初中物理低成本實驗資源的開發與利用

摘 要：課堂教學應秉承學科育人的理念，教師應充分利用學生身邊的物品，開發有趣、新穎、簡單的進階性低成本物理實驗，創設真實的情境任務，讓學生在完成任務的實踐活動中踐行“做中學、學中思、思中創”，在素養表現中發展素養，在知識建構中啟智增慧。

關鍵詞：進階性；低成本；物理實驗；情境任務

1 引言

教育部印發的《關于全面深化課程改革 落實立德樹人根本任務的意見》明確提出各學科的學習內容要符合學生不同發展階段的年齡特征，緊密聯系學生生活經驗。與此同時，《義務教育物理課程標準（2022年版）》所倡導的課程理念“從生活走向物理，從物理走向社會”進一步深化了這種聯系，并提倡師生利用身邊的物品、器具、材料等自主開發物理實驗器材。^［1］由此可見，利用身邊的廉價材料，開發低成本實驗資源，既是教師的基本素養，也是教育教學的基本要求。

2 低成本物理實驗的概念界定

日本學者三井武友認為，低成本物理實驗是指簡易的、有趣的基礎性實驗。筆者認為低成本物理實驗是指利用學生身邊的物品，改進傳統實驗方案，優化實驗效果，開發出的具有創新因子的實驗。南京師范大學的劉炳升教授稱之為“非常規”實驗。其主要特點有三：一是價格便宜，少花錢或不花錢；二是取材方便，制作簡單，節約時間成本，可實施性強；三是貼近生活，現象明顯，易于激發學生深入探究的興趣。

3 開發低成本物理實驗資源的意義

筆者在組織和指導青年教師參加各類教研、競賽活動的過程中發現，絕大多數初中物理的重難點知識，都可以通過巧妙的低成本實驗加以突破，正所謂“千言萬語說不清，一看實驗便分明”。在物理教學中，開發有趣、新穎、奇特的低成本實驗，讓學生在創設的真實情境中踐行“做中學、學中思、思中創”，既能激發學生的學習興趣，又能提高他們的實踐能力和創新能力。但是在平時的課堂上，卻常常是另一種情形：“做實驗不如看實驗，看實驗不如講實驗。”這導致物理知識枯燥難懂，無形中加重了學生負擔，也與國家減負政策背道而馳。引起該現象的主要原因是缺少低對成本實驗資源的開發與利用。

筆者現以蘇科版物理八年級下冊第十章第三節“氣體的壓強”第1課時“大氣壓強”為例，談談如何開發低成本物理實驗，創設情境任務。

4 開發低成本物理實驗，創設情境任務

“大氣壓強”是初中物理難學難教的內容之一。首先，氣體看不見摸不著，大氣壓強不易被感知，需要通過低成本實驗的設計，化抽象為形象；其次，大氣壓強的估測難度較大，需要借助進階性低成本實驗，針對研究對象的選取、受力的分析和受力面積的確定搭建合適的臺階；最后，大氣壓強的測量實驗也存在一些問題，如器材多、過程短、不能直接反映大氣壓的作用等。例如，覆杯實驗常被學生質疑是水黏住了紙片，而易拉罐實驗也存在熱脹冷縮的嫌疑^［2］，因此需要更為簡單直接的實驗設計。下面本文將具體論述如何開發低成本物理實驗，創設情境任務，有效突破“大氣壓強”的教學難點，以期拋磚引玉。

4.1 任務一：觀察水的逆流，提出科學問題

演示實驗：水的逆流

實驗目的：實現水的逆流，制造認知沖突。

實驗原理：課前用注射器抽出玻璃瓶內的部分空氣，使瓶內形成負壓，水在外界大氣壓力的作用下沿輸液軟管向瓶內流動。

器材準備：帶橡皮塞的玻璃點滴瓶一個（或空的香油瓶）、輸液軟管一套、流速調節器一個（從輸液軟管上摘取）、注射器（容積越大越好）、有色水。

器材制作：把輸液軟管的穿刺器插入橡皮塞，剪掉進氣管空氣過濾器，換上流速調節器，拔掉下面細管部分，用注射器與進氣管連接，如圖1所示。

實驗操作：教師關閉下面的調速器，打開進氣管處的調速器，用注射器抽出瓶內部分氣體后，關閉進氣管處的調速器，瓶內形成封閉的負壓狀態，將下面的軟管浸入有色水中，打開下面的調速器，有色水沿輸液軟管逆流而上流入瓶內，效果如圖2所示。

提出問題：“水往低處流”是常見的生活現象，老師不用抽水泵，卻能讓水往高處走。請仔細觀察實驗現象，并提出你的問題。

開發說明：“打點滴”是學生熟悉的生活情境，但學生對其中蘊含的物理知識并不十分了解。實驗所用的物品均可在衛生室免費獲取，同時器材的制作簡單，操作方便，可以節約師生的時間成本，實現低成本開發實驗資源。實驗中，將抽氣操作前置，既能引出大氣壓的作用，又有利于破除學生的錯誤認知“飲料是被吸上來的”，同時還自然地引入了本節課的重要器材——注射器。

