(西南大學科學教育研究中心,重慶 400715)

當前,培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)已成為課程改革的主要內容,物理學科核心素養(yǎng)由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”“科學態(tài)度與責任”四個方面構成。如何在物理課堂教學中落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標,是課堂教學需要不斷探索的問題。本研究以“流體壓強與流速的關系”為例,優(yōu)化教學設計和物理實驗,以此來詮釋良好的教學與實驗設計在培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)方面的重要意義。

1 教學設計思路

“流體壓強與流速的關系”是人教版物理八年級下冊第九章的內容,是在“液體的壓強”和“大氣壓強”的基礎上,對壓強概念和相關原理認識的拓展。本文通過“隔杯吹蠟燭”的創(chuàng)新實驗引入,在經典“吹紙張”的實驗中,創(chuàng)設激發(fā)學生認知沖突的問題情景,鼓勵學生大膽猜想,進行探究驗證，得到實驗結論。最后,通過對吸塵器的工作原理的介紹,將本節(jié)課的知識融會貫通,讓學生領略用物理知識解決實際問題的巨大魅力。

2 流體壓強與流速的教學設計

2.1 情境導入,提出疑問

教師拿出一支點燃的蠟燭,向全班同學提問:如何才能使蠟燭熄滅？學生回答：吹氣,用水澆滅。教師繼續(xù)提問:如果要讓蠟燭吹不滅,又該怎么辦？然后教師拿出一張小紙片,隔著小紙片吹氣(如圖1),觀察到蠟燭會熄滅,學生解釋:可能是紙片太小擋得不夠嚴實。教師拿出一個玻璃杯,請幾位同學檢查玻璃杯是否有“洞”,發(fā)現玻璃杯完好無損,把點燃的蠟燭放進去,對著杯底吹氣,蠟燭還會熄滅嗎(如圖2)？學生回答：蠟燭不會熄滅。教師演示隔杯吹蠟燭,發(fā)現放在杯子里的蠟燭被吹滅，為什么？由此引入新課內容。

圖1

圖2

設計意圖:以學生已有的生活經驗和原認知為生長點,引入一個能引起學生認知沖突的問題情景。從一個吹蠟燭的生活情境出發(fā),轉而探討如何才能使蠟燭吹不滅,從隔著紙片吹氣到隔著杯子吹氣,逐漸遞進。到隔著沒有“洞”的玻璃杯杯吹氣時,蠟燭居然熄滅了,給學生留下了深刻的印象,讓學生帶著懸念進入課堂,從而激發(fā)學生對物理原理探索的興趣。

2.2 理解概念,逐步深入

由空氣和泉水圖片,引出流體、流速的概念。前面我們已經學習過液體內部壓強和大氣壓,它們都是流體靜止時的壓強。當流體處于流動狀態(tài)時又會發(fā)生怎樣的現象？展示小車駛過,樹葉飄動的圖片,引發(fā)同學們思考。

設計意圖:從身邊的物理現象入手,鞏固舊知,引出新的概念,引入本節(jié)課將要探究的內容。將流體流動的流速與壓強結合起來,為學生進行有依據的科學猜想奠定基礎。

2.3 觀察發(fā)現,提出猜想

圖3

教師拿出平行自然下垂的兩張紙,通過往它們中間吹氣的辦法(如圖3),來改變氣體的流速,請同學們猜想紙片會發(fā)生怎樣的變化？教師向兩張紙中間吹氣,學生仔細觀察。

提出問題:為什么向兩張紙中間吹氣的時候,紙張反而向中間靠攏？

教師引導學生從現象入手,通過紙張受到的壓力進行分析,得出氣體壓強與流速的猜想。

設計意圖:教師創(chuàng)設能引發(fā)學生認知沖突的問題情景,打破學生原有認知平衡,學生開始對自己的觀念產生疑點,迫切要求改變原有觀念以求得新平衡,[3]通過觀察“吹紙”的現象,在此基礎上進行猜想,從而喚起學生科學探究的欲望。

2.4 設計實驗,進行探究

(1)驗證猜想

圖4

實驗裝置:3個標有A、B、C的透明塑料管、3個乒乓球,將乒乓球放在塑料管中,3個乒乓球保持在同一豎直線上(如圖4)。

教師通過電吹風吹氣,來改變乒乓球右側空氣的流速,如果乒乓球右端的壓強發(fā)生變化,那么它還能靜止嗎？學生回答:不能，乒乓球會向左或向右發(fā)生運動。可以從乒乓球的運動方向來判斷壓強的變化，如果用電吹風吹塑料管右端的時候,請同學們猜測一下,乒乓球會往哪個方向運動？

