创新实验教学 发展学生科学思维

陆丁 张利国 冯爽

摘 要：本文以“大气压强”的教学为例，探究培养学生“科学思维”形成的路径：通过课堂引入和感知大气压强存在环节，培养学生的模型建构能力;通过大气压强的测量环节，培养学生的科学推理和科学论证能力;通过利用大气压强知识解决真实的问题，培养学生的质疑创新能力.

关键词：大气压强;核心素养;创新实验;科学思维

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）22-0055-04

基金项目：北京市海淀区教育科学“十三五”规划重点课题“通过中学物理实验发展学生科学思维的实践研究”（项目编号：HFGH20190054）;北京教育学院“物理课程论”课程建设教育教学改革项目研究成果;北京教育学院“HPS教育范式在中学物理教学中的实践研究工作室”卓越教师工作室研究成果;北京教育学院2021年度一般课题“中小学线上线下混合式教学现状与模式研究”.

作者简介：陆丁（1986-），女，河北石家庄人，博士，研究方向： 物理学科教学;

张利国（1977-），男，黑龙江人，本科，中学高级教师，研究方向： 物理学科教学;

冯爽（1982-） ，女， 河南人，硕士，副教授，研究方向：物理教学、物理教师培训.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确物理课程的基本理念：注重体现物理学科本质，培养学生物理核心素养，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等方面提炼学科育人价值，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生终身发展、应对现代和未来社会发展的挑战打下基础.其中“科学思维”是学生从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程;是分析综合、推理论证等科学思维方法的内化;是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质.物理学科核心素养中的“科學思维”包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素.新课程改革倡导对物理学科的全面理解，包含物理学前沿发展、物理思维方法、物理与社会和生活、物理规律的适用条件、双刃剑作用及科学本质的认识等等.这就对教师提出更高的要求，教学也需要多元的教学方式.在我国目前教育的整体改革背景下，教师应当注重在教育教学中渗透对学生核心素养的培养.对于初中生来说，他们正处于人生观、世界观的形成阶段，教师通过教学提高学生的核心素养有利于学生形成正确的价值观.

本文以“大气压强”的教学为例，探讨培养学生“科学思维”的形成的路径.“大气压强”这一节是北师大版初中《物理》八年级下册第八章第四节的教学内容，义务教育课程标准对本节课的要求：“2.2.8知道大气压强及其与人类生活的关系.”本节课既要使学生感知大气压强的存在，还要使学生知道大气压强在人类生活中的应用，因此本节课可以分为“大气压强的存在”“大气压强的测量”“大气压强与人类生活的关系”三个部分.这既是对液体压强知识的延续拓展，又是为学生学习流体压强和高中气体性质做铺垫.本节课不但从内容上与前面所学的固体压强、液体压强共同构成一个相对完整的体系，而且在培养学生认知能力方面也与前几节内容衔接得很好.

1 通过课堂引入和感知大气压强存在环节，培养学生模型建构能力

“模型建构”作为一种认识手段和思维方式，是学生根据研究问题和情境，在对客观事物进行抽象和概括的基础上构建易于研究的、能反映事物本质特征和共同属性的理想模型、理想过程和物理概念的过程[5].

在课堂引入环节，教师利用“隔空喝饮料”的小魔术（如图1所示），激发学生学习兴趣，使学生产生认知冲突，激发他们的好奇心和求知欲，使学生产生探究欲望.

本环节使用的杯子由两个杯子套在一起，内部的杯胆底部开了小孔，外部杯子的上部侧壁开了孔，只要将侧壁的孔堵住，液面就不会下降.松开手后，由于与外部空气相通，液柱迅速下降，就像被喝掉一样（如图2所示）.

在此基础上，教师演示覆杯实验，并设置如下的思考问题.

问题1：大家看杯子里的水为什么没有流出来？纸片好像被托住了一样，是什么在托着纸片？

问题2：将杯子向各个方向转动，纸片都不会掉下来.猜想：大气压强的特点？

问题3：请大家对比液体压强产生的原因，思考大气压强产生的原因是什么？

学生经过刚才的思考，已经对“大气压强”的概念形成初步的认识，教师提前在桌子上准备好吸盘、吸管、滴管、装有红墨水的烧杯、注射器和测力计等实验器材（如图3所示），请学生利用这些器材找出与大气压相关的现象.

教师利用投屏技术展示学生的实验：有的同学在用吸管吸水，有的同学在用注射器吸红墨水，有的同学将吸盘按压到桌子上，有的同学试图用吸管吸取烧杯里的红墨水（如图4所示）.

