前，老師想和同學(xué)們進(jìn)行一個(gè)小比賽——比一比，誰(shuí)能把氣球吹得更大一些？有哪位同學(xué)想挑戰(zhàn)一下老師？

生：老師，我來(lái)、我來(lái)！

師：好的，那就你先來(lái)。

（教師貌似很“隨意”地把其中沒(méi)有小孔的瓶子遞給了他）

師：同學(xué)們，請(qǐng)大家注意觀察瓶子內(nèi)氣球大小有何變化？

生：氣球變大了！

師：氣球一直在變大嗎？和我們平時(shí)吹氣球時(shí)情形一樣嗎？

生：不一樣，瓶?jī)?nèi)氣球剛開(kāi)始明顯變大了，但后來(lái)好像就不再變化了，而平時(shí)用力吹氣球時(shí)，氣球會(huì)不斷變大直至最后被吹爆。

師：下面，請(qǐng)看老師的表演。

（教師邊說(shuō)邊“裝模作樣”地深吸了一口氣開(kāi)始吹）

生：老師太厲害了，吹得氣球快要把整個(gè)瓶子脹滿(mǎn)了！

師：現(xiàn)在，老師把瓶口從嘴里拿開(kāi)了，瓶?jī)?nèi)氣球大小有變化嗎？

生：沒(méi)有？！

（學(xué)生滿(mǎn)臉都是不可思議的神情）

師：老師還可以讓氣球乖乖變小，相信嗎？

（學(xué)生驚訝地看到，氣球在老師的命令下還真的“聽(tīng)話(huà)”地變小了，不由發(fā)出一片驚嘆聲）

師：其實(shí)，老師的“特異功能”與我們這節(jié)課要學(xué)習(xí)的知識(shí)息息相關(guān)，通過(guò)本節(jié)課學(xué)習(xí)，老師相信你們自己就能夠揭開(kāi)它的神秘面紗！

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)生活中常見(jiàn)的吹氣球活動(dòng)創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，設(shè)置與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)相悖的懸念，激發(fā)學(xué)生產(chǎn)生一探究竟的求知欲望。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，教師設(shè)置了三個(gè)懸念。第一，學(xué)生的氣球?yàn)槭裁春茈y被吹大？第二，教師的氣球?yàn)槭裁床粫?huì)縮回去？第三，教師的氣球?yàn)槭裁茨軌蛟诮處煹闹噶钕隆白詣?dòng)”變??？這三個(gè)懸念就像一個(gè)個(gè)開(kāi)關(guān)，不斷地激發(fā)學(xué)生的思維，引導(dǎo)學(xué)生帶著好奇去學(xué)習(xí)新知，從而將課堂氣氛推向了第一個(gè)高潮。

2.2"創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境，促進(jìn)思維進(jìn)階

2.2.1"演示實(shí)驗(yàn)，啟迪方法

演示實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)中最常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型之一。通過(guò)物理演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加直觀地認(rèn)識(shí)物理問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行深入的分析，從而找到解決問(wèn)題的方向。在此過(guò)程中，學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力都能得到鍛煉。［2］

實(shí)驗(yàn)情境2：自動(dòng)爬升的筆帽。

師：現(xiàn)在，老師將一端開(kāi)口的長(zhǎng)玻璃試管注滿(mǎn)水，再將一只塑料筆帽開(kāi)口向上輕輕壓入水中，然后用手掌堵住試管開(kāi)口端并快速將其倒置過(guò)來(lái)（見(jiàn)圖3）。同學(xué)們觀察到了什么現(xiàn)象？

