優化物理實驗教學 培養學科核心素養
——以“流體壓強與流速的關系”為例

(西南大學科學教育研究中心,重慶 400715)

當前,培養學生學科核心素養已成為課程改革的主要內容,物理學科核心素養由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態度與責任”四個方面構成。如何在物理課堂教學中落實核心素養培養的目標,是課堂教學需要不斷探索的問題。本研究以“流體壓強與流速的關系”為例,優化教學設計和物理實驗,以此來詮釋良好的教學與實驗設計在培養學生物理學科核心素養方面的重要意義。

1 教學設計思路

“流體壓強與流速的關系”是人教版物理八年級下冊第九章的內容,是在“液體的壓強”和“大氣壓強”的基礎上,對壓強概念和相關原理認識的拓展。本文通過“隔杯吹蠟燭”的創新實驗引入,在經典“吹紙張”的實驗中,創設激發學生認知沖突的問題情景,鼓勵學生大膽猜想,進行探究驗證，得到實驗結論。最后,通過對吸塵器的工作原理的介紹,將本節課的知識融會貫通,讓學生領略用物理知識解決實際問題的巨大魅力。

2 流體壓強與流速的教學設計

2.1 情境導入,提出疑問

教師拿出一支點燃的蠟燭,向全班同學提問:如何才能使蠟燭熄滅？學生回答：吹氣,用水澆滅。教師繼續提問:如果要讓蠟燭吹不滅,又該怎么辦？然后教師拿出一張小紙片,隔著小紙片吹氣(如圖1),觀察到蠟燭會熄滅,學生解釋:可能是紙片太小擋得不夠嚴實。教師拿出一個玻璃杯,請幾位同學檢查玻璃杯是否有“洞”,發現玻璃杯完好無損,把點燃的蠟燭放進去,對著杯底吹氣,蠟燭還會熄滅嗎(如圖2)？學生回答：蠟燭不會熄滅。教師演示隔杯吹蠟燭,發現放在杯子里的蠟燭被吹滅，為什么？由此引入新課內容。

圖1

圖2

設計意圖:以學生已有的生活經驗和原認知為生長點,引入一個能引起學生認知沖突的問題情景。從一個吹蠟燭的生活情境出發,轉而探討如何才能使蠟燭吹不滅,從隔著紙片吹氣到隔著杯子吹氣,逐漸遞進。到隔著沒有“洞”的玻璃杯杯吹氣時,蠟燭居然熄滅了,給學生留下了深刻的印象,讓學生帶著懸念進入課堂,從而激發學生對物理原理探索的興趣。

2.2 理解概念,逐步深入

由空氣和泉水圖片,引出流體、流速的概念。前面我們已經學習過液體內部壓強和大氣壓,它們都是流體靜止時的壓強。當流體處于流動狀態時又會發生怎樣的現象？展示小車駛過,樹葉飄動的圖片,引發同學們思考。

設計意圖:從身邊的物理現象入手,鞏固舊知,引出新的概念,引入本節課將要探究的內容。將流體流動的流速與壓強結合起來,為學生進行有依據的科學猜想奠定基礎。

2.3 觀察發現,提出猜想

圖3

教師拿出平行自然下垂的兩張紙,通過往它們中間吹氣的辦法(如圖3),來改變氣體的流速,請同學們猜想紙片會發生怎樣的變化？教師向兩張紙中間吹氣,學生仔細觀察。

提出問題:為什么向兩張紙中間吹氣的時候,紙張反而向中間靠攏？

教師引導學生從現象入手,通過紙張受到的壓力進行分析,得出氣體壓強與流速的猜想。

設計意圖:教師創設能引發學生認知沖突的問題情景,打破學生原有認知平衡,學生開始對自己的觀念產生疑點,迫切要求改變原有觀念以求得新平衡,[3]通過觀察“吹紙”的現象,在此基礎上進行猜想,從而喚起學生科學探究的欲望。

2.4 設計實驗,進行探究

(1)驗證猜想

圖4

實驗裝置:3個標有A、B、C的透明塑料管、3個乒乓球,將乒乓球放在塑料管中,3個乒乓球保持在同一豎直線上(如圖4)。

教師通過電吹風吹氣,來改變乒乓球右側空氣的流速,如果乒乓球右端的壓強發生變化,那么它還能靜止嗎？學生回答:不能，乒乓球會向左或向右發生運動。可以從乒乓球的運動方向來判斷壓強的變化，如果用電吹風吹塑料管右端的時候,請同學們猜測一下,乒乓球會往哪個方向運動？