教師用電吹風豎直向下吹塑料管右端,學生觀察實驗現象。

學生觀察到乒乓球往右運動,這是為什么？

教師引導學生對實驗現象進行分析,乒乓球向右運動,說明右邊的壓強減小,左邊的壓強不變,產生向右的壓力差,把乒乓球往右壓出,從而得出實驗結論。

設計意圖:引導學生體驗探究活動,通過學生觀察、理性分析,提升學生的思維品質。本實驗用電吹風吹氣來改變氣體的流速,教會學生利用轉換法,通過觀察乒乓球的運動情況,來判斷大氣壓的變化情況，并得到氣體壓強與流速的關系。

(2)深入探究

當老師打開電吹風的一瞬間,三個乒乓球并不是同時運動出來,而是離吹風口近的A管中的乒乓球最先出來,教師提問:這是什么原因引起的？引導學生從空氣流速不同的角度進行回答，再提問:空氣流速的不同又該如何判斷？

教師進行實驗演示，所用裝置為紙風車、鐵架臺、電吹風。

圖5

教師采用學生童年玩過的紙風車,紙風車的轉動快慢與風速有關。教師將電吹風和紙風車固定好后放在同一水平線上(如圖5),移動紙風車時,請同學們注意觀察紙風車的轉動快慢情況，觀察到在離吹風口近的地方,紙風車轉動得快,空氣流速較大。進而想到A塑料管右側空右側空氣流速快，壓強較小,所以A塑料管中的乒乓球左右兩端的壓力差也就越大,它就先從塑料管中運動出來。

設計意圖:從學生的認知經驗出發(fā),設計出富有新奇感的趣味實驗,可獲得良好的教學效果。[4]對于不可見的空氣流速,通過紙風車的轉動情況,來進行定性描述,再進一步對實驗現象進行分析、解釋,從而達到融會貫通、學以致用的目的。

(3)類比推理

學生利用放置在桌面上的實驗器材,探究液體壓強與流速的關系,實驗器材包括:裝有水的水槽、兩只小船、注射器。學生設計實驗，探究液體壓強與流速的關系,從而得出結論。

設計意圖:對于液體壓強與流速的關系,學生類比氣體壓強與流速的研究方法,教師鼓勵學生自己動手設計實驗探究、觀察現象、歸納分析、得出結論,讓學生體驗科學探究過程,培養(yǎng)科學探究能力。

2.5 拓展提高,解釋應用

(1)揭秘奇跡

圖6

教師對著水杯的杯底吹氣時,杯身和杯口上方的空氣流速增大壓強減小,杯內的氣壓大于杯口外側的氣壓,杯內的空氣在壓強差作用下就會向外流,蠟燭就是被這股急劇向外流出的氣體給熄滅的。

(2)簡易吸塵器

教師向同學們展示自制教具，學生觀察到紙盤中的碎紙屑都被吸到塑料瓶里(如圖6),教師提問:這實際是什么裝置？學生回答:簡易吸塵器。老師請同學在課后思考它的工作原理，并鼓勵感興趣的同學自己動手制作。

設計意圖:首尾呼應,活學活用,隔杯吹蠟燭的神秘之處在于應用了氣體壓強與流速的關系,與學生的生活經驗和認知相沖突,從而激發(fā)了學生的學習興趣。物理從生活中來,再到生活中去,對簡易吸塵器工作原理的解釋,使學生體會到物理就在身邊,并加深學生對流體壓強與流速的關系的理解,從中體會到學習物理的樂趣。

3 教學反思

“流體壓強與流速的關系”與人們的日常生活密切相關,許多現象都可以運用這個原理來解釋,大多數老師在上課的時候,會選擇一系列的小實驗來得到結論,這樣的課堂看似有趣,學生們很喜歡參與其中,但是卻缺乏科學探究的體驗,不利于學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展。而本節(jié)課的創(chuàng)新之處在于讓學生通過提出問題、猜想、觀察、實驗探究、驗證、應用等步驟,經歷完整的科學探究過程,在學習科學知識、訓練技能的同時,學生的科學探究能力、科學思維也得到培養(yǎng)和發(fā)展。

本節(jié)課的另一個創(chuàng)新之處在于創(chuàng)設激發(fā)認知沖突的問題情境,從而使學生產生解決矛盾的迫切心理,調動學生學習的主動性和積極性,使學生在提升物理技能的同時,培養(yǎng)對科學的興趣。從課前“隔杯吹蠟燭,會不會熄滅”到課中“吹紙張、紙張會向兩邊分開還是會向中間靠攏”的實驗,學生通過生活經驗和知識在頭腦中已有答案,而當學生發(fā)現與呈現在眼前的物理現象不吻合時,鼓勵學生大膽猜想,讓學生成為實驗探究的真正主人,帶著問題進行觀察和思考，從而培養(yǎng)了學生的科學探究能力。