创新实验教学 培养学生的科学思维①——以“大气压强”教学为例

张大明 刘信生

(1. 安徽省合肥市庐江县第四中学,安徽 合肥 231500；2. 安徽省合肥市庐江县龙桥镇初级中学,安徽 合肥 231551)

《义务教育物理课程标准(2011年版)》要求学生在进行实验探究、收集证据、分析问题和解决问题时要尝试运用科学知识和科学研究方法，逐渐形成独立思考、敢于质疑、尊重事实、勇于创新的核心素养和优良品质。然而，在新课改大环境下，出现了创新实验“量大质低”的现象，弱化了学生科学思维能力的培养。笔者在教学中优选、创新实验素材，运用“玩”“学”“悟”“用”的进阶性教学策略，着重培养学生的科学思维及创新能力，下面以“大气压强”的教学为例进行探讨。

1 创设魔术情境，设疑激趣

如图1所示，教师表演“隔空吸饮料”魔术，一手拿出一满瓶的可乐饮料向学生展示，并说明这是“很普通”的可乐瓶。先拧下瓶盖，另一只手取出一支自制的吸管，不用将吸管插入饮料瓶中，将其放入嘴里一吸，在听到“呼哧……”几声后，这支“神奇”的吸管就把瓶中一半饮料“吸”进嘴里了。学生们都很纳闷，觉得有点不可思议。这时教师顺势提问：“瓶中的饮料怎么就凭空没了？想弄清楚其中的奥妙吗？学习了大气压强一节后，就能知道其中的道理了。”通过魔术表演吸引住学生的注意力，很顺利地进入新课教学。

图1

设计意图：对于教学中常用的“钢笔吸墨水”“瓶吞鸡蛋”“密闭铁皮罐加热后变瘪”等演示实验，学生通过预习，看过相关视频、图片，对此早已熟悉，无法激起他们的学习热情。利用一些“违反”生活常识的实验，可打破学生的常规思维和内心的平静，产生认知冲突，激发他们的好奇心和求知欲。适时提问，引发学生的思考，使学生产生探究的渴望。

2 设计实验竞赛，在“玩”中学

在“大气压强存在”这个知识点的教学中，我们通常利用教材中常见的实验，如“覆杯实验”等来演示，学生觉得平淡无奇，笔者在教学中对实验进行了创新。

给同学们提供足球、熟鸡蛋(已去除蛋壳)、乒乓球拍、玻璃瓶、玻璃杯等，请同学上台表演与大气压相关的实验。同学们个个跃跃欲试，都想展示一下自己的本领。一位同学在玻璃瓶中装满水后把鸡蛋放在瓶口，用手按住蛋，瓶子倒过来后，松开按压鸡蛋的手，鸡蛋没有掉下来，实验取得成功(图2)，另一位同学则把乒乓球拍放在装满水的玻璃杯口，倒置后，乒乓球拍和水都不掉下，全班响起热烈的掌声(图3)。

图2

图3

设计意图：创设富有挑战性、竞赛性的创新实验，吸引学生参与其中，对调动学生的学习热情很有好处，由于足球最重，挑战的难度最大，所以每一步骤都要求学生全神贯注、精益求精，稍有不慎就会前功尽弃。在“玩”实验的过程中，感受科学的魅力，顺利完成实验后学生有满满的成就感。

3 在“学”中提升学生的科学思维能力

在完成一系列的大气压强存在实验后，学生对大气压强的大小产生了浓厚的兴趣，都想测量大气压值，受现实条件的限制，托里拆利实验无法进行分组操作。师生共同制作教具，利用注射器结合定滑轮在水平方向拉动活塞来测量大气压强值。