生：試管中的水流出來(lái)了。

生：試管中的筆帽在不斷上升。

師：筆帽為何能自動(dòng)爬升，這說(shuō)明了什么？

生：說(shuō)明了它受到一個(gè)向上的“托力”。

師：是老師給它的“托力”嗎？

生：不是的。

師：那么是什么物體給它的“托力”？請(qǐng)大家仔細(xì)思考一下。

生：是空氣。因?yàn)楣P帽開(kāi)口端只有空氣，別的什么也沒(méi)有。

師：回答非常棒。的確，筆帽是在大氣壓力作用下逆流而上的。

師：現(xiàn)在知道老師先向長(zhǎng)試管中注滿(mǎn)水的原因了吧？

生：知道。為了排出試管中的空氣，使筆帽上端不受大氣壓力作用。

師：沒(méi)錯(cuò)。在日常生活中，還有許多方法可以減小物體內(nèi)的氣壓。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)“自動(dòng)爬行的筆帽”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)情境，在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也為“氣體的壓強(qiáng)”的新課教學(xué)埋下伏筆。該實(shí)驗(yàn)以直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證實(shí)了大氣壓是真實(shí)存在的，為學(xué)生從低階思維向高階思維的發(fā)展搭建了腳手架，也充分彰顯了實(shí)驗(yàn)情境創(chuàng)設(shè)的價(jià)值與意義。教師通過(guò)上面這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)，也讓學(xué)生了解了減小容器內(nèi)氣壓的一種方法——排水法。

2.2.2"趣味互動(dòng)，加深體驗(yàn)

物理學(xué)史是物理學(xué)的重要組成部分，它反映了物理學(xué)概念、定理、定律的醞釀、產(chǎn)生和發(fā)展的過(guò)程。以物理學(xué)史作為線(xiàn)索，將其合理地融入教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生親歷概念和規(guī)律建立的全過(guò)程，不僅有助于突破教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)，還能有效地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。本節(jié)課中所涉及的“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”，就是科學(xué)史上一項(xiàng)著名的大型科學(xué)實(shí)驗(yàn)。它不僅證明了大氣壓強(qiáng)的存在，還在科學(xué)界中產(chǎn)生了巨大的影響。

實(shí)驗(yàn)情境3：模擬“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”。

師：同學(xué)們聽(tīng)說(shuō)過(guò)“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”嗎？

生：聽(tīng)說(shuō)過(guò)！

師：想和老師一起親歷“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”嗎？

生：想！

（學(xué)生摩拳擦掌，躍躍欲試）

師：好！

（教師邊應(yīng)答邊拿出兩個(gè)盆底固定一段繩子的不銹鋼盆，如圖4所示）

師：今天帶的這兩個(gè)鋼盆替代當(dāng)年的兩個(gè)銅半球，當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)用馬拉的，今天咱用人拉！

師：現(xiàn)在，老師把盆緊扣在一起，哪兩位同學(xué)試一下能否拉開(kāi)？

（兩位男生邊喊邊跑到講臺(tái)前，結(jié)果輕輕一拉繩子，盆立刻分開(kāi)了）

師：不是說(shuō)16匹馬才把馬德堡半球拉開(kāi)嗎？難道他們的力氣比8匹馬的還大？這怎么回事？

生：老師，需要先把盆內(nèi)氣體抽出來(lái)。

師：怎樣把盆內(nèi)空氣排出來(lái)？

生：用抽氣機(jī)抽氣。

師：如果沒(méi)有抽氣機(jī)，還有沒(méi)有別的方法？

生：讓氣體受熱膨脹后排出再冷卻。

師：很有創(chuàng)意的想法，我們可以試一試！

（教師先將兩張餐巾紙點(diǎn)燃后扔進(jìn)金屬盆內(nèi)，緊接著將兩個(gè)金屬盆中間夾一個(gè)硅膠密封圈，緊扣在一起，為了使金屬盆快速冷卻，在外面用濕毛巾冷敷）

（由兩名學(xué)生實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)拉不開(kāi)后依次增加參與學(xué)生人數(shù)，直到拉開(kāi)為止）

設(shè)計(jì)意圖：教師并未選擇讓學(xué)生觀看視頻，而是采用不銹鋼金屬盆現(xiàn)場(chǎng)模擬“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象震撼人心，極大地增強(qiáng)了趣味性，使得學(xué)生的參與度提高，體驗(yàn)極為深刻。這一教學(xué)方式不僅加深了學(xué)生對(duì)物理現(xiàn)象的理解，還在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生的物理觀念。