引入設計既要“有意思”，又要“有意義”。“有意思”指向情感體驗，強調趣味性和制造懸念，通過引發“水為什么逆流而上”這一認知沖突，激發學生的好奇心，引導學生提出科學問題“是什么力量使水向上流”；“有意義”指向價值追求，通過學習使學生能夠分析并解決一些身邊的實際問題。

4.2 任務二：尋找神秘力量

演示實驗：“咒語”壓扁瓶子

實驗目的：尋找大氣壓力，破除封建迷信。

實驗原理：用燃燒法趕出瓶內部分空氣，制造瓶內外壓強差，使瓶被大氣壓扁。

器材準備：帶蓋塑料瓶、打火機、半張紙巾（事先寫個“扁”字）。

實驗操作：教師將半張紙巾折成細條狀，用打火機點燃，燒旺后投入瓶中，稍后蓋上瓶蓋，瓶子前后效果如圖3所示。

提出問題：老師僅用一條咒語，就能把瓶子壓扁，請仔細觀察。難道老師擁有“神秘力量”？是誰壓扁了瓶子？請大家開動腦筋，尋找“神秘力量”。

教師引導，學生嘗試：用加熱的方式趕出瓶內部分空氣（熱脹），瓶內氣體變得稀薄，而外界環境的氣體狀態沒有改變。紙巾熄滅后，瓶內溫度降低，氣體體積縮小，外界環境的氣壓大，瓶內的氣壓小，瓶子被壓扁（這就是拔火罐原理）。可見，只有內外氣體形成壓力差時，大氣壓力的效果才能顯現出來。開始時，內外氣壓是一樣的，所以瓶子沒有被壓扁。大家還有沒有其他辦法趕出瓶內的空氣，制造壓力差？（熱水法、抽氣法等）

開發說明：用常見的塑料瓶做實驗，節約成本，方便快捷，可重復性強，對大氣壓力的呈現更為直接。

通過“‘咒語’壓扁瓶子”小實驗，能夠激發學生“學科學”“用科學”的興趣，破除迷信思想；通過開放性問題的設計，可以培養學生的發散思維。

4.3 任務三：體驗氣體壓力特點

分組實驗：隔空傳力

器材準備：兩個20mL的注射器、帶滴壺的軟管和調速器。

器材制作：將兩個注射器（去掉針頭）連接在帶滴壺的軟管兩邊，其中一頭連接調速器。

實驗1：體驗氣體的力量

實驗操作：將未連接調速器的注射器拉到最大刻度處，將另一頭的調速器關閉，讓滴壺與注射器相連，如圖4所示。請一位同學用力捏住滴壺，另一位同學用力推動活塞，捏住滴壺的同學能感受到滴壺向各個方向的強大回彈力。

開發說明：固體與液體都是可見的，其壓強也易于理解，但對于看不見的氣體，需要通過它對接觸的物體所產生的各個方向的壓力，來間接讓學生體會到氣體壓強的存在。

實驗2：體驗氣壓的傳遞

實驗操作：將實驗1中的調速器打開，讓兩個注射器連通，推動一個活塞，感受另一個活塞的受力；還可以把兩個活塞在連通的情況下，都拉到最大刻度處，猛推其中一個活塞，去發射另一活塞，體驗“氣槍”的感覺。

開發說明：氣體與液體一樣，都有流動性，都可以傳遞壓力。

實驗3：探究活塞承重能力

實驗操作：拔掉一個注射器，用調速器充當與大氣連通的開關。

提出問題：

（1）與大氣連通或不連通，哪種情況下活塞承重更大？為什么？

（2）將活塞推到底，把調速器關閉，這種情況為什么能承受更大的拉力？（見圖5）

（3）用大號注射器（如500mL），并用調速器封閉一端的小孔，讓學生嘗試拉動注射器。又會產生什么現象？

開發說明：

（1）引導學生以活塞為研究對象，嘗試分析其受力，隨著活塞的運動，封閉氣體體積發生變化，從而導致內部氣體壓力的變化，而外部環境的氣體是穩定的，可以用疏密不同的點來表示氣體的疏密，以此來有效地降低學生理解難度（忽略摩擦與重力），如圖6所示。