教师再通过视频介绍历史上最著名的证明大气压存在的实验——马德堡半球实验后，请同学演示橡胶马德堡半球实验.两位同学上台试图将橡胶马德堡半球拉开，但是将皮碗拉环拉至变形，也没有将皮碗拉开.教师从中间掀开，轻轻用力一拉，就将两个皮碗分开.教师设置如下问题，试图启发学生们分析其中原理.

问题1：为什么两个皮碗很难被拉开？

问题2：为什么老师从中间掀开，轻轻用力一拉，皮碗就分开了？

大气压强虽然普遍存在，但在日常生活中如果不善于观察，却并不能真切地感受到它的存在.因此，教师在本环节设计一些实验证明它的存在：从覆杯实验入手，让学生初步感知大气压强，也为后续大气压强的测量中的受力分析做好铺垫;通过让学生自主探究，利用给定的实验器材充分感知大气压强的存在;再请同学体验橡胶马德堡半球实验，感受大气压强的力量，从而引出大气压强的测量.本环节“大气压强”的模型建构过程有助于学生抓住事物的关键要素，加深对概念、过程和系统的理解，形成系统思维，培养学生在真实情境中建构模型的能力和意识 .

2 通过大气压强的测量环节，培养学生科学推理和科学论证能力

“科学推理”不仅包括逻辑上的归纳推理、演绎推理和类比推理，而且包括分析与综合、抽象与概括、比较与分类等思维方式，还包括控制变量，即组合推理、概率推理、相关推理、因果推理等推理形式.中学生应能正确理解和运用上述科学思维方法，从定性和定量两个方面进行科学推理找出规律，形成结论.“科学论证”是以科学知识为媒介，对所获取的数据资料进行解释说明，提出自己的观点.中学生应该具有使用科学证据的意识和能力，能运用证据对所研究的问题进行描述、解释和预测.

本环节从覆杯实验入手，分析纸片不掉落的原因.教师通过演示不同长度的试管（20cm，1.2m）（如图5所示），将试管中灌满水并倒扣在水槽中，请同学观察试管中的水是否流出，并分析原因.

学生通过实验，加以分析后发现，只要玻璃管中的液体产生的压强比大气压强小，水柱就不会下降.教师再次提出问题：若取一根足够长灌满水的玻璃管，会出现什么现象？教师播放视频“大气压強能支持多高的水柱”，此时学生已经逐步意识到只要试管中液体的压强和外界大气压相同，液面就不会下降.

教师播放视频“托里拆利实验”，并请大家思考这几个问题：

（1）实验开始时水银为什么下降？

（2）后来水银柱为什么静止而不再继续下降？

（3）试管内水银柱的上方是真空还是空气？

（4）水银柱产生的压强是多少？如何计算？

（5）大气压的值是多少帕？

教师通过设置以下的问题，有意识地引导学生从受力分析的角度解释其中的原因.

问题1：我们要从受力的角度来进行分析，选取什么作为我们的研究对象？

问题2：它受到哪些力的作用？

学生通过对液片进行受力分析，明确试管中的水银柱对液片有向下的压力，大小为试管中水银柱的压强乘以受力面积.周围的大气会作用在水银液面一个向上的压强，由于液体能将大气压向各个方向传递，这个压强会通过水槽内的水银传递给液片的下表面，因此液片下表面受到向上的大气压力.这个大气压强等于水银柱产生的压强，所以水银柱不会下降（如图6所示）.

学生通过分析发现，试管中液体压强等于外界大气压强，由此可以将大气压强的测定转化为测定液体压强，也就是760mm水银柱产生的压强：

p0=p液=ρgh=13.6×103kg/m3×9.8N/kg×0.76m≈1.01×105Pa

在此基础上，教师请同学们利用桌上的实验器材自己测量大气压强值，有的同学选吸盘和测力计，有的同学选注射器和测力计，教师请同学评估所选器材的优劣，并引导学生设计实验方案.学生经过讨论后，确定所选实验器材和方案如下：将注射器的活塞推到注射器的底端，这样做的目的是排尽筒内空气，然后用手指堵住注射器的小孔，水平缓慢拉动测力计，当测力计示数不再变化时，记下测力计的读数F1即为大气压力（如图7所示）.

教师提前测量好注射器的横截面积，请大家动手测量教室内的大气压强值.

学生通过测量发现测量的大气压强值比标准大气压偏大，教师请学生分析本实验的误差来源，并提出改进意见，如测量出滑动摩擦力的大小，并重新计算出更准确的大气压强值.

