搭建思維支架 促進深度理解
——以托里拆利實驗為例

任少鐸

（廈門市海滄區東孚中學，福建 廈門 361000）

托里拆利實驗不僅與學生生活實踐脫節，且涉及到學生還未接觸到的知識，學生對此并沒有足夠的生活經驗和知識儲備，如果只是通過“言傳”而沒有重視將相關現象和原理直觀化和形象化，學生就無法獲得足夠的感性認識，更無法深刻理解托里拆利實驗的本質.初中階段，學生正處于直觀形象思維向抽象邏輯思維轉變的關鍵期，抽象邏輯思維發展仍不完善，直觀形象思維仍占據主導地位，因此有必要搭建思維支架，用形象直觀的實驗促進學生直觀認識相關現象和原理，從而更深刻地理解托里拆利實驗.

1 當前托里拆利實驗教學中存在的缺憾

各版本教科書中托里拆利實驗的內容幾乎都是“直接”呈現的，都是介紹托里拆利實驗的過程以及計算出的大氣壓強大小.但由于相關現象陌生，加之缺乏對帕斯卡原理等知識的掌握，學生對托里拆利實驗存在不少疑惑，主要體現在以下幾點.

1.1 為什么用有毒的水銀做實驗

水銀具有一定的毒性，在實際教學中通常也不鼓勵在教師演示托里拆利實驗.但是，測量大氣壓為什么要采用水銀呢？ 學生不知道為什么，只是被動接受.

1.2 一定是大氣壓托著水銀柱嗎

很多學生對托里拆利實驗一直都有疑惑，大氣壓是向下作用于水槽中的水銀，真的可以向上將試管中的水銀柱托起來嗎？ 一些學生會認為水銀具有很強的粘性，粘住了試管口導致試管內的水銀無法流出.甚至還有學生認為試管中的水銀柱是水槽中的水銀托起來的，或者至少起到部分作用.課本直接介紹是大氣托起的水銀，教師亦如此講解，但無法消除學生的困惑.

1.3 液面傳遞的是壓強還是壓力

學生不具備帕斯卡原理等知識，不能理解水槽內水銀面上的大氣壓強能夠大小不變的傳遞到玻璃管內的水銀上.根據學生的傳統思維，液面有可能傳遞的是壓力，大氣對液面向下的壓力等于水銀柱對液面的壓力（壓力相等），如圖1所示.然而課本和教師傳遞給學生的是“大氣對液面向下的壓強等于水銀柱對液面的壓強（壓強相等）”，如圖2所示.至于為何是這樣，課本和教師通常不去解釋，學生只能被動接受.

圖1 壓力相等

圖2 壓強相等

2 利用支架式教學促進深度理解

為了突破學生的思維難點，應采用支架式教學策略，層層遞進，降低托里拆利實驗的理解難度，促進學生深度理解.

支架1：實驗證明“大氣托著試管中的水柱”.

將一根試管裝滿水，倒扣在水槽中，試管中的水不會流出來.為什么試管內的水不會流出來？一部分學生會認為是大氣作用于水槽中的水面，托著試管中的水.然而，也會有一部分學生會認為是水槽中的水粘住了試管口，讓試管內的水流不出來.

接著進行演示實驗：將整個裝置放入真空罩，未抽氣時，試管內的水不流出（圖3）.用抽氣機抽氣，會發現隨著真空罩內的空氣被不斷抽出，試管中的水逐漸流出到了水槽（圖4）.待試管內液面與水槽內的液面相平時，關閉真空罩的抽氣閥門，移走抽氣機，接著打開真空罩的抽氣閥門，隨著氣體進入真空罩，水慢慢得從水槽進入試管，試管內的液面逐漸上升，直到原來的高度.如此便說明確實是大氣在支撐著試管內的水柱.

圖3 試管中的水不會流出

圖4 抽氣時試管內的水慢慢流出

設計意圖：此現象由于與學生的生活實踐脫節，學生對此并沒有足夠的生活經驗和知識儲備.如果只是通過“言傳”而沒有通過實際實驗證明，學生就很難真正理解現象的本質.［1］通過此實驗，學生直觀感受到了確實是大氣在支撐著試管內的水柱，而不是其他力量支撐著水柱.

支架2：液面傳遞的是壓力還是壓強？

由于帕斯卡原理知識的缺失，學生對于液體究竟傳遞的是壓力還是壓強并不明確，因此需要用實驗去幫助學生理解液體究竟傳遞的是壓力還是壓強.