（2）活塞推到底，排出注射器內的全部氣體，內部近似真空，忽略內部氣體壓力，拉力與大氣壓力近似相等，所以更難拉動，可以用這種辦法估測大氣壓力。

（3）拉動大號注射器活塞（見圖7），讓學生體驗到強大的大氣壓力，并自然過渡到馬德堡半球實驗，同時引出受力面積這個重要概念，從而有效地降低估測大氣壓強的難度。

開發說明：用注射器開發系列進階性低成本實驗，讓學生親身體驗到氣體可以對其他物體產生各個方向的壓力，也可以傳遞壓力，為估測大氣壓強的數值做好鋪墊。

4.4 任務四：估測大氣壓強

分組實驗：估測大氣壓強

器材準備：20mL的PVC注射器（容積太小誤差會較大）、裝水的大號塑料袋（用水的重力代替彈簧測力計的拉力）、細鐵絲、刻度尺。

實驗操作：

（1）把注射器推至底端排盡空氣，用打火機熔化并封閉注射器的小孔（一是為了避免漏氣，二是為了排盡小孔內的空氣）。

（2）用細鐵絲把大號塑料袋纏繞在活塞軸上，向塑料袋內逐漸加水，直到活塞向下緩慢滑動一段距離后，停止加水（見圖8）。

（3）兩次站在家用體重秤上，一次手拎加水的塑料袋，一次手拎空塑料袋，比較兩次體重秤讀數的差異，從而測得水的質量為2.9kg（見圖9），算出其重力為28.42N，近似等于活塞受到的大氣壓力。

（4）再用刻度尺測出20mL刻度對應的長度為7cm（見圖10），用公式計算得出大氣壓強p0的值為 0.9947×105Pa。

開發說明：對于大氣壓強的估測，本文運用學生生活中的物品，從以下個方面對教材實驗進行優化，一是改用20mL的PVC注射器，減小了因大氣壓力過小而造成的測量誤差；二是改用水袋重力提供拉力，可以連續增減水量，不受彈簧測力計量程限制；三是用打火機熔化小孔的方式封閉注射器，能將小孔內氣體盡量排凈，提升實驗精度；四是借助前面的實驗，對明確研究對象、分析對象受力、確定受力面積三個難點做鋪墊，學生通過自己動手，在家也能粗略地測出當地大氣壓的數值，再通過天氣預報查詢對比，從而提升了學習的成就感。

4.5 任務五：解釋引入實驗“水的逆流”

教師引導，學生嘗試：用注射器抽取瓶內部分氣體，使瓶內氣壓低于外部大氣壓，在壓力差的作用下，水會沿輸液管上升。如果瓶內是真空，那么外部大氣壓就會托起更多的水，形成更高的水柱，因為此時瓶內幾乎沒有氣體產生反向壓力，大氣壓力的作用效果會更加明顯。

那么，大氣最多能托起多高的水柱？在羅馬時期，人們就注意到這個問題，當時意大利礦井工人，發現用抽水機抽水，水最多升到10m高，之后便不再上升。怎樣解釋這個現象呢？托里拆利大膽地提出了自己的想法：“抽水機水面上升的現象可能是空氣壓力作用的結果。”如果用水做實驗，必須用一根至少10m長的管子，實際操作中極為困難。經過思考，最終他選用了比水密度大13倍的水銀進行實驗。^［3］播放實驗視頻，讓學生知道一個標準大氣壓的數值。

出于對學生安全因素的考慮，托里拆利實驗不適合在課堂上完成，但實驗的原理和設計思路包含著豐富的物理方法，在解釋實驗原理的同時，給學生介紹這段很有意義的物理學史，可以增加學生對科學的向往。

5 低成本物理實驗的開發原則

本文開發的所有實驗，均是利用學生身邊的物品，真正做到不花錢或少花錢，這樣做的目的一是降低實驗成本，二是拉近物理與學生的距離，引導學生用物理的眼光觀察生活，用物理的思維解決生活中的真實問題。值得注意的是，低成本物理實驗的開發還應遵循一定的原則。

5.1 簡單性原則

實驗的教育價值與其復雜程度成反比。實驗的設計應該力求簡單，包括器材容易獲取、制作簡單、操作方便。只有足夠簡單，才能真正地實現減負，使有效的實驗教學成為新的常態。

5.2 問題性原則

問題是思維的靈魂，沒有問題就沒有思維。正如愛因斯坦所說：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許只需要數學

或實驗的一個技巧，而提出新的問題，卻需要創造性的想象力。”如何才能提升學生的思維與提問能力呢？教學設計應借助低成本實驗，給學生創設真實的問題情境，讓學生想問；營造寬松、民主的課堂文化氛圍，讓學生敢問；多設計針對性、趣味性、遞進性的問題，讓學生學著問。^［4］本節課以遞進性的問題引導學習步步深入，實現深度學習。

5.3 實踐性原則

基礎教育課程改革致力于使學生的學習盡可能“還原”人類的實踐活動，讓學生“重演”人類知識的探究和應用活動。^［5］本節課基于遞進性的問題，借助低成本實驗，設計了一個個實踐性任務，引導學生“做中學，學中思，思中創”。

5.4 進階性原則

實驗的目的是創設真實的情境，基于情境來設計問題。好的設計總是以遞進性的問題串展現的，所以實驗之間力求相互關照，遵循進階性原則。本節課主要通過注射器，使學生體驗大氣壓、探究大氣壓、測量大氣壓，在教學過程中應盡量保持情境的一致性。

5.5 趣味性原則

實驗的重要功能之一就是激發學生的學習興趣，所以盡可能設計一些有違常規的真實情境，如“水的逆流、有孔不漏”等，借此制造懸念，激發學生的求知欲。

參考文獻

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