学生通过橡胶马德堡半球实验已经感受到大气压强的力量，在此基础上，测量出大气压强的数值就更是顺水推舟.本环节大气压强值的测量包括两部分，即历史上托里拆利实验测量的标准大气压值，以及学生亲自动手测量教室内的大气压强值.教师通过对小试管中的“假想液片”这一理想模型进行受力分析，引导学生利用二力平衡原理和液体压强的公式，分析水银不下落的原因，为托里拆利实验中将实验目标转换为测量液体压强做好铺垫.托里拆利实验是本节课的教学难点，难在学生不能理解水银柱底端的液片没有与大气接触却受到大气压力的作用，且p水银=p大气.这就涉及到液压传动的帕斯卡定律，而这一知识不在课标范围内，学生知识储备不足，导致学生不会推导大气压强的大小.在学习大气压强的测量环节中，教师利用“转换法”可以帮助学生理解为什么可以通过测液体压强而得到大气压强.

对于大气压的测量，教材上直接给出托里拆利实验，这对学生来说在思维上的跨度较大，理解起来有难度，教师仅仅通过播放视频无法让学生真正了解托里拆利实验，无法理解利用测量液体压强的方式巧妙转换为测量大气压，学生不容易想到这些，在这里存在“思维跳跃”，因此教师要设置必要的衔接：通过换用不同长度的试管，灌满红墨水后倒扣在水槽中，水柱不会下降.通过这一系列递进实验，并结合受力分析，引发学生思考“大气压强究竟能托起多高的水柱？”学生会想到有一个具体的高度数值，但是并不知道具体的高度，教师在此基础上播放“大气压强能托起多高的水柱”的视频，使学生知道一标准大气压强能托起10.3m高的水柱.学生发现用水测量大气压，水柱太高，器材的选择、实验操作都很不方便，如何进行改进？ 学生经过分析得到：根据 p=ρgh可知，要想降低液柱的高度，应该换用密度更大的液体，因此可以选择密度最大的液体水银来做实验，很自然引出托里拆利实验.

在学生动手测量教室内的大气压值环节，将注射器在水平位置匀速拉动，排除活塞自重对实验的影响.学生发现自己估测的大气压值与真实值存在差异，师生共同讨论实验结果存在差异的原因有哪些，让学生巧妙地测出活塞与针筒壁之间的滑动摩擦力，这样不仅使学生巩固大气压的知识，还在分析和论证的过程中，培养学生的物理学习能力，使学生逐步掌握物理研究的方法，从而不断提高学生的科学推理和科学论证能力.

3 通过利用大气压强知识解决真实的问题，培养学生的质疑创新能力

中学生的质疑创新能力表现在善于运用分析、综合、抽象、概括，迅速洞察科学研究对象的本质属性和相互联系，能设计出各种简单、新颖、有效、独特实验方案.

本环节教师先请学生分析吸管喝饮料的原理，再请学生用本节课所学知识解决生产生活中的问题：帮工人师傅设计一种方法搬运大块的玻璃.学生通过分析喝饮料的过程，依据“一定质量的气体，温度不变时，体积增大，压强变小”的知识， 利用大气压比液面上方的气压大的原理，明白大气压是怎样将液体压到高处的.在面对具体的真实情境时，学生能够迅速抓住重要信息，运用分析、综合、抽象等思维方法，设计出新颖有效的实验方案（如图8所示）.

在运用大气压强知识解决真实问题的过程中，教师要促进学生对物理学认识方式和研究方法进行理解与反思，并为学生质疑创新提供思维基础，培养学生的质疑和创新能力.

物理核心素养中的“科学思维”“科学探究”是关键能力，“科学思维”是物理学科核心素养的核心内容.本文以“大气压强”的教学为例，讨论培养学生“科学思维”形成的路径.在教学中，教师可以通过分析综合、抽象与概括、比较与分类、逻辑推理等思维方法，使学生的科学思维能力得到有效提升.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京： 人民教育出版社，2018.

[2]冯爽.指向核心素养的物理单元教学设计策略研究[J].物理教学，2020，42（07）：15-18.

[3]冯爽.教研员培训的探索与创新——以一次以名著阅读为线的物理教研员培训为例[J].基礎教育课程，2020（12）： 76-80.

[4]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[5]教育部基础教育课程教材专家工作委员会.普通高中物理课程标准解读（2017年版2020年修订）[M].北京： 高等教育出版社， 2020.

[6]冯爽.普通高中物理课程标准中物理学史内容分析及教学策略构建[J].物理教师，2021， 42（04）： 21-25.

[7]黄学明，江耀基.以创新实验促进学生深度学习的教学策略研究——以“探究焦耳定律”为例[J].中学物理，2020，38（20）：6-10.

[8]韩象忠.浅谈初中物理创新实验教学[J].中学生数理化（教与学），2020（09）：56.

[9]刘兴美.创新实验教学 体验探究过程——以“大气压强”创新实验教学为例[J].中学物理，2020，38（06）：33-34.

[10]常秀玲.创新实验突破教学难点[J].中学物理，2015，33（08）：23.

（收稿日期：2021-07-11）