摘 要：本文基于物理核心素養(yǎng)對初中階段探究實驗的重要性作了闡述，并且以“估測大氣壓的值”實驗為例，尋找破解實驗重難點(diǎn)的方法.筆者以變異對照圖示和問題鏈作為橋梁來設(shè)計探究實驗，以達(dá)到提升學(xué)生思維品質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的目的.

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);探究實驗;變異對照圖示;問題鏈

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0042-04

作者簡介：黃洋（1991-），女，江蘇無錫人，碩士，中學(xué)一級教師，研究方向：初中物理教學(xué)和探究實驗教學(xué).

在傳統(tǒng)應(yīng)試教育的影響下，教師往往以如何讓學(xué)生獲得更高的分?jǐn)?shù)為目標(biāo)，著重講授物理知識，而弱化了學(xué)生對知識本質(zhì)的理解.尤其在一些重難點(diǎn)知識的教學(xué)上，教師往往通過刷題的方式，強(qiáng)化學(xué)生的解題方法，而忽視學(xué)生對知識的建構(gòu)過程，這種教學(xué)方式與物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求并不匹配.

物理學(xué)科核心素養(yǎng)，是指學(xué)生在接受教育的過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格、價值觀念和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)而內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特征的品質(zhì)[1].物理學(xué)科是一門來源于生活并且以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，基于學(xué)科特點(diǎn)和核心素養(yǎng)的要求，只注重刷題的教學(xué)模式，會讓學(xué)生所掌握的知識脫離生活、支離破碎，不利于學(xué)生思維品質(zhì)的發(fā)展.

探究實驗是物理知識和規(guī)律的來源，物理觀念和方法的掌握也滲透在探究實驗的過程中.如何提升學(xué)生的思維品質(zhì)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)呢？筆者認(rèn)為，教師在教學(xué)設(shè)計中，應(yīng)將探究實驗的設(shè)計放在首要地位，通過設(shè)計問題鏈的形式，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極主動的思考.本文以“估測大氣壓的值”實驗為例，旨在通過設(shè)計探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，優(yōu)化學(xué)生解決問題的思維能力.

1 基于課標(biāo)，分析實驗難點(diǎn)

物理課程標(biāo)準(zhǔn)，對于大氣壓的要求是：知道大氣壓強(qiáng)及其與人類生活的關(guān)系.為進(jìn)一步解讀課標(biāo)的相關(guān)要求，我們要結(jié)合教材進(jìn)行深度剖析.教材是教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計的重要參考，因此，在準(zhǔn)備實驗的過程中，第一步應(yīng)深入分析教材.“估測大氣壓的值”實驗位于蘇科版初中物理教材第十章第3節(jié).從形式上看，課本中對實驗的處理是以活動形式開展的，也就是教師可以通過演示實驗、自主實驗或討論等模式進(jìn)行教學(xué).從內(nèi)容上看，課本對實驗器材、實驗步驟以及實驗數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行了詳盡的描述，教師或?qū)W生只需按部就班地重演實驗便可以完成.但是，在現(xiàn)實的教學(xué)中，當(dāng)教師僅僅按照書本上的要求進(jìn)行講授時，學(xué)生反饋的結(jié)果總是不盡如人意，每當(dāng)試題中出現(xiàn)本實驗的相關(guān)內(nèi)容，錯誤率總是居高不下，歸根到底，是由于學(xué)生對知識的理解不到位.其問題主要在于：（1）無法理解大氣壓的存在;（2）無法判斷氣體壓強(qiáng)的方向;（3）無法進(jìn)行誤差分析.

大氣壓的存在及其方向是本節(jié)的重難點(diǎn)，也是測大氣壓值實驗所需要的前概念.因此，在進(jìn)行本實驗前，應(yīng)該重點(diǎn)先解決前兩個問題.大氣壓之所以成為難點(diǎn)，是由于學(xué)生知識水平的局限性和知識本身的抽象性，大氣壓是存在的，但卻是看不見摸不著，力的作用效果也不是很明顯，因此讓學(xué)生理解起來存在一定的困難.那么如何讓學(xué)生理解抽象的概念呢？這里便可以通過大量的實驗讓學(xué)生去體驗大氣壓的存在并且歸納總結(jié)出大氣壓的方向.

