摘 要：課堂教學(xué)應(yīng)秉承學(xué)科育人的理念，教師應(yīng)充分利用學(xué)生身邊的物品，開發(fā)有趣、新穎、簡(jiǎn)單的進(jìn)階性低成本物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境任務(wù)，讓學(xué)生在完成任務(wù)的實(shí)踐活動(dòng)中踐行“做中學(xué)、學(xué)中思、思中創(chuàng)”，在素養(yǎng)表現(xiàn)中發(fā)展素養(yǎng)，在知識(shí)建構(gòu)中啟智增慧。

關(guān)鍵詞：進(jìn)階性；低成本；物理實(shí)驗(yàn)；情境任務(wù)

1 引言

教育部印發(fā)的《關(guān)于全面深化課程改革 落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》明確提出各學(xué)科的學(xué)習(xí)內(nèi)容要符合學(xué)生不同發(fā)展階段的年齡特征，緊密聯(lián)系學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)。與此同時(shí)，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》所倡導(dǎo)的課程理念“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”進(jìn)一步深化了這種聯(lián)系，并提倡師生利用身邊的物品、器具、材料等自主開發(fā)物理實(shí)驗(yàn)器材。^［1］由此可見，利用身邊的廉價(jià)材料，開發(fā)低成本實(shí)驗(yàn)資源，既是教師的基本素養(yǎng)，也是教育教學(xué)的基本要求。

2 低成本物理實(shí)驗(yàn)的概念界定

日本學(xué)者三井武友認(rèn)為，低成本物理實(shí)驗(yàn)是指簡(jiǎn)易的、有趣的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)。筆者認(rèn)為低成本物理實(shí)驗(yàn)是指利用學(xué)生身邊的物品，改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方案，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果，開發(fā)出的具有創(chuàng)新因子的實(shí)驗(yàn)。南京師范大學(xué)的劉炳升教授稱之為“非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)。其主要特點(diǎn)有三：一是價(jià)格便宜，少花錢或不花錢；二是取材方便，制作簡(jiǎn)單，節(jié)約時(shí)間成本，可實(shí)施性強(qiáng)；三是貼近生活，現(xiàn)象明顯，易于激發(fā)學(xué)生深入探究的興趣。

3 開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)資源的意義

筆者在組織和指導(dǎo)青年教師參加各類教研、競(jìng)賽活動(dòng)的過程中發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)初中物理的重難點(diǎn)知識(shí)，都可以通過巧妙的低成本實(shí)驗(yàn)加以突破，正所謂“千言萬語說不清，一看實(shí)驗(yàn)便分明”。在物理教學(xué)中，開發(fā)有趣、新穎、奇特的低成本實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境中踐行“做中學(xué)、學(xué)中思、思中創(chuàng)”，既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提高他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。但是在平時(shí)的課堂上，卻常常是另一種情形：“做實(shí)驗(yàn)不如看實(shí)驗(yàn)，看實(shí)驗(yàn)不如講實(shí)驗(yàn)。”這導(dǎo)致物理知識(shí)枯燥難懂，無形中加重了學(xué)生負(fù)擔(dān)，也與國(guó)家減負(fù)政策背道而馳。引起該現(xiàn)象的主要原因是缺少低對(duì)成本實(shí)驗(yàn)資源的開發(fā)與利用。

筆者現(xiàn)以蘇科版物理八年級(jí)下冊(cè)第十章第三節(jié)“氣體的壓強(qiáng)”第1課時(shí)“大氣壓強(qiáng)”為例，談?wù)勅绾伍_發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)。

4 開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)

“大氣壓強(qiáng)”是初中物理難學(xué)難教的內(nèi)容之一。首先，氣體看不見摸不著，大氣壓強(qiáng)不易被感知，需要通過低成本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，化抽象為形象；其次，大氣壓強(qiáng)的估測(cè)難度較大，需要借助進(jìn)階性低成本實(shí)驗(yàn)，針對(duì)研究對(duì)象的選取、受力的分析和受力面積的確定搭建合適的臺(tái)階；最后，大氣壓強(qiáng)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)也存在一些問題，如器材多、過程短、不能直接反映大氣壓的作用等。例如，覆杯實(shí)驗(yàn)常被學(xué)生質(zhì)疑是水黏住了紙片，而易拉罐實(shí)驗(yàn)也存在熱脹冷縮的嫌疑^［2］，因此需要更為簡(jiǎn)單直接的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。下面本文將具體論述如何開發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)設(shè)情境任務(wù)，有效突破“大氣壓強(qiáng)”的教學(xué)難點(diǎn)，以期拋磚引玉。