2.2.3"設(shè)計(jì)方案，提升思維

通過(guò)上面的模擬“馬德堡半球?qū)嶒?yàn)”活動(dòng)，學(xué)生不難得出是金屬盆外部的空氣將它們緊緊壓在一起的，并且大氣壓強(qiáng)是很大的。那么，大氣壓到底有多大？如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案來(lái)具體測(cè)量大氣壓？教材中估測(cè)大氣壓的方案是直接給出的，這雖然降低了實(shí)驗(yàn)的難度，但是跳過(guò)了必要的設(shè)計(jì)過(guò)程，導(dǎo)致學(xué)生難以知其然又知其所以然。因此，筆者建議在上面活動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)置問(wèn)題情境引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計(jì)測(cè)量大氣壓的方案。該情境的受力示意圖如圖5所示。

問(wèn)題情境：設(shè)計(jì)測(cè)量大氣壓的方案。

師：在上述活動(dòng)中，假如能將兩個(gè)半球之間的空氣抽成接近真空，對(duì)其中一個(gè)半球進(jìn)行受力分析，它受哪些力？

生：受拉力、大氣壓力、另一個(gè)半球的彈力。

師：當(dāng)兩個(gè)半球剛好拉開(kāi)時(shí)，受力又是怎樣的？

生：所受彈力變?yōu)?，大氣壓力近似等于拉力，根據(jù)壓強(qiáng)公式p＝F/S可估算出大氣壓強(qiáng)。

師：在實(shí)際操作的過(guò)程中，我們可能遇到哪些困難？

生：很難抽成接近真空。

生：需要拉開(kāi)兩個(gè)半球的力太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常用彈簧測(cè)力計(jì)的量程。

師：如何改進(jìn)呢？

生：可以減小它的受力面積，如用受力面積較小的吸盤(pán)來(lái)替代。

師：很好，這位同學(xué)的想法很有新意。教材上實(shí)驗(yàn)方案是利用注射器和彈簧測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量，請(qǐng)分析它的可行性體現(xiàn)在哪些方面。

生：注射器的活塞和針筒相當(dāng)于兩個(gè)半球。

生：將注射器活塞推至針筒底端可以排出針筒內(nèi)的空氣，便于使針筒內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)接近于真空的環(huán)境。

生：注射器活塞橫截面積較小，作用在上面的大氣壓力也較小，一般不會(huì)超過(guò)實(shí)驗(yàn)室常用彈簧測(cè)力計(jì)的量程。

生：活塞受力面積可以通過(guò)注射器針筒上所標(biāo)注的最大容積和針筒刻度部分長(zhǎng)度的比值進(jìn)行求解。

師：同學(xué)們回答得太棒了！下面請(qǐng)大家按照所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和桌面上老師提供的實(shí)驗(yàn)器材，分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并做好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和處理。

設(shè)計(jì)意圖：高階思維是指發(fā)生在較高認(rèn)知水平層次上的心智活動(dòng)或認(rèn)知能力。按照布魯姆的教育目標(biāo)分類(lèi)來(lái)定義，“記憶、理解、應(yīng)用”屬于低階思維的范疇，“分析、綜合、評(píng)價(jià)”屬于高階思維的范疇。在學(xué)生設(shè)計(jì)測(cè)量大氣壓的方案過(guò)程中，他們需要深入分析測(cè)量原理，確定待測(cè)的物理量以及所需的測(cè)量工具。此外，學(xué)生還需對(duì)所選實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行可行性評(píng)估，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中收集的數(shù)據(jù)以及最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。因此，在測(cè)量大氣壓這個(gè)環(huán)節(jié)中，學(xué)生的高階思維得到了充分的訓(xùn)練和提升。

2.2.4"實(shí)施項(xiàng)目，創(chuàng)新思維

在學(xué)習(xí)了大氣壓的知識(shí)后，教師設(shè)置一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境：如何將池塘里的水抽出來(lái)灌溉田園？為了直觀演示這一過(guò)程，教師使用水槽來(lái)模擬池塘，并取出一根兩端開(kāi)口的管子，將其豎直地放入水槽中。為了增強(qiáng)演示效果，教師還特意將水槽中的水染上了顏色，使得水流的變化更加清晰可見(jiàn)。