2 注重體驗，促進(jìn)教學(xué)生成

大氣壓屬于抽象概念，如果只靠講述的話，便會顯得空洞無趣，學(xué)生也會難以理解.因此，教師應(yīng)精心設(shè)計本節(jié)課的導(dǎo)入環(huán)節(jié)，注重學(xué)生的實驗體驗，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性.通過借助學(xué)生的前概念搭建知識階梯，進(jìn)一步認(rèn)識大氣壓的存在.學(xué)生已有的知識是固體和液體壓強(qiáng)，從現(xiàn)象上來看都能使受力物體發(fā)生明顯形變，因此可以從直觀的實驗現(xiàn)象去引導(dǎo)學(xué)生理解.

探究實驗設(shè)計如下.

體驗實驗1：把一個塑料瓶捏扁，讓學(xué)生不用手讓瓶子變得鼓起來.學(xué)生大多會使用嘴吹氣的方式.通過這個實驗，提問學(xué)生是什么使瓶子發(fā)生了形變？方向如何呢？本實驗旨在讓學(xué)生體驗認(rèn)識到氣體能對容器壁產(chǎn)生壓強(qiáng)，瓶內(nèi)的氣體對容器壁的壓強(qiáng)向外，為后續(xù)學(xué)習(xí)大氣壓強(qiáng)埋下伏筆.

體驗實驗2：在實驗1的基礎(chǔ)上再利用課本實驗：用酒精燈對裝有少量水的易拉罐進(jìn)行加熱，堵住罐口并且撤去酒精燈讓易拉罐冷卻.實驗現(xiàn)象：易拉罐向內(nèi)癟了.提問學(xué)生又是什么力使罐子發(fā)生了形變呢？方向如何呢？在實驗1的基礎(chǔ)上，學(xué)生會聯(lián)想到罐外也有氣體，罐外的氣體壓著罐壁向內(nèi)凹，方向是向內(nèi)的.根據(jù)兩次實驗體會可以讓學(xué)生構(gòu)建氣體壓強(qiáng)的概念，教師再介紹大氣壓的概念.

關(guān)于大氣壓的概念，學(xué)生容易將“大氣壓”與“氣體的壓強(qiáng)”這兩個概念混淆，以至于在后續(xù)分析注射器內(nèi)部由于存在氣體導(dǎo)致測量大氣壓產(chǎn)生誤差時，辨別不清內(nèi)部氣體壓強(qiáng)和外界大氣壓強(qiáng).教材上給出的定義是：“大氣對處在其中的物體有壓強(qiáng)，這種壓強(qiáng)稱為大氣壓強(qiáng)，簡稱大氣壓.”[2]教師應(yīng)該緊抓關(guān)鍵字“大氣”，解釋“大氣”的定義，所謂大氣是指包圍地球的厚厚的空氣，大氣與外界環(huán)境相聯(lián)通，而某一封閉空間內(nèi)的氣體不能稱之為大氣.通過概念剖析，可以幫助學(xué)生掌握區(qū)分內(nèi)部氣體壓強(qiáng)和外界大氣壓強(qiáng).

由于大氣壓概念的抽象性，只用一個對照實驗是不夠的，此時應(yīng)該趁熱打鐵，在認(rèn)識了大氣壓強(qiáng)基本概念的基礎(chǔ)上，再讓學(xué)生利用實驗器材進(jìn)行瓶子吞雞蛋和吸盤掛重物等實驗.通過豐富的實驗體驗，不僅讓學(xué)生對大氣壓的應(yīng)用產(chǎn)生興趣，而且更加肯定大氣壓的存在.這樣一來學(xué)生對大氣壓便不再陌生，可以順利進(jìn)入大氣壓方向的教學(xué).