首先，用兩個大小不同的注射器做成兩個高度相同且兩端開口的“試管”，用一根橡皮管將這兩個“試管”連通，如圖5所示.接著在這兩個試管中裝入適量的水并倒扣在同一個杯子里，倘若是“壓力相等”，則粗試管內的液面會比較低，倘若是“壓強相等”，則兩試管內的液面會一樣高.實驗結果表明，兩個試管內液面處于同一高度，如圖6所示.再將其放進真空罩并用抽氣機抽氣，發現兩個試管內的液面同步下降，且始終處于同一高度，如圖7所示.如此便說明了是“壓強相等”而非“壓力相等”，即液面傳遞的是壓強而非壓力.

圖5 兩個連通的“試管”

圖6 兩個試管內液面處于同一高度

圖7 抽氣時試管內的水慢慢流出

設計意圖：沒有直接告訴學生“液體傳遞的就是壓強”，而是用簡易器材演示實驗，讓學生直觀感受液體傳遞的是壓強而非壓力，從而真正理解帕斯卡原理，為下一步用托里拆利實驗計算大氣壓的數值打下基礎.

支架3：大氣壓能夠支撐多高的水柱？

在學生明白了是大氣壓在支撐著水柱后，在黑板上畫出圖8（a）所示的原理圖.接著進一步引導學生思考：假如試管不是我們實驗室的試管，而是更高一些的兩個試管［圖8（b）和圖8（c）所示］，那么試管內的水會流出來嗎？ 此時，會有學生認為水可以流出來，但也會有學生認為水仍然不會流出來，有少部分思路比較清晰的學生能夠想到水是否流出取決于試管內水壓和外界大氣壓的大小關系.但由于沒有具體實驗，學生將信將疑.

圖8 逐漸增加試管高度

于是播放事先錄制好的視頻：用11m 高的管子代替長試管，將管子內灌滿水，直立起來倒扣在水槽中，將管子的上端封閉，打開下端的閥門，水會流出.接著暫停視頻讓學生思考：試管內的水為什么會流出？ 學生能夠想到是因為試管內的水壓大于外界大氣壓.接著繼續追問：試管內的水會全部流出嗎？ 學生能夠知道試管內的水不會全部流出，且當試管內水壓剛好等于外界大氣壓時水就不再流出.

接著繼續播放視頻，會發現水流出一些后就不再流出了，試管內水柱的高度穩定在10.3m，此時管內水柱上方是真空（自然而然生成圖9 所示的板畫），繼而讓學生據此計算出大氣壓的大小，根據液體壓強知識學生能夠計算出p大氣=p液柱=ρ液gh=1×103kg/m3×9.8 N/kg×10.3m=1.01×105Pa.最后提出問題：通過計算液體壓強可以間接地求出大氣壓，這種科學方法是什么呢？ 以此顯化科學方法，突出轉換法這一科學方法的應用.

圖9 試管上方是真空

設計意圖：延續“倒扣試管”實驗，設置遞進式問題串，一步步追問，并從理論拓展到實驗演示，助力學生深刻理解這種測量大氣壓大小的方法（將測量大氣壓轉換為計算液體壓強），發展模型建構、科學推理等素養.

支架4：如何在實驗室內完成測量大氣壓的實驗？

學生明白了可根據p大氣=p液柱=ρ液gh計算出大氣壓強的大小后，讓學生思考，剛剛大氣壓可以支撐10.3m 高的水柱，10.3m 有3層樓高，所以剛剛是在室外進行試驗，而且還用了很高的梯子，有沒有什么辦法可以讓我們在常規的實驗室（一層樓高）測出大氣壓的大小呢？ 經過互動，學生能夠想到要換用密度更大的液體進行實驗，而自然界密度最大的液體就是水銀.

接著給學生介紹：其實很多年前就有科學家在實驗室用水銀測出了大氣壓的大小，讓我們一起看看吧（播放托里拆利實驗視頻），如此便自然而然的引出托里拆利實驗.

設計意圖：循序漸進，步步為營，幫助學生理解托里拆利實驗用水銀的原因，促進學生從本質上理解該實驗，發展科學推理素養.

3 反思與總結

在實踐中發現，通過搭建思維支架并演示相關實驗，學生能夠深刻理解托里拆利實驗的本質，彌補了當前托里拆利實驗教學中存在的不足，同時強化了對轉換法這一科學方法的理解和應用，在這個過程中，也發展了模型建構、科學推理等素養.

教師應該“用課本”而不是“教課本”，課本只是教學的參考，對于教科書中不完善的內容，教師應根據學生的實際情況“補齊”相關內容，并設計更加科學的教學策略，以促進學生對內容的深度理解.［2］這樣才能幫助學生建構良好的知識體系，學生的物理學科核心素養才能得到真正提升.