在物理課程教學設計中引入中國元素*
——以倒注壺與連通器為例

張念依 李國榕 鄧楚楚 林琪

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

李海彬

(福建省南安第一中學 福建 泉州 362300)

葉晴瑩

(福建師范大學物理與能源學院 福建 福州 350117)

教育專家指出：中國學生發展核心素養應植根于中華優秀傳統文化土壤中[1]．物理學科的教學設計應在學生學習科學知識的同時，引入優秀中國元素，從而提升學生的人文底蘊，達到全面平衡發展．現人教版八年級物理教材中的第九章的內容為“壓強”，連通器為該章第2節液體的壓強中的內容．關于連通器的教學，作為連接液體壓強和大氣壓強的一節課，很多教學設計往往只是在用實驗室的連通器進行演示之后直接得出結論．但是初中階段的學生身心發展不平衡，還需要用具體實物來支撐習得的內容和結構．僅僅采用演示后直接進行概念教學的方式，如果不給予更深層次的鞏固，就會使學生對知識的掌握不牢并對后續的應用造成消極影響．針對這些問題，本文對連通器這一節課的教學進行了設計，將極具中國特色的傳統器具“倒注壺” 巧妙地引入課堂教學，從而提升教學效果．

在初中階段的物理教學中，教師應當根據學生所學的內容，為學生創造條件，讓學生經歷科學探究和思維加工，保證物理概念和規律的內化[2]．當課程講解完連通器的原理和特點后，學生往往還沒達到可以清晰自主地進行運用的階段．對此，我們通過引入“倒注壺”模型，對此知識點進行鞏固，提升對連通器這一知識點的理解和應用能力．

1 利用認知沖突 激發學習興趣

首先，教師可展示青釉提梁倒注壺實物，如圖1所示，并向學生介紹倒注壺的歷史：倒注壺最早見于五代時期，是一種儲水容器，展示給大家的倒注壺是一個現代的仿品．接著，教師介紹倒注壺的外觀特點：倒注壺有著跟平時生活中所見的壺一樣的壺嘴結構，但是壺蓋與壺身連為一體，向其中注水時并不能打開頂部的壺蓋．

圖1 青釉提梁倒注壺

如此奇特的構造，與學生的認知產生了沖突，必會引起學生的注意和疑問：這壺怎么裝水？

教師此時順勢翻轉壺體，露出壺底梅花狀小孔，如圖2所示，原來，倒注壺裝水時，是要從壺底的小孔向內注水的！這也是這種水壺叫做“倒注壺”的原因．學生此時的疑問更深了：這個壺裝水后，水不會從壺底的小孔流出來嗎？

圖2 倒注壺底

而后，教師演示倒注壺的注水過程：倒置壺體，從小孔中向壺內注水，而后迅速翻轉壺體，使壺體正放，并讓學生觀察是否有水從壺底漏出．學生驚奇地發現，倒注壺裝水正放后，幾乎滴水不漏！認知沖突使學生的好奇心被完全激發：為什么會這樣？教師可請學生猜測倒注壺的構造．此時學生的學習動機已被充分地調動，紛紛積極猜測壺體的構造．

2 層層深入剖析 深化知識學習

在學生猜測的基礎上，教師向學生展示倒注壺的實物剖面，如圖3所示，倒注壺內部有一個中空的圓柱形漏柱與注水口相接[3]．向注水口內注水時，水經由注水口，通過漏柱進入壺內．除此之外，壺身還有一條彎壁隔出壺口通道，如圖4所示．

圖3 倒注壺內部結構圖

圖4 倒注壺剖面圖

學生了解倒注壺的內部構造之后，教師讓學生開展分組實驗，親手操作倒注壺的儲水過程．在此過程中，引導學生思考、分析、討論倒注壺的儲水、倒水的原理.

(1)注水過程

開始注水時，水由注水口流入壺內，如圖5(a)所示．隨著注水量的增多，水逐漸充滿壺內，只要壺中液面高度不超過壺嘴彎管中的A點，如圖5(b)所示，壺內的液體就不會由壺口流出[3]．

圖5 注水過程示意圖

(2)翻轉過程

將壺體翻轉，這時有細心的學生發現，在翻轉壺體的過程中，有部分水從壺底的注水口流了出來！為什么會發生這一現象？教師適時提問，引導學生自行分析這一現象的原因．學生在前面的課程中已學習過連通器原理，因此，他們可以很快得出壺體翻轉時漏水的原因：翻轉過程中，如果水面的高度高于中央漏柱的所處位置,如圖6(a)所示，根據連通器原理，水就會從注水口流出來．

