基于微项目学习的物理实验教学——以“探究液体压强影响因素”教学为例

宋 博

一、问题思考

物理是一门学生不仅要学，而且要能动手做的学科，《义务教育物理课程标准（2022 年版）》（以下简称“新课标”）中提出21 项学生必做实验，这些实验也在物理教材中有所体现，在平时的教学中都有学习。开展实验探究学习的目的是使学生增强对核心知识的理解，同时提升物理实践操作的能力，提升物理核心素养，落实学科育人功能。但是，由于课时限制，基本素质差异，甚至受“唯考试至上”观念的影响，在实际的实验教学中，学生往往屈从于形式而进行假探究，如不进行猜想而是直接根据教材、学案上已设计好的实验要素进行实验；跳过设计实验过程的环节而直接按照学习材料上已设定好的实验步骤或方案循规蹈矩进行操作；略过对实验数据和实验现象的分析过程而直接背诵实验结论。这样的实验探究学习就是假探究，因为缺少了发现问题、猜想假设及设计等实验环节，学生的科学思维得不到有效训练，更加缺乏质疑与创新精神。所以，物理实验教学容易出现一种现象：学生完成了实验探究，却不理解实验的过程，对探究的内容、环节以及结论进行机械背诵，在学习评价时无法有效展示对实验探究本质的理解，甚至做出错误判断，在实验的创新应用方面，更是无法结合已有实验探究知识去发现与新事物之间的联系，无法进行由知识到生活的迁移，学生不具备实践创新能力。

针对以上问题，教师尝试将微项目设计融入常规实验探究教学，借助其体量小、时间短、易操作、实践性强等优点提高实验探究学习的效果，从而实现学生对核心知识的深度学习，培养其素养，提高其实践能力和创新设计的能力。本文以“探究液体压强影响因素”教学设计为例，阐述基于微项目学习的物理实验教学设计思路。

二、微项目学习模式下的实验教学设计过程

（一）实验教学内容分析

压强是压力作用在物体上产生的一种效果，是运动与相互作用观的重要体现，是初中物理重点教学的内容之一。液体压强是压强知识体系的重要组成部分，在实际生活中有许多应用，如海底探测、潜水器制造、船闸和大坝的设计，生活中的一些连通器工具等。新课标中将探究液体压强与哪些因素有关作为学生必做实验，要求学生会利用U 型管压强计、高脚杯、水、盐水等实验器材进行实验探究。

（二）实验教学设计思路

融合微项目学习的物理实验探究教学的整体设计思路如下（见图1）。首先根据新课标中课程内容要求及教材中安排的内容进行实验探究学习；在获得结论的基础上，根据已有认知对实验任务进行改进或设计创新实验，从其他实验过程中再次体现或证明实验结论；应用掌握的知识和技能，解决生活中的问题，或设计开发新产品。

图1 基于微项目学习的物理实验教学思路

本文以“探究液体压强影响因素”实验为例，将本节课的学习分为2～3 个子任务进行。

任务一：利用U 型管压强计、（高）盛水容器、水、盐水等器材探究液体压强的影响因素；学习目标为会使用液体压强计，通过实验探究了解液体压强大小的影响因素，能够表达和展示实验的过程以及说明实验结论。

任务二：进一步利用液体压强的特点及规律知识尝试改进创新实验或制作新产品，如利用提供的器材或家中自带的器材（如软塑料瓶、吸管、弹性薄膜、美工刀、橡皮筋、胶水等），运用任务一的已学知识，设计其他能够反映液体压强大小影响因素的实验。在设计与制作过程中要积极开展动手实践，使学生学会与团队成员的共研、分享、合作和交流，强化其对液体压强概念的深度理解。

任务三：结合实际生活，尝试利用学习到的液体压强知识设计对生活、生产有帮助的功能产品，如改进普通鱼缸，设计负压鱼缸，利用液体压强知识增加鱼缸高度、美化环境等，也可以利用这部分知识与其他学科知识融合，设计利于提高生活质量或安全的建议方案，如设计一份关于潜水安全注意事项的指导报告。

（三）实验过程

任务一：学生在手上套上塑料袋，观察空气中塑料袋与手的贴合情况，然后将套有塑料袋的手放入水中，再次观察水中塑料袋与手的贴合情况，并感受液体压强的存在；提出问题，液体压强大小可能与哪些因素有关，根据现象和认知情况进行合理猜想；教师向学生介绍U 型管压强计的结构及使用方法，学生在教师的帮助下设计实验方案和实验表格，开展实验探究活动，观察现象，收集实验数据，分析和归纳，发现并总结规律。开展时间为20 分钟。

任务二：在了解液体压强特点的基础上，利用软塑料瓶、吸管、弹性薄膜、美工刀、橡皮筋、胶水、热熔胶、玻璃管、橡胶管等物品，改进或创新实验教具，自行设计其他能够探究液体压强影响因素的实验，经历方案设计、器材制作、实验验证、证据解释等实验环节，并与其他小组同学交流分享设计成果。开展时间为25 分钟。

任务一和任务二主要利用课堂时间完成。

（四）改进或创新实验教具

在任务二中的创新实验设计，选择的方案可以有多种，本文介绍两种样例作为参考。

样例1：如图2，用一个软质塑料瓶（或塑料盒），将其一端开一个口径适当的孔洞（与吸管横截面积相当），插入吸管，周围用热熔胶密封使其不漏气。将瓶内装入适量水并没过吸管口。向瓶内挤入适量空气，使瓶内水进入吸管形成一定高度的液柱，标注“0”位置。将器材浸没于水中，实验现象如图3 所示，随着液体深度增加，吸管内液柱高度越高，说明同种液体中，液体压强随着深度的增加而增大；保持液体深度一定，沿水平方向缓慢转动器材，观察到吸管内液柱高度没有发生变化，说明同种液体、同一深度处，液体向各个方向都有压强，且大小相等；保持一定的液体深度，将器材放入盐水中，发现自制器材的吸管内液柱高度变高，说明液体深度相同时，液体密度越大，产生的液体压强越大。