3 利用變易，完成科學(xué)探究

變易理論認(rèn)為：“只有學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，把握住事物關(guān)鍵方面的關(guān)鍵特征，對事物對結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)意義有了深入的理解，才能使教師預(yù)設(shè)的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學(xué)生體驗到的教學(xué)內(nèi)容，從而達(dá)到良好的學(xué)習(xí)效果.”[3]在利用注射器測大氣壓時，學(xué)生對于活塞受到的大氣壓方向的判斷存在困難.根據(jù)變異理論，教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生通過實驗去抓住大氣壓方向的關(guān)鍵特征，從而總結(jié)出判斷大氣壓方向的方法.

在研究大氣壓方向時，可以設(shè)計對照實驗來提高學(xué)生抓住問題本質(zhì)特征的能力.實驗設(shè)計如下.

對照實驗1：教師演示如圖1所示的豎直方向的覆杯實驗，提問學(xué)生為什么紙片不掉下并且能夠托住水呢？一部分學(xué)生由于初學(xué)大氣壓，給出的猜想是“由于水把紙片粘住了”.為了引導(dǎo)學(xué)生深入分析，此處教師可以繼續(xù)演示如圖2所示的抽氣實驗進(jìn)行對照，通過抽氣，學(xué)生觀察到抽氣后紙片無法托住水而下落.兩個實驗的對比，相同點(diǎn)是水都接觸著紙片，顯著變化是由于紙片下方?jīng)]有大氣了，因此學(xué)生自己可以很自然地聯(lián)想到紙片之所以能托水不是由于水粘著紙片，而是由于大氣壓的作用.此時，教師進(jìn)一步提問，大氣壓的方向如何？學(xué)生根據(jù)本次實驗的現(xiàn)象會回答方向是豎直向上的，顯然這個結(jié)論具有片面性.

對照實驗2：覆杯實驗，將杯子如圖3所示向不同方向放置，觀察紙片是否依舊能托住水.基于對照實驗1，如果學(xué)生認(rèn)為大氣壓的方向只是豎直向上的話，那么，圖3中的各個方向紙片都能托水的現(xiàn)象會讓學(xué)生形成思維沖突，重新審視大氣壓的方向，激發(fā)學(xué)生的深度學(xué)習(xí).在實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，教師再引導(dǎo)學(xué)生以紙片為研究對象畫出紙片所受的大氣壓力，通過受力分析，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，大氣壓力的方向總是垂直于受力物體表面并且指向受力物體.

通過兩組對照實驗，我們可以破解關(guān)于大氣壓的方向這個難點(diǎn).此外，也可以從微觀上大氣壓的形成進(jìn)行補(bǔ)充解釋.微觀上，氣體的壓強(qiáng)是由于氣體分子雜亂無章地撞擊物體的表面而產(chǎn)生的，當(dāng)氣體分子撞擊物體時會產(chǎn)生壓力，由于氣體分子的運(yùn)動是朝向受力物體的，所以大氣壓的方向也可以認(rèn)為是垂直于受力物體表面并且指向受力物體.

4 設(shè)問題鏈，引導(dǎo)實驗設(shè)計

在學(xué)生初步形成大氣壓的概念以及會判斷大氣壓方向的基礎(chǔ)上，教師可以引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計“估測大氣壓強(qiáng)值”的實驗.由于學(xué)生對于大氣壓強(qiáng)值是完全陌生的，因此，應(yīng)先設(shè)計實驗讓學(xué)生初步感知到大氣壓的大小，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.此處建議設(shè)置兩個演示實驗：實驗一，教師可以演示水平方向的馬德堡半球?qū)嶒灒ㄈ鐖D4所示），讓班里兩個力氣最大的同學(xué)嘗試?yán)_;實驗二，豎直方向上吸盤掛鉤碼實驗（如圖5所示），讓學(xué)生嘗試最多可以掛多少個鉤碼吸盤才能被拉開.通過這兩個實驗，一定程度上可以吸引學(xué)生去設(shè)計探究大氣壓強(qiáng)值的實驗.