教師在褒獎這部分學生的同時，更加深入地提問：怎么樣才能避免壺體在翻轉過程中漏水？

為了解決這一問題，學生們再次動手重復上述壺體翻轉的過程．在動手實驗的基礎上，通過討論分析，學生可得到以下兩種解決方法：

1)快速翻轉壺體，盡量縮短壺體處于圖6(a)這一狀態的時間，這樣，水就幾乎不會漏出；

2)減少注水量，如圖6(b)所示，當壺體傾斜時，讓漏柱頂端高于液面，根據連通器原理，水也不會漏出．

圖6 壺翻轉過程示意圖

(3)正置過程

將壺體放正之后，如圖7所示，壺嘴與壺身構成了一個連通器，只要壺內的液體不高于漏柱頂端，如圖7的B點，壺內的水便不會從底部的注水口流出．即達到了倒注壺的儲水功能．

圖7 壺體正置示意圖

(4)倒水過程

裝好水正置之后，倒注壺類似一個正常的茶壺．向外倒水時，壺嘴和壺身部分液面的高度相同，如圖8所示，根據連通器原理可知，當壺內的水位持平于或高于壺嘴時，壺內的水便流出來了．

圖8 傾斜倒水示意圖

分析完倒注壺儲水、倒水的過程，教師再次引導學生思考：這種倒注壺能裝滿嗎？

這一問題把學生的求知欲又一次調動起來，于是他們再次積極動手實驗．在實驗中，學生們發現：這種倒注壺在倒置注水的過程中，水不能超過壺嘴彎壁的高度，即不能超過圖5(b)中的A點；而壺體放正時，水也不能超過漏柱的高度，即不能超過圖7中的B點．因此，這個壺是不可能被裝滿的．這說明，在用倒注壺儲水時，注水需要把握一個度．此時教師可適時地引入“凡事滿則溢，虧則損”的道理，于無形中對學生進行課程思政的教育，教給學生為人處世的道理．

3 實物簡易復原 理論聯系實際

在分析完倒注壺的結構特點和注水、儲水、倒水的原理后，教師可以讓學生親自動手制作一個“簡易倒注壺”．實驗材料如下：透明塑料杯兩個、軟管一根、吸管一根(或用兩根吸管亦可)、剪刀一把、熱熔膠若干．

通過課堂教學發現，學生經過上述的深入學習后，大部分可以自主完成簡易倒注壺的制作．少數動手能力較弱的學生，在教師的引導和學生的幫助下，亦可完成制作．

制作方法如下：

(1)將塑料杯甲的杯底穿孔，另一個塑料杯乙側壁穿孔；

(2)將吸管截取適宜長度從甲杯的杯底穿入，將軟管從乙杯的側壁穿入，軟管的一端穿出乙杯的側壁作為壺嘴，其余部分留在杯中；

(3)用熱熔膠將甲杯和乙杯的穿孔處封住；

(4)將兩個杯子杯口邊緣對齊，用熱熔膠使兩個杯口固定，并封住邊緣縫隙．

課程中，學生對制作倒注壺的過程和簡易倒注壺的成品(圖9)非常感興趣．制作完成后，學生間相互對比誰的倒注壺在翻轉時不會漏水，誰的倒注壺更能儲水——在此過程中，教師可引導學生思考：為什么有的學生的倒注壺能裝的水多，有的學生的倒注壺能裝的水少？為什么有的學生制作的倒注壺在翻轉中會漏水而有的學生不會？并將此作為課后探究的內容留給大家，鼓勵大家在課余時間制作“不漏水、多儲水”的倒注壺．

圖9 簡易倒注壺

4 結束語

通過以上案例的學習，學生在教師的引領下，自主思考、主動探索，將理論知識與實踐操作結合起來，通過層層遞進，步步深化的探究過程，將課本上抽象的概念具體化，并轉化為自身的深刻認知．課程將動腦學習與動手學習相結合，不僅使學生的實踐能力得到鍛煉，也拉近了物理這一學科與生活的距離，使物理真正源于生活，助于生活．在物理課程教學設計中引入中國元素，學生在學習物理知識的同時，感受到了先人的智慧，并體會到中華民族文明成果的獨特魅力，提升了學生的文化自信．同時，教師也將課程思政隱含在課堂之中，對學生的為人處世進行潛移默化的教育，達到了教書育人、潤物無聲的目的．