4.1 任務(wù)一：觀察水的逆流，提出科學(xué)問題

演示實(shí)驗(yàn)：水的逆流

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩?shí)現(xiàn)水的逆流，制造認(rèn)知沖突。

實(shí)驗(yàn)原理：課前用注射器抽出玻璃瓶?jī)?nèi)的部分空氣，使瓶?jī)?nèi)形成負(fù)壓，水在外界大氣壓力的作用下沿輸液軟管向瓶?jī)?nèi)流動(dòng)。

器材準(zhǔn)備：帶橡皮塞的玻璃點(diǎn)滴瓶一個(gè)（或空的香油瓶）、輸液軟管一套、流速調(diào)節(jié)器一個(gè)（從輸液軟管上摘?。⒆⑸淦鳎ㄈ莘e越大越好）、有色水。

器材制作：把輸液軟管的穿刺器插入橡皮塞，剪掉進(jìn)氣管空氣過濾器，換上流速調(diào)節(jié)器，拔掉下面細(xì)管部分，用注射器與進(jìn)氣管連接，如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)操作：教師關(guān)閉下面的調(diào)速器，打開進(jìn)氣管處的調(diào)速器，用注射器抽出瓶?jī)?nèi)部分氣體后，關(guān)閉進(jìn)氣管處的調(diào)速器，瓶?jī)?nèi)形成封閉的負(fù)壓狀態(tài)，將下面的軟管浸入有色水中，打開下面的調(diào)速器，有色水沿輸液軟管逆流而上流入瓶?jī)?nèi)，效果如圖2所示。

提出問題：“水往低處流”是常見的生活現(xiàn)象，老師不用抽水泵，卻能讓水往高處走。請(qǐng)仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并提出你的問題。

開發(fā)說明：“打點(diǎn)滴”是學(xué)生熟悉的生活情境，但學(xué)生對(duì)其中蘊(yùn)含的物理知識(shí)并不十分了解。實(shí)驗(yàn)所用的物品均可在衛(wèi)生室免費(fèi)獲取，同時(shí)器材的制作簡(jiǎn)單，操作方便，可以節(jié)約師生的時(shí)間成本，實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源。實(shí)驗(yàn)中，將抽氣操作前置，既能引出大氣壓的作用，又有利于破除學(xué)生的錯(cuò)誤認(rèn)知“飲料是被吸上來的”，同時(shí)還自然地引入了本節(jié)課的重要器材——注射器。

引入設(shè)計(jì)既要“有意思”，又要“有意義”。“有意思”指向情感體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)趣味性和制造懸念，通過引發(fā)“水為什么逆流而上”這一認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的好奇心，引導(dǎo)學(xué)生提出科學(xué)問題“是什么力量使水向上流”；“有意義”指向價(jià)值追求，通過學(xué)習(xí)使學(xué)生能夠分析并解決一些身邊的實(shí)際問題。

4.2 任務(wù)二：尋找神秘力量

演示實(shí)驗(yàn)：“咒語”壓扁瓶子

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩ふ掖髿鈮毫?，破除封建迷信?/p>

實(shí)驗(yàn)原理：用燃燒法趕出瓶?jī)?nèi)部分空氣，制造瓶?jī)?nèi)外壓強(qiáng)差，使瓶被大氣壓扁。

器材準(zhǔn)備：帶蓋塑料瓶、打火機(jī)、半張紙巾（事先寫個(gè)“扁”字）。

實(shí)驗(yàn)操作：教師將半張紙巾折成細(xì)條狀，用打火機(jī)點(diǎn)燃，燒旺后投入瓶中，稍后蓋上瓶蓋，瓶子前后效果如圖3所示。

提出問題：老師僅用一條咒語，就能把瓶子壓扁，請(qǐng)仔細(xì)觀察。難道老師擁有“神秘力量”？是誰壓扁了瓶子？請(qǐng)大家開動(dòng)腦筋，尋找“神秘力量”。