教材上估測大氣壓強(qiáng)值的實驗是利用注射器，從表面上看，這似乎與前兩個演示實驗毫無關(guān)聯(lián)，并未搭建一個可供攀登的臺階，學(xué)生難以理解.因此，如何有邏輯地從兩個演示實驗過渡到注射器實驗顯得尤為重要，這也是提升學(xué)生思維品質(zhì)的重要途徑.“問題鏈”是引導(dǎo)學(xué)生的思維向更深更廣處發(fā)展的途徑，當(dāng)學(xué)生的思維停留在對事物表面的認(rèn)識上時，教師的拔高追問會使學(xué)生的思維上升一個臺階，攀向思維的新高.因此，教師應(yīng)該以“問題鏈”為臺階，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗，可以幫助學(xué)生進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，走進(jìn)問題的縱深.

在吸盤掛鉤碼的實驗基礎(chǔ)上，教師可以通過設(shè)計問題鏈的方式，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出注射器實驗.問題鏈如下：

（1）吸盤為什么能承受這么多鉤碼的重量？請畫出吸盤受力的示意圖.

（2）測量大氣壓強(qiáng)值的原理是什么？你需要測量出哪些物理量？

（3）何時能測出大氣壓強(qiáng)值？理論依據(jù)是什么？

（4）實驗中用“鉤碼”作為實驗器材準(zhǔn)確嗎？如何改良？

（5）考慮到吸盤的自重，你認(rèn)為如何改進(jìn)實驗使測量值更準(zhǔn)確？

（6）利用實驗室里的彈簧測力計能否完成這個實驗？為什么？

問題1的設(shè)計意圖：讓學(xué)生通過畫力的示意圖，認(rèn)識到大氣壓的方向，以及大氣壓力是“對抗”鉤碼對吸盤的拉力以及吸盤重力的重要因素，同時也為之后的誤差分析做鋪墊.

問題2的設(shè)計意圖：讓學(xué)生在固體壓強(qiáng)的前概念下遷移得出測量氣體壓強(qiáng)的原理，并且順理成章地直接得出需要測量的物理量以及對應(yīng)的測量工具.

問題3是一個難點(diǎn)，因為在掛到最多鉤碼前，吸盤每次都是處于平衡狀態(tài)，那么到底以哪次為準(zhǔn)呢？這里需要向?qū)W生介紹說明，應(yīng)該以最多的那一刻（再掛最小鉤碼就會掉下去以前）的鉤碼重力的大小作為拉力大小，利用平衡力的知識求出對應(yīng)的大氣壓力，由于塑料吸盤相對于鉤碼而言非常輕，在忽略吸盤自重情況下，大氣壓力可以近似于鉤碼重力.

問題4是實驗的改良，由于鉤碼變化是不連續(xù)的，因此實驗結(jié)果是不準(zhǔn)確的，從而引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實驗.學(xué)生根據(jù)已有知識可得到將鉤碼改為燒杯和水或者是用彈簧測力計直接拉吸盤等讓拉力連續(xù)變化的實驗方案.

問題5則是誤差分析和改良，當(dāng)考慮到吸盤自重時，通過受力分析可知測量的大氣壓力會比實際值小，那么如何減小誤差，甚至是可以真正地不計吸盤重力呢？通過這個問題的探討，學(xué)生會給出答案，將整個裝置旋轉(zhuǎn)90度，也就是沿水平方向拉就可以了，此時該實驗裝置與注射器實驗就相同了.

問題6則是更進(jìn)一步地將此實驗引向注射器實驗，由于吸盤面積較大，用彈簧測力計水平方向拉，拉力的大小需要幾十牛甚至幾百牛，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實驗室彈簧測力計的量程，因此，為了測出大氣壓力應(yīng)該選用面積更小的實驗器材，由老師介紹教材中的實驗器材即細(xì)的注射器.