实验器材：注射器、橡胶密封帽、定滑轮、数字测力计、刻度尺、塑料小桶、细线、薄铝片、装有细沙的塑料桶、铆钉、染色的水等。

实验步骤：(1) 如图4所示，将注射器固定在小桌中间，在桌边固定一只定滑轮,细线的一端系住注射器活塞,另一端系在小桶上。

图4

(2) 将活塞推至注射器筒的底端后放手，发现活塞静止不动，这时候，将沙子轻轻放至小桶中，直至能拉动活塞，取下小桶，用测力计称出物重G1。

(3) 用注射器吸入小瓶内少量的染色水，再次慢慢将活塞推至注射器筒的底端，保证在针口孔道内可以看到染色水，这样排净筒内的空气后，用橡皮帽封住注射器的前端小孔。

(4) 再次在绳端系好小桶，继续向小桶中添加细沙，至活塞开始做运动时，停止添沙子，取下小桶，用测力计称出其总重G2，则大气对活塞的压力为F=G2-G1。

设计意图：首先选择将注射器固定在水平位置匀速拉动，排除了活塞自重对实验的影响；在测量大气对活塞的压力前，巧妙测出了活塞与针筒壁之间的滑动摩擦力是实验的亮点；使用增加细沙的方法替代加挂钩码来测量大气压力，使拉力能连续增加，大大减小了实验误差；在针口通道封有水的情况下，更能保证针筒接近真空状态。

4 在“悟”中把握规律，提升学生的思维品质

生活中运用大气压强知识的例子无处不在，针对这些天天“露脸”的物理现象，学生受到错误前概念的影响，不一定能准确运用物理原理解释清楚，所以教师必须优化实验,突破难点。

教师出示一只气球，吹入少量空气后再用细线扎紧。

师：如何让这只气球能鼓起来？

生：放到温水里面，放到真空里，想办法减小气球外面的大气压。

师：很好！下面就来尝试减小气球周围的大气压的方法。这是一个大号的拔罐器(图5)，先将气球放置在乒乓球拍上面，再将拔罐器罩在气球外面，用抽气筒将拔罐器内的空气向外抽，大家仔细观察气球的体积变化。

图5

生：抽气的次数越多，气球越大。

师：你能用刚学过的大气压力知识解释吗？

生：抽气使气球外部气压减小，球内的气体向外挤压气球，气球也就鼓起来了。

师：一个标准大气压强是非常大的，这么大的压强作用在人体表面怎么没有把人体压扁了呢？同学们能解释下为什么吗？

生：由于人体内部也有空气，内外气压同时作用在人体上，相互平衡，所以身体感觉不到。

师：这也是宇航员在太空中遨游时一定要穿上宇航服的原因，试问：假设宇航员在太空中没有穿上宇航服，那么宇航员有哪些危险呢？大家说说看。

生：宇航员在真空中，体外的气压为零，体内气压仍然很大，所以宇航员的肺泡、血管、耳膜等会向外膨胀而破裂，能导致死亡。

设计意图：通过师生互动交流，能让学生从真实的探究活动出发，“悟”出隐藏在客观事物背后的本质属性和内在规律，让学生基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法的内化。[1]在此基础上运用逆向思维进行质疑、批判，从而提高学生的思维品质。

5 在“用”中升华志趣，用科学改变生活

物理学习注重“学以致用”，应该让学生在新旧知识的相互联系中产生迁移、应用，使自己的志趣、爱好得到升华，运用物理知识做小发明，用科学改变生活。

图6

最后,揭秘“隔空吸饮料”，如图7所示，事先选一瓶有不透明包装纸的可乐饮料，将饮料倒出备用，在瓶壁包装纸靠下的地方开个小孔，将气球通过小孔慢慢塞进瓶中，气球开口露在瓶外，再用玻璃胶将孔口固定在瓶壁上，将可乐倒入瓶内至包装纸的上边缘为止。用嘴对着瓶口用力吸饮料，在外界大气压强的作用下瓶内的气球会膨胀，将饮料抬高至瓶口位置，此时立即用手堵住气球在瓶外的孔口，盖紧瓶盖后放置在桌上备用。表演时，注意用手指堵住气球孔口，再打开瓶盖，当嘴里含着吸管在空中表演吸饮料动作时，堵住气球小孔的手慢慢松开，气球瘪了，可乐液面随即下降。至于吸管中有“呼哧”的声音，只要做个双层吸管，夹层放少许饮料就可以。

图7

6 结语

物理是一门非常重视思维的课程，可以说物理是思维的体操。[2]正处于青春年少的初中学生有时候感到物理难学，并不是因为他们缺少学习的热情，他们缺的是科学的思维方法。教师精心优化、创新实验，让学生在探究实验的过程中，手脑并用，经历分析与综合、抽象与概括、比较与分类、推理与论证的科学方法训练。实施“玩——学——悟——用”的教学策略，提升学生的科学思维能力。[3]