基于概念轉(zhuǎn)變理論的液體壓強實驗設(shè)計

文_韋秀花

實施素質(zhì)教育是現(xiàn)在教育改革的重要課題。讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中不拘泥于死記硬背知識，同時綜合素質(zhì)又能夠得到全面發(fā)展，是教育工作者一直努力的方向。初中生在學(xué)習(xí)初中物理液體壓強這部分知識前，在頭腦中已經(jīng)形成了初步認識，有著多樣化的前概念。在這些前概念中，有些前概念與科學(xué)概念完全相反，嚴(yán)重阻礙了學(xué)生的學(xué)習(xí)。筆者將以概念轉(zhuǎn)變的理論為指導(dǎo)，設(shè)計出能夠轉(zhuǎn)變初中學(xué)生對液體壓強經(jīng)常存在的錯誤前概念的實驗教具。本文假設(shè)涉及的液體密度一樣，未考慮密度對液體壓強的影響。

前概念與概念轉(zhuǎn)變理論

本文將學(xué)生由于日常生活環(huán)境等原因已經(jīng)在大腦潛意識里對知識點形成的慣性思維、對事物的定向理解定義為前概念，其中與科學(xué)概念背道而馳的定義稱之為錯誤前概念。

素質(zhì)教育的宗旨是以人為本，不是將知識灌輸給學(xué)生，而是培養(yǎng)學(xué)生求實創(chuàng)新、勤學(xué)好問的良好習(xí)慣，提高學(xué)生各方面的素質(zhì)，使其全面發(fā)展。因此，在教學(xué)過程中注重學(xué)生的發(fā)展尤為重要。在物理教學(xué)中，實驗探究占據(jù)著重要的位置，特別是對于比較抽象的物理概念教學(xué)，有趣的實驗探究能夠糾正學(xué)生原本錯誤的前概念并促進學(xué)生對新知識的理解。教師在課堂上應(yīng)積極了解學(xué)生的前概念，進而設(shè)計相應(yīng)的教學(xué)方案，為學(xué)生轉(zhuǎn)變錯誤前概念提供一個學(xué)習(xí)平臺，讓學(xué)生原有的錯誤物理概念在實驗探究過程中得到轉(zhuǎn)變，使學(xué)生在探究過程中感受實踐與創(chuàng)新的樂趣，真正地掌握科學(xué)文化知識。

轉(zhuǎn)變“液體壓強與容器大小的關(guān)系”錯誤前概念的實驗設(shè)計

由于前概念的產(chǎn)生，學(xué)生錯誤地認為液體壓強的大小與裝有液體容器的形狀大小有關(guān)，認為形狀越大的容器能裝的水的質(zhì)量越大、水的體積越大，水受到的重力也會越大，從而液體產(chǎn)生的壓強越大。這是大部分中學(xué)生在剛接觸液體壓強時，由于已有的認知經(jīng)驗有限可能出現(xiàn)的錯誤前概念。錯誤前概念對物理教學(xué)能否成功地開展存在很大的影響，因此開展概念轉(zhuǎn)變的教學(xué)活動尤為必要。

原理：液體壓強的大小與容器的形狀大小沒有關(guān)系。

重點設(shè)計如下。設(shè)計制作底面積、深度一樣，形狀不同的三個透明容器，讓學(xué)生直觀地看出容器形狀的明顯不同，讓學(xué)生能更加清楚地思考容器的大小和形狀與液體壓強是否有關(guān)系，同時容器外部貼有刻度尺，以便顯示容器水位的深度和觀察探頭在水中的深度。此外，在三個容器底的同一位置設(shè)計三個點，分別為A、B、C，這樣給定學(xué)生思考的三個點可以避免學(xué)生產(chǎn)生一些不必要的疑惑。通過設(shè)計這三個形狀不同的容器以及容器底部的三個點，在激發(fā)學(xué)生興趣的同時，讓學(xué)生能夠在更加直觀的情境中思考及探究問題。為了能夠更加準(zhǔn)確地驗證學(xué)生的猜想，改造了測量A、B、C三點壓強過程中用到的探頭，將與壓強計連接的乳膠管接到探頭的側(cè)面，這樣探頭可以直接放置到指定的三個點上。