通過6個問題構(gòu)成的問題鏈，可以從吸盤掛鉤碼實驗有梯度且有邏輯地過渡到注射器實驗，讓學(xué)生明白教材上實驗設(shè)計的初衷.這樣既可以引導(dǎo)學(xué)生充分思考，也可以培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計實驗、分析誤差以及改良實驗的能力.

5 后測評價，形成物理觀念

學(xué)生已經(jīng)掌握了測量大氣壓強(qiáng)值的原理，設(shè)計出了利用吸盤測大氣壓強(qiáng)值的實驗，并且通過分析，了解了實驗的優(yōu)缺點(diǎn).也通過實驗改進(jìn)過渡到教材中利用注射器測量大氣壓強(qiáng)值的實驗.在此基礎(chǔ)上，我們可以對學(xué)生進(jìn)行后測，通過后測，判斷學(xué)生是否形成物理觀念，進(jìn)一步讓學(xué)生鞏固測量大氣壓強(qiáng)值的方法.

注射器估測大氣壓值實驗（如圖6所示）存在三個難點(diǎn)：（1）研究對象的確定;（2）大氣壓力和內(nèi)部壓力方向的判斷;（3）實驗的誤差分析.為解決這三個難點(diǎn)，首先要確定研究對象，只有研究對象明晰，才可以設(shè)計問題鏈，并且利用前文中的大氣壓方向判斷以及受力分析的方法解決后面的兩個難點(diǎn).

由于注射器由活塞和針筒兩部分構(gòu)成，且在實驗過程中細(xì)繩拉著活塞的頸部，而手拉著針桶的外壁.學(xué)生往往在受力分析時會畫出兩個拉力，這個錯誤是由于研究對象混淆而導(dǎo)致的.因此，要讓學(xué)生明確這個實驗的研究對象是活塞，拉力也只需要考慮作用在活塞上的拉力即可.

為了進(jìn)一步破解實驗的難點(diǎn)，問題鏈設(shè)計如下：

（1）活塞為什么能承受這么大的拉力？請畫出活塞受力的示意圖.

（2）測量大氣壓強(qiáng)值的原理是什么？你需要測量出哪些物理量？

（3）何時能測出大氣壓強(qiáng)值？理論依據(jù)是什么？

（4）如果考慮到活塞受到摩擦力，測量值準(zhǔn)確嗎？如果不準(zhǔn)確，測量值是偏大還是偏?。咳绾蜗Σ亮Φ挠绊?？

（5）如果考慮大針筒內(nèi)無法徹底排盡空氣，測量值準(zhǔn)確嗎？如果不準(zhǔn)確，測量值是偏大還是偏?。咳绾蜗諝鉄o法徹底排盡的影響？

在這個過程中，重要的方法是通過受力分析，按照前文中“氣體壓力的方向總是垂直于受力物體表面并且指向受力物體”這個結(jié)論去判斷大氣和內(nèi)部氣體壓力的方向（如圖7所示），以及用摩擦力的定義來判斷摩擦力的方向，從而進(jìn)行誤差分析（如圖8所示）.

6 結(jié)束語

探究實驗是學(xué)生形成物理觀念和提升物理思維的重要途徑，教師應(yīng)注重課前對探究實驗的設(shè)計，從而促成學(xué)生的深度學(xué)習(xí).在探究實驗設(shè)計的過程中，首先，要注重學(xué)生的體驗，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;其次，當(dāng)遇到容易混淆的概念時，可以設(shè)計變異對照圖示來引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)歸納關(guān)鍵特征;最后，當(dāng)遇到難點(diǎn)時，教師可以利用問題鏈作為臺階，引導(dǎo)學(xué)生攀向思維的新高.

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（收稿日期：2020-10-14）