教師引導(dǎo)，學(xué)生嘗試：用加熱的方式趕出瓶?jī)?nèi)部分空氣（熱脹），瓶?jī)?nèi)氣體變得稀薄，而外界環(huán)境的氣體狀態(tài)沒有改變。紙巾熄滅后，瓶?jī)?nèi)溫度降低，氣體體積縮小，外界環(huán)境的氣壓大，瓶?jī)?nèi)的氣壓小，瓶子被壓扁（這就是拔火罐原理）。可見，只有內(nèi)外氣體形成壓力差時(shí)，大氣壓力的效果才能顯現(xiàn)出來。開始時(shí)，內(nèi)外氣壓是一樣的，所以瓶子沒有被壓扁。大家還有沒有其他辦法趕出瓶?jī)?nèi)的空氣，制造壓力差？（熱水法、抽氣法等）

開發(fā)說明：用常見的塑料瓶做實(shí)驗(yàn)，節(jié)約成本，方便快捷，可重復(fù)性強(qiáng)，對(duì)大氣壓力的呈現(xiàn)更為直接。

通過“‘咒語’壓扁瓶子”小實(shí)驗(yàn)，能夠激發(fā)學(xué)生“學(xué)科學(xué)”“用科學(xué)”的興趣，破除迷信思想；通過開放性問題的設(shè)計(jì)，可以培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。

4.3 任務(wù)三：體驗(yàn)氣體壓力特點(diǎn)

分組實(shí)驗(yàn)：隔空傳力

器材準(zhǔn)備：兩個(gè)20mL的注射器、帶滴壺的軟管和調(diào)速器。

器材制作：將兩個(gè)注射器（去掉針頭）連接在帶滴壺的軟管兩邊，其中一頭連接調(diào)速器。

實(shí)驗(yàn)1：體驗(yàn)氣體的力量

實(shí)驗(yàn)操作：將未連接調(diào)速器的注射器拉到最大刻度處，將另一頭的調(diào)速器關(guān)閉，讓滴壺與注射器相連，如圖4所示。請(qǐng)一位同學(xué)用力捏住滴壺，另一位同學(xué)用力推動(dòng)活塞，捏住滴壺的同學(xué)能感受到滴壺向各個(gè)方向的強(qiáng)大回彈力。

開發(fā)說明：固體與液體都是可見的，其壓強(qiáng)也易于理解，但對(duì)于看不見的氣體，需要通過它對(duì)接觸的物體所產(chǎn)生的各個(gè)方向的壓力，來間接讓學(xué)生體會(huì)到氣體壓強(qiáng)的存在。

實(shí)驗(yàn)2：體驗(yàn)氣壓的傳遞

實(shí)驗(yàn)操作：將實(shí)驗(yàn)1中的調(diào)速器打開，讓兩個(gè)注射器連通，推動(dòng)一個(gè)活塞，感受另一個(gè)活塞的受力；還可以把兩個(gè)活塞在連通的情況下，都拉到最大刻度處，猛推其中一個(gè)活塞，去發(fā)射另一活塞，體驗(yàn)“氣槍”的感覺。

開發(fā)說明：氣體與液體一樣，都有流動(dòng)性，都可以傳遞壓力。

實(shí)驗(yàn)3：探究活塞承重能力

實(shí)驗(yàn)操作：拔掉一個(gè)注射器，用調(diào)速器充當(dāng)與大氣連通的開關(guān)。

提出問題：

（1）與大氣連通或不連通，哪種情況下活塞承重更大？為什么？

（2）將活塞推到底，把調(diào)速器關(guān)閉，這種情況為什么能承受更大的拉力？（見圖5）

（3）用大號(hào)注射器（如500mL），并用調(diào)速器封閉一端的小孔，讓學(xué)生嘗試?yán)瓌?dòng)注射器。又會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象？

開發(fā)說明：

（1）引導(dǎo)學(xué)生以活塞為研究對(duì)象，嘗試分析其受力，隨著活塞的運(yùn)動(dòng)，封閉氣體體積發(fā)生變化，從而導(dǎo)致內(nèi)部氣體壓力的變化，而外部環(huán)境的氣體是穩(wěn)定的，可以用疏密不同的點(diǎn)來表示氣體的疏密，以此來有效地降低學(xué)生理解難度（忽略摩擦與重力），如圖6所示。