實(shí)驗(yàn)情境4：手壓式直管抽水機(jī)。

師：如何利用大氣壓將水槽里的水通過(guò)管子抽上來(lái)？

生：把管子插入水槽中，用手指堵住管子上端，將管子提上來(lái)。

（教師按照學(xué)生的說(shuō)法操作，發(fā)現(xiàn)水一直充滿(mǎn)整個(gè)管子。但是，當(dāng)管子下端離開(kāi)水面，管子中的水又落回去了）

生：可以將管子上方的氣體抽掉，管子外的水在大氣壓的作用下就可以進(jìn)去。

師：在管子的上方通上抽氣機(jī)，抽氣機(jī)工作時(shí)，管子中的水的確升上來(lái)了，但是怎么取出上升的水呢？

生：紛紛搖頭，感覺(jué)沒(méi)有辦法。

（適時(shí)地演示用大拇指堵住管子的上端，向上提管子，再把手指松開(kāi)，同時(shí)使管子向下運(yùn)動(dòng)，如此重復(fù)相同操作）

師：同學(xué)們觀察到什么現(xiàn)象？

生：（驚訝地發(fā)現(xiàn)）水從管子上端冒出來(lái)了。

設(shè)計(jì)意圖：教師的一系列“神奇”操作極大地激發(fā)了學(xué)生探索新知的渴望。隨后，教師適時(shí)地為學(xué)生答疑解惑。在這個(gè)過(guò)程中，教師的大拇指相當(dāng)于抽水機(jī)中一個(gè)單向閥門(mén)。當(dāng)管子向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，大拇指堵住管口，此時(shí)水被大氣壓壓到管內(nèi)；當(dāng)管子向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，大拇指松開(kāi)，水便順暢地從管子上端流出。通過(guò)這樣不斷地重復(fù)操作，水就能源源不斷從管子上端涌出。如果將手指換成裝有球的單向閥門(mén)，再結(jié)合可以上、下運(yùn)動(dòng)的活塞，就可以制成生活中常見(jiàn)的手壓式抽水機(jī)（見(jiàn)圖6）。最后，教師再借助多媒體演示活塞式抽水機(jī)的工作過(guò)程（見(jiàn)圖7），讓學(xué)生更加直觀地理解它的工作原理。

2.3"創(chuàng)新實(shí)踐作業(yè)，實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階

在真實(shí)的問(wèn)題情境中開(kāi)展項(xiàng)目式跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)相對(duì)開(kāi)放和多元的學(xué)習(xí)環(huán)境。在這樣的環(huán)境中，學(xué)生通過(guò)教師的有效引導(dǎo)和同伴之間的積極互助，能夠自主完成活動(dòng)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的綜合應(yīng)用與能力的提升。因此，教師給學(xué)生布置課外實(shí)踐作業(yè)，要求學(xué)生利用可樂(lè)瓶、電動(dòng)機(jī)、瓶蓋、熱熔膠槍等器材，設(shè)計(jì)并制作簡(jiǎn)易的抽水機(jī)模型。部分學(xué)生制作出了比較有創(chuàng)意的作品（見(jiàn)圖8）。在制作過(guò)程中學(xué)生手腦并用，不僅加深了對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，也激發(fā)了進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望。同時(shí)，制作的成功所帶來(lái)的喜悅和成就感也極大地鼓舞了學(xué)生。

3"結(jié)語(yǔ)

課堂是實(shí)施教學(xué)的主陣地。物理教師在課堂中應(yīng)精心創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，以學(xué)生的思維進(jìn)階為主線(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)并熟練應(yīng)用，從而引導(dǎo)學(xué)生思維不斷深化，最終確保核心素養(yǎng)能夠真正在學(xué)生心中扎根，并促進(jìn)其持續(xù)成長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)

［1］姜棟強(qiáng).思維場(chǎng)視角下促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維進(jìn)階的實(shí)踐研究——以“電阻”教學(xué)為例［J］.物理之友，2022，38（9）：10"-12，25．

［2］曹健.演示實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)促進(jìn)作用的思考［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2019，48（8）：95"-96．

*基金項(xiàng)目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“初中物理‘進(jìn)階展學(xué)’的課堂實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：C"-c/2020/02/33）階段性研究成果。