教師用電吹風豎直向下吹塑料管右端,學生觀察實驗現象。

學生觀察到乒乓球往右運動,這是為什么？

教師引導學生對實驗現象進行分析,乒乓球向右運動,說明右邊的壓強減小,左邊的壓強不變,產生向右的壓力差,把乒乓球往右壓出,從而得出實驗結論。

設計意圖:引導學生體驗探究活動,通過學生觀察、理性分析,提升學生的思維品質。本實驗用電吹風吹氣來改變氣體的流速,教會學生利用轉換法,通過觀察乒乓球的運動情況,來判斷大氣壓的變化情況，并得到氣體壓強與流速的關系。

(2)深入探究

當老師打開電吹風的一瞬間,三個乒乓球并不是同時運動出來,而是離吹風口近的A管中的乒乓球最先出來,教師提問:這是什么原因引起的？引導學生從空氣流速不同的角度進行回答，再提問:空氣流速的不同又該如何判斷？

教師進行實驗演示，所用裝置為紙風車、鐵架臺、電吹風。

圖5

教師采用學生童年玩過的紙風車,紙風車的轉動快慢與風速有關。教師將電吹風和紙風車固定好后放在同一水平線上(如圖5),移動紙風車時,請同學們注意觀察紙風車的轉動快慢情況，觀察到在離吹風口近的地方,紙風車轉動得快,空氣流速較大。進而想到A塑料管右側空右側空氣流速快，壓強較小,所以A塑料管中的乒乓球左右兩端的壓力差也就越大,它就先從塑料管中運動出來。

設計意圖:從學生的認知經驗出發,設計出富有新奇感的趣味實驗,可獲得良好的教學效果。[4]對于不可見的空氣流速,通過紙風車的轉動情況,來進行定性描述,再進一步對實驗現象進行分析、解釋,從而達到融會貫通、學以致用的目的。

(3)類比推理

學生利用放置在桌面上的實驗器材,探究液體壓強與流速的關系,實驗器材包括:裝有水的水槽、兩只小船、注射器。學生設計實驗，探究液體壓強與流速的關系,從而得出結論。

設計意圖:對于液體壓強與流速的關系,學生類比氣體壓強與流速的研究方法,教師鼓勵學生自己動手設計實驗探究、觀察現象、歸納分析、得出結論,讓學生體驗科學探究過程,培養科學探究能力。

2.5 拓展提高,解釋應用

(1)揭秘奇跡

圖6

教師對著水杯的杯底吹氣時,杯身和杯口上方的空氣流速增大壓強減小,杯內的氣壓大于杯口外側的氣壓,杯內的空氣在壓強差作用下就會向外流,蠟燭就是被這股急劇向外流出的氣體給熄滅的。

(2)簡易吸塵器

教師向同學們展示自制教具，學生觀察到紙盤中的碎紙屑都被吸到塑料瓶里(如圖6),教師提問:這實際是什么裝置？學生回答:簡易吸塵器。老師請同學在課后思考它的工作原理，并鼓勵感興趣的同學自己動手制作。

設計意圖:首尾呼應,活學活用,隔杯吹蠟燭的神秘之處在于應用了氣體壓強與流速的關系,與學生的生活經驗和認知相沖突,從而激發了學生的學習興趣。物理從生活中來,再到生活中去,對簡易吸塵器工作原理的解釋,使學生體會到物理就在身邊,并加深學生對流體壓強與流速的關系的理解,從中體會到學習物理的樂趣。

3 教學反思

“流體壓強與流速的關系”與人們的日常生活密切相關,許多現象都可以運用這個原理來解釋,大多數老師在上課的時候,會選擇一系列的小實驗來得到結論,這樣的課堂看似有趣,學生們很喜歡參與其中,但是卻缺乏科學探究的體驗,不利于學生物理核心素養的發展。而本節課的創新之處在于讓學生通過提出問題、猜想、觀察、實驗探究、驗證、應用等步驟,經歷完整的科學探究過程,在學習科學知識、訓練技能的同時,學生的科學探究能力、科學思維也得到培養和發展。

本節課的另一個創新之處在于創設激發認知沖突的問題情境,從而使學生產生解決矛盾的迫切心理,調動學生學習的主動性和積極性,使學生在提升物理技能的同時,培養對科學的興趣。從課前“隔杯吹蠟燭,會不會熄滅”到課中“吹紙張、紙張會向兩邊分開還是會向中間靠攏”的實驗,學生通過生活經驗和知識在頭腦中已有答案,而當學生發現與呈現在眼前的物理現象不吻合時,鼓勵學生大膽猜想,讓學生成為實驗探究的真正主人,帶著問題進行觀察和思考，從而培養了學生的科學探究能力。