图2 样例1 设计图

图3 样例1 实验效果展示

样例2：如图4 所示，用橡皮管套住两端开口的玻璃管一端，用弹性薄膜封住橡皮管的另一端；从玻璃管的开口处向里注适量水，将橡皮管弯曲，使装置的两端具有一定的高度差；固定装置不动，在弹性薄膜处放置一个指针（可绕O点转动），此时标记为“0”位置。如图5 所示，逐渐向玻璃管内注水，随着液体深度增加，指针绕O点顺时针转动，说明同种液体中，液体压强随着深度的增加而增大；将管内水换成同等深度的盐水，对比指针绕O点顺时针转动的幅度，说明液体深度相同时，液体密度越大，产生的压强越大。

图4 样例2 设计图

图5 样例2 实验效果展示

（五）设计延伸

任务三：对在课堂上改进或创新的实验教具的使用效果进行评估，针对实际情况进行改进。例如，“2.4 样例2”实验教具的设计思路来源于仪表的改装。学生在使用过程中会发现如下问题，可以利用物理知识分析原因并尝试进行调整与改进。

问题1：在向管内逐渐加水增加液体深度的过程中，弹性薄膜的形变程度不是很明显。

原因分析：弹性薄膜比较硬，压力大小一定时，弹性形变量不够大；薄膜的形变是压力的作用，也可能是因为橡皮管较细，薄膜受力面积较小，液体对薄膜的压力较小。

改进方法：增加竖直方向玻璃管的高度，使液面的高度差更大，增大弹性薄膜受到的液体压强；更换粗一些的橡皮管，增大薄膜的受力面积；将橡皮管换成硬度大的塑料管或玻璃管。

问题2：为了提升实验效果，需要将支点O 靠近A 端，从而增加指针B 端的偏转幅度。但在使用器材时发现，指针会自动向左下倾斜。而且当液体压强增大时，指针顺时针转动，当液体压强再次减小时，指针A 端难以自动下降。

原因分析：由于指针受到重力的作用。

改进方法：使用轻质细杆做指针；将指针A 端与弹性薄膜用胶固定在一起，可以使指针A 端随着弹性薄膜的形变程度而自由转动。

任务四：设置驱动性问题，如怎样解决传统鱼缸能长不能高的问题，在不增加开口高度的前提下，增加鱼缸高度，提高观赏度，美化生活环境。学生可以利用液体压强知识，结合大气压原理、连通器特点等，发挥丰富的想象力，设计负压鱼缸制作原理及方案。成果既可以是制作的负压鱼缸模型，又可以用文字和图片展现设计方案。驱动性问题也可以是查阅资料了解目前社会上与液体压强相关的技术成果等。

在实验教学中融合项目式学习，学生在执行任务的过程中时间和器材、环境资源是重要因素。受课堂时间及环境因素的影响，项目式学习的所有环节并非都能在课堂上完成，这就需要教师在进行实验教学设计时注意以下一些方面：（1）实验内容先以新课标和教材中的实验探究为主，在此基础上再开展实验教具的创新或改进，考虑初中学生的认知水平及实践能力，创新实验项目最好以微项目为主，占时短、易操作；（2）实验项目可以在课堂外继续深度延展到实验方案改进、实际应用设计、调查报告制作等，如上面设计方案中的任务三和任务四均可以课后作业的方式完成，促进学生深度学习。

三、评价设计

（一）课堂评价

在实验探究教学中，对学生的操作情况、表述交流、方案设计、结论成果等进行实时评价。例如，在探究液体压强影响因素实验的任务一中，可以对U 型管压强计的使用情况进行评价，然后从形成问题猜想、设计与制订实验方案、获取与处理信息、得出结论、评估交流等方面进行过程性评价。在任务二中可以对学生的设计思路、方案制订、器材制作、演示实验效果以及交流分享等方面进行评价。评价的方式包括师生互评、学生互评、自我评价等。

（二）跨学科实践评价

教师可以对学生的设计或制作成果进行评价，还可以从学生提出问题、收集和处理信息、综合解决实际问题以及团队合作等方面的能力角度进行评价。例如，在任务三中，可以评价学生对压强知识的应用情况，对自制实验器材的改进方案进行评价；在任务四中，对负压鱼缸的设计理念和构造原理图、产品的制作效果、美观度、实用性等进行评价；也可对其他调查报告的完成情况进行评价。教师设计适当的评价量规，应注重评价学生的学习表现和学习过程。评价方式可以是产品设计报告、成果展示过程的教师口头评价、学生互评和学生自评等。

四、反思与启示

综上所述，传统的实验探究教学融合微项目学习，在进行新课标及教材中要求的实验探究并获得规律知识的基础上，利用对已有物理概念和规律的认知，尝试改进实验方法、实验步骤，设计更多实验方案或创新实验教具，用新的实验过程展现物理规律，加深对知识的深度理解。同时利用已有知识解释或解决生产生活中的实际问题。这种教学模式能够夯实基础知识，促进学生深度学习，形成解决问题的物理观念和知识体系，同时还能提升实践创新能力。