創新實驗教學 培養學生的科學思維①
——以“大氣壓強”教學為例

張大明 劉信生

(1. 安徽省合肥市廬江縣第四中學,安徽 合肥 231500；2. 安徽省合肥市廬江縣龍橋鎮初級中學,安徽 合肥 231551)

《義務教育物理課程標準(2011年版)》要求學生在進行實驗探究、收集證據、分析問題和解決問題時要嘗試運用科學知識和科學研究方法，逐漸形成獨立思考、敢于質疑、尊重事實、勇于創新的核心素養和優良品質。然而，在新課改大環境下，出現了創新實驗“量大質低”的現象，弱化了學生科學思維能力的培養。筆者在教學中優選、創新實驗素材，運用“玩”“學”“悟”“用”的進階性教學策略，著重培養學生的科學思維及創新能力，下面以“大氣壓強”的教學為例進行探討。

1 創設魔術情境，設疑激趣

如圖1所示，教師表演“隔空吸飲料”魔術，一手拿出一滿瓶的可樂飲料向學生展示，并說明這是“很普通”的可樂瓶。先擰下瓶蓋，另一只手取出一支自制的吸管，不用將吸管插入飲料瓶中，將其放入嘴里一吸，在聽到“呼哧……”幾聲后，這支“神奇”的吸管就把瓶中一半飲料“吸”進嘴里了。學生們都很納悶，覺得有點不可思議。這時教師順勢提問：“瓶中的飲料怎么就憑空沒了？想弄清楚其中的奧妙嗎？學習了大氣壓強一節后，就能知道其中的道理了。”通過魔術表演吸引住學生的注意力，很順利地進入新課教學。

圖1

設計意圖：對于教學中常用的“鋼筆吸墨水”“瓶吞雞蛋”“密閉鐵皮罐加熱后變癟”等演示實驗，學生通過預習，看過相關視頻、圖片，對此早已熟悉，無法激起他們的學習熱情。利用一些“違反”生活常識的實驗，可打破學生的常規思維和內心的平靜，產生認知沖突，激發他們的好奇心和求知欲。適時提問，引發學生的思考，使學生產生探究的渴望。

2 設計實驗競賽，在“玩”中學

在“大氣壓強存在”這個知識點的教學中，我們通常利用教材中常見的實驗，如“覆杯實驗”等來演示，學生覺得平淡無奇，筆者在教學中對實驗進行了創新。

給同學們提供足球、熟雞蛋(已去除蛋殼)、乒乓球拍、玻璃瓶、玻璃杯等，請同學上臺表演與大氣壓相關的實驗。同學們個個躍躍欲試，都想展示一下自己的本領。一位同學在玻璃瓶中裝滿水后把雞蛋放在瓶口，用手按住蛋，瓶子倒過來后，松開按壓雞蛋的手，雞蛋沒有掉下來，實驗取得成功(圖2)，另一位同學則把乒乓球拍放在裝滿水的玻璃杯口，倒置后，乒乓球拍和水都不掉下，全班響起熱烈的掌聲(圖3)。

圖2

圖3

設計意圖：創設富有挑戰性、競賽性的創新實驗，吸引學生參與其中，對調動學生的學習熱情很有好處，由于足球最重，挑戰的難度最大，所以每一步驟都要求學生全神貫注、精益求精，稍有不慎就會前功盡棄。在“玩”實驗的過程中，感受科學的魅力，順利完成實驗后學生有滿滿的成就感。

3 在“學”中提升學生的科學思維能力

在完成一系列的大氣壓強存在實驗后，學生對大氣壓強的大小產生了濃厚的興趣，都想測量大氣壓值，受現實條件的限制，托里拆利實驗無法進行分組操作。師生共同制作教具，利用注射器結合定滑輪在水平方向拉動活塞來測量大氣壓強值。