轉(zhuǎn)變“液體內(nèi)部各方向壓強大小關(guān)系”錯誤前概念的實驗設(shè)計

“在液體內(nèi)部同一深度的各個方向的壓強大小相等”，很多剛接觸液體壓強概念的學(xué)生覺得這個物理規(guī)律很難理解，認為裝在容器中的液體只有向下方向的壓強，或以為液體所受的重力是豎直向下的，那么向下方向的壓強就應(yīng)該大于向上方向和側(cè)面各個方向的壓強。對此，運用合適的教具開展概念轉(zhuǎn)變教學(xué)，能讓學(xué)生在思維、心理方面形成正確的科學(xué)概念，有利于學(xué)生重新構(gòu)架正確的認知過程，真正理解物理知識。

原理：在液體內(nèi)部的同一深度各個方向的壓強相等。

重點設(shè)計如下。針對典型的液體壓強計實驗裝置存在的在上下、左右旋轉(zhuǎn)的過程中因探頭本身大小產(chǎn)生一定的深度差這一不足之處作出了以下改進。在研究側(cè)面各個方向的液體壓強大小的特點后設(shè)計了探頭，將探頭固定在一根細桿的中下位置，在測量時直接將細桿放置在容器底部某一固定點，再旋轉(zhuǎn)細桿的上方，細桿就會帶動探頭向四周轉(zhuǎn)動。這樣既保證了探頭在旋轉(zhuǎn)的過程中所處深度不變，也能清楚地觀察到旋轉(zhuǎn)的過程中壓強計上液柱的變化情況，同時旋轉(zhuǎn)探頭也變得更容易操作。

在研究液體內(nèi)部同一深度上下兩個方向的壓強大小的特點時，首先制作了一個直角L 型的木架，在木架的下端固定一個探頭，使探頭的薄膜朝上，并固定在木架上，這樣將探頭放入水中測出的就是朝下方向的壓強。然后，在木架的同一端再放置一個可以左右轉(zhuǎn)動的探頭，探頭的薄膜面朝下，測向上方向的壓強，同時保證兩個探頭的薄膜面相對時正好吻合，在測量時再將探頭錯開，使上下兩個方向的薄膜在同一個平面上，這樣在測量時就可以只直觀地觀察兩個壓強計的深度差，從而發(fā)現(xiàn)液體內(nèi)部同一深度上下兩個方向壓強大小的特點。

轉(zhuǎn)變“液體內(nèi)部不同深度壓強大小關(guān)系”錯誤前概念的實驗設(shè)計

學(xué)生由于受到前概念的影響，錯誤地認為液體裝在容器中就沒有流動性，是靜止的，認為靜止不動的液體在任何位置相互的擠壓程度都固定不變，從而認為液體內(nèi)部任何位置的壓強大小都一樣。

原理：液體內(nèi)部的壓強隨著液體深度的增大而增大。

重點設(shè)計如下。在形狀為長方體的容器內(nèi)壁上用吸盤箭頭設(shè)置了在同一豎直方向不同深度的三個點，同時在吸盤的另一端分別標(biāo)出了數(shù)字以便區(qū)別認識。當(dāng)要分別測量1、2、3 點位置液體壓強的大小時，直接用探頭分別放置于1、2、3 點的下方，再分別對比其液柱深度差即可直觀地觀察出這三個點壓強大小的變化規(guī)律。

本文基于概念轉(zhuǎn)變理論設(shè)計液體壓強實驗，分析了學(xué)生對液體壓強與容器大小的關(guān)系、液體內(nèi)部各方向壓強大小的關(guān)系、液體內(nèi)部不同深度壓強的大小關(guān)系的錯誤前概念，并設(shè)計出解決相應(yīng)問題的實驗儀器，為中學(xué)液體壓強這塊內(nèi)容的教學(xué)注入了新血液，提供了更為便利的教學(xué)方法。同時，將改進的實驗裝置運用于課堂，不僅能為學(xué)生如何提出問題、解決問題提供了清晰的思路，而且學(xué)生在課堂上能夠便捷地動手參與探究實驗，讓學(xué)生在參與課堂活動的過程中發(fā)展動手能力、思考能力等素質(zhì)。