（2）活塞推到底，排出注射器內(nèi)的全部氣體，內(nèi)部近似真空，忽略內(nèi)部氣體壓力，拉力與大氣壓力近似相等，所以更難拉動(dòng)，可以用這種辦法估測(cè)大氣壓力。

（3）拉動(dòng)大號(hào)注射器活塞（見圖7），讓學(xué)生體驗(yàn)到強(qiáng)大的大氣壓力，并自然過渡到馬德堡半球?qū)嶒?yàn)，同時(shí)引出受力面積這個(gè)重要概念，從而有效地降低估測(cè)大氣壓強(qiáng)的難度。

開發(fā)說明：用注射器開發(fā)系列進(jìn)階性低成本實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)到氣體可以對(duì)其他物體產(chǎn)生各個(gè)方向的壓力，也可以傳遞壓力，為估測(cè)大氣壓強(qiáng)的數(shù)值做好鋪墊。

4.4 任務(wù)四：估測(cè)大氣壓強(qiáng)

分組實(shí)驗(yàn)：估測(cè)大氣壓強(qiáng)

器材準(zhǔn)備：20mL的PVC注射器（容積太小誤差會(huì)較大）、裝水的大號(hào)塑料袋（用水的重力代替彈簧測(cè)力計(jì)的拉力）、細(xì)鐵絲、刻度尺。

實(shí)驗(yàn)操作：

（1）把注射器推至底端排盡空氣，用打火機(jī)熔化并封閉注射器的小孔（一是為了避免漏氣，二是為了排盡小孔內(nèi)的空氣）。

（2）用細(xì)鐵絲把大號(hào)塑料袋纏繞在活塞軸上，向塑料袋內(nèi)逐漸加水，直到活塞向下緩慢滑動(dòng)一段距離后，停止加水（見圖8）。

（3）兩次站在家用體重秤上，一次手拎加水的塑料袋，一次手拎空塑料袋，比較兩次體重秤讀數(shù)的差異，從而測(cè)得水的質(zhì)量為2.9kg（見圖9），算出其重力為28.42N，近似等于活塞受到的大氣壓力。

（4）再用刻度尺測(cè)出20mL刻度對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為7cm（見圖10），用公式計(jì)算得出大氣壓強(qiáng)p0的值為 0.9947×105Pa。

開發(fā)說明：對(duì)于大氣壓強(qiáng)的估測(cè)，本文運(yùn)用學(xué)生生活中的物品，從以下個(gè)方面對(duì)教材實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，一是改用20mL的PVC注射器，減小了因大氣壓力過小而造成的測(cè)量誤差；二是改用水袋重力提供拉力，可以連續(xù)增減水量，不受彈簧測(cè)力計(jì)量程限制；三是用打火機(jī)熔化小孔的方式封閉注射器，能將小孔內(nèi)氣體盡量排凈，提升實(shí)驗(yàn)精度；四是借助前面的實(shí)驗(yàn)，對(duì)明確研究對(duì)象、分析對(duì)象受力、確定受力面積三個(gè)難點(diǎn)做鋪墊，學(xué)生通過自己動(dòng)手，在家也能粗略地測(cè)出當(dāng)?shù)卮髿鈮旱臄?shù)值，再通過天氣預(yù)報(bào)查詢對(duì)比，從而提升了學(xué)習(xí)的成就感。

4.5 任務(wù)五：解釋引入實(shí)驗(yàn)“水的逆流”

教師引導(dǎo)，學(xué)生嘗試：用注射器抽取瓶?jī)?nèi)部分氣體，使瓶?jī)?nèi)氣壓低于外部大氣壓，在壓力差的作用下，水會(huì)沿輸液管上升。如果瓶?jī)?nèi)是真空，那么外部大氣壓就會(huì)托起更多的水，形成更高的水柱，因?yàn)榇藭r(shí)瓶?jī)?nèi)幾乎沒有氣體產(chǎn)生反向壓力，大氣壓力的作用效果會(huì)更加明顯。