實驗器材：注射器、橡膠密封帽、定滑輪、數字測力計、刻度尺、塑料小桶、細線、薄鋁片、裝有細沙的塑料桶、鉚釘、染色的水等。

實驗步驟：(1) 如圖4所示，將注射器固定在小桌中間，在桌邊固定一只定滑輪,細線的一端系住注射器活塞,另一端系在小桶上。

圖4

(2) 將活塞推至注射器筒的底端后放手，發現活塞靜止不動，這時候，將沙子輕輕放至小桶中，直至能拉動活塞，取下小桶，用測力計稱出物重G1。

(3) 用注射器吸入小瓶內少量的染色水，再次慢慢將活塞推至注射器筒的底端，保證在針口孔道內可以看到染色水，這樣排凈筒內的空氣后，用橡皮帽封住注射器的前端小孔。

(4) 再次在繩端系好小桶，繼續向小桶中添加細沙，至活塞開始做運動時，停止添沙子，取下小桶，用測力計稱出其總重G2，則大氣對活塞的壓力為F=G2-G1。

設計意圖：首先選擇將注射器固定在水平位置勻速拉動，排除了活塞自重對實驗的影響；在測量大氣對活塞的壓力前，巧妙測出了活塞與針筒壁之間的滑動摩擦力是實驗的亮點；使用增加細沙的方法替代加掛鉤碼來測量大氣壓力，使拉力能連續增加，大大減小了實驗誤差；在針口通道封有水的情況下，更能保證針筒接近真空狀態。

4 在“悟”中把握規律，提升學生的思維品質

生活中運用大氣壓強知識的例子無處不在，針對這些天天“露臉”的物理現象，學生受到錯誤前概念的影響，不一定能準確運用物理原理解釋清楚，所以教師必須優化實驗,突破難點。

教師出示一只氣球，吹入少量空氣后再用細線扎緊。

師：如何讓這只氣球能鼓起來？

生：放到溫水里面，放到真空里，想辦法減小氣球外面的大氣壓。

師：很好！下面就來嘗試減小氣球周圍的大氣壓的方法。這是一個大號的拔罐器(圖5)，先將氣球放置在乒乓球拍上面，再將拔罐器罩在氣球外面，用抽氣筒將拔罐器內的空氣向外抽，大家仔細觀察氣球的體積變化。

圖5

生：抽氣的次數越多，氣球越大。

師：你能用剛學過的大氣壓力知識解釋嗎？

生：抽氣使氣球外部氣壓減小，球內的氣體向外擠壓氣球，氣球也就鼓起來了。

師：一個標準大氣壓強是非常大的，這么大的壓強作用在人體表面怎么沒有把人體壓扁了呢？同學們能解釋下為什么嗎？

生：由于人體內部也有空氣，內外氣壓同時作用在人體上，相互平衡，所以身體感覺不到。

師：這也是宇航員在太空中遨游時一定要穿上宇航服的原因，試問：假設宇航員在太空中沒有穿上宇航服，那么宇航員有哪些危險呢？大家說說看。

生：宇航員在真空中，體外的氣壓為零，體內氣壓仍然很大，所以宇航員的肺泡、血管、耳膜等會向外膨脹而破裂，能導致死亡。

設計意圖：通過師生互動交流，能讓學生從真實的探究活動出發，“悟”出隱藏在客觀事物背后的本質屬性和內在規律，讓學生基于經驗事實建構理想模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法的內化。[1]在此基礎上運用逆向思維進行質疑、批判，從而提高學生的思維品質。

5 在“用”中升華志趣，用科學改變生活

物理學習注重“學以致用”，應該讓學生在新舊知識的相互聯系中產生遷移、應用，使自己的志趣、愛好得到升華，運用物理知識做小發明，用科學改變生活。

圖6

最后,揭秘“隔空吸飲料”，如圖7所示，事先選一瓶有不透明包裝紙的可樂飲料，將飲料倒出備用，在瓶壁包裝紙靠下的地方開個小孔，將氣球通過小孔慢慢塞進瓶中，氣球開口露在瓶外，再用玻璃膠將孔口固定在瓶壁上，將可樂倒入瓶內至包裝紙的上邊緣為止。用嘴對著瓶口用力吸飲料，在外界大氣壓強的作用下瓶內的氣球會膨脹，將飲料抬高至瓶口位置，此時立即用手堵住氣球在瓶外的孔口，蓋緊瓶蓋后放置在桌上備用。表演時，注意用手指堵住氣球孔口，再打開瓶蓋，當嘴里含著吸管在空中表演吸飲料動作時，堵住氣球小孔的手慢慢松開，氣球癟了，可樂液面隨即下降。至于吸管中有“呼哧”的聲音，只要做個雙層吸管，夾層放少許飲料就可以。

圖7

6 結語

物理是一門非常重視思維的課程，可以說物理是思維的體操。[2]正處于青春年少的初中學生有時候感到物理難學，并不是因為他們缺少學習的熱情，他們缺的是科學的思維方法。教師精心優化、創新實驗，讓學生在探究實驗的過程中，手腦并用，經歷分析與綜合、抽象與概括、比較與分類、推理與論證的科學方法訓練。實施“玩——學——悟——用”的教學策略，提升學生的科學思維能力。[3]