那么，大氣最多能托起多高的水柱？在羅馬時(shí)期，人們就注意到這個(gè)問題，當(dāng)時(shí)意大利礦井工人，發(fā)現(xiàn)用抽水機(jī)抽水，水最多升到10m高，之后便不再上升。怎樣解釋這個(gè)現(xiàn)象呢？托里拆利大膽地提出了自己的想法：“抽水機(jī)水面上升的現(xiàn)象可能是空氣壓力作用的結(jié)果?！比绻盟鰧?shí)驗(yàn)，必須用一根至少10m長(zhǎng)的管子，實(shí)際操作中極為困難。經(jīng)過思考，最終他選用了比水密度大13倍的水銀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。^［3］播放實(shí)驗(yàn)視頻，讓學(xué)生知道一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的數(shù)值。

出于對(duì)學(xué)生安全因素的考慮，托里拆利實(shí)驗(yàn)不適合在課堂上完成，但實(shí)驗(yàn)的原理和設(shè)計(jì)思路包含著豐富的物理方法，在解釋實(shí)驗(yàn)原理的同時(shí)，給學(xué)生介紹這段很有意義的物理學(xué)史，可以增加學(xué)生對(duì)科學(xué)的向往。

5 低成本物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)原則

本文開發(fā)的所有實(shí)驗(yàn)，均是利用學(xué)生身邊的物品，真正做到不花錢或少花錢，這樣做的目的一是降低實(shí)驗(yàn)成本，二是拉近物理與學(xué)生的距離，引導(dǎo)學(xué)生用物理的眼光觀察生活，用物理的思維解決生活中的真實(shí)問題。值得注意的是，低成本物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)還應(yīng)遵循一定的原則。

5.1 簡(jiǎn)單性原則

實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值與其復(fù)雜程度成反比。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該力求簡(jiǎn)單，包括器材容易獲取、制作簡(jiǎn)單、操作方便。只有足夠簡(jiǎn)單，才能真正地實(shí)現(xiàn)減負(fù)，使有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為新的常態(tài)。

5.2 問題性原則

問題是思維的靈魂，沒有問題就沒有思維。正如愛因斯坦所說：“提出一個(gè)問題往往比解決一個(gè)問題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問題也許只需要數(shù)學(xué)

或?qū)嶒?yàn)的一個(gè)技巧，而提出新的問題，卻需要?jiǎng)?chuàng)造性的想象力?！比绾尾拍芴嵘龑W(xué)生的思維與提問能力呢？教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)借助低成本實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題情境，讓學(xué)生想問；營(yíng)造寬松、民主的課堂文化氛圍，讓學(xué)生敢問；多設(shè)計(jì)針對(duì)性、趣味性、遞進(jìn)性的問題，讓學(xué)生學(xué)著問。^［4］本節(jié)課以遞進(jìn)性的問題引導(dǎo)學(xué)習(xí)步步深入，實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

5.3 實(shí)踐性原則

基礎(chǔ)教育課程改革致力于使學(xué)生的學(xué)習(xí)盡可能“還原”人類的實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生“重演”人類知識(shí)的探究和應(yīng)用活動(dòng)。^［5］本節(jié)課基于遞進(jìn)性的問題，借助低成本實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)個(gè)實(shí)踐性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)，學(xué)中思，思中創(chuàng)”。

5.4 進(jìn)階性原則

實(shí)驗(yàn)的目的是創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，基于情境來設(shè)計(jì)問題。好的設(shè)計(jì)總是以遞進(jìn)性的問題串展現(xiàn)的，所以實(shí)驗(yàn)之間力求相互關(guān)照，遵循進(jìn)階性原則。本節(jié)課主要通過注射器，使學(xué)生體驗(yàn)大氣壓、探究大氣壓、測(cè)量大氣壓，在教學(xué)過程中應(yīng)盡量保持情境的一致性。

5.5 趣味性原則

實(shí)驗(yàn)的重要功能之一就是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，所以盡可能設(shè)計(jì)一些有違常規(guī)的真實(shí)情境，如“水的逆流、有孔不漏”等，借此制造懸念，激發(fā)學(xué)生的求知欲。

參考文獻(xiàn)

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