优化物理实验教学 培养学科核心素养——以“流体压强与流速的关系”为例

(西南大学科学教育研究中心,重庆 400715)

当前,培养学生学科核心素养已成为课程改革的主要内容,物理学科核心素养由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面构成。如何在物理课堂教学中落实核心素养培养的目标,是课堂教学需要不断探索的问题。本研究以“流体压强与流速的关系”为例,优化教学设计和物理实验,以此来诠释良好的教学与实验设计在培养学生物理学科核心素养方面的重要意义。

1 教学设计思路

“流体压强与流速的关系”是人教版物理八年级下册第九章的内容,是在“液体的压强”和“大气压强”的基础上,对压强概念和相关原理认识的拓展。本文通过“隔杯吹蜡烛”的创新实验引入,在经典“吹纸张”的实验中,创设激发学生认知冲突的问题情景,鼓励学生大胆猜想,进行探究验证，得到实验结论。最后,通过对吸尘器的工作原理的介绍,将本节课的知识融会贯通,让学生领略用物理知识解决实际问题的巨大魅力。

2 流体压强与流速的教学设计

2.1 情境导入,提出疑问

教师拿出一支点燃的蜡烛,向全班同学提问:如何才能使蜡烛熄灭？学生回答：吹气,用水浇灭。教师继续提问:如果要让蜡烛吹不灭,又该怎么办？然后教师拿出一张小纸片,隔着小纸片吹气(如图1),观察到蜡烛会熄灭,学生解释:可能是纸片太小挡得不够严实。教师拿出一个玻璃杯,请几位同学检查玻璃杯是否有“洞”,发现玻璃杯完好无损,把点燃的蜡烛放进去,对着杯底吹气,蜡烛还会熄灭吗(如图2)？学生回答：蜡烛不会熄灭。教师演示隔杯吹蜡烛,发现放在杯子里的蜡烛被吹灭，为什么？由此引入新课内容。

图1

图2

设计意图:以学生已有的生活经验和原认知为生长点,引入一个能引起学生认知冲突的问题情景。从一个吹蜡烛的生活情境出发,转而探讨如何才能使蜡烛吹不灭,从隔着纸片吹气到隔着杯子吹气,逐渐递进。到隔着没有“洞”的玻璃杯杯吹气时,蜡烛居然熄灭了,给学生留下了深刻的印象,让学生带着悬念进入课堂,从而激发学生对物理原理探索的兴趣。

2.2 理解概念,逐步深入

由空气和泉水图片,引出流体、流速的概念。前面我们已经学习过液体内部压强和大气压,它们都是流体静止时的压强。当流体处于流动状态时又会发生怎样的现象？展示小车驶过,树叶飘动的图片,引发同学们思考。

设计意图:从身边的物理现象入手,巩固旧知,引出新的概念,引入本节课将要探究的内容。将流体流动的流速与压强结合起来,为学生进行有依据的科学猜想奠定基础。

2.3 观察发现,提出猜想

图3

教师拿出平行自然下垂的两张纸,通过往它们中间吹气的办法(如图3),来改变气体的流速,请同学们猜想纸片会发生怎样的变化？教师向两张纸中间吹气,学生仔细观察。

提出问题:为什么向两张纸中间吹气的时候,纸张反而向中间靠拢？

教师引导学生从现象入手,通过纸张受到的压力进行分析,得出气体压强与流速的猜想。

设计意图:教师创设能引发学生认知冲突的问题情景,打破学生原有认知平衡,学生开始对自己的观念产生疑点,迫切要求改变原有观念以求得新平衡,[3]通过观察“吹纸”的现象,在此基础上进行猜想,从而唤起学生科学探究的欲望。

2.4 设计实验,进行探究

(1)验证猜想

图4

实验装置:3个标有A、B、C的透明塑料管、3个乒乓球,将乒乓球放在塑料管中,3个乒乓球保持在同一竖直线上(如图4)。

教师通过电吹风吹气,来改变乒乓球右侧空气的流速,如果乒乓球右端的压强发生变化,那么它还能静止吗？学生回答:不能，乒乓球会向左或向右发生运动。可以从乒乓球的运动方向来判断压强的变化，如果用电吹风吹塑料管右端的时候,请同学们猜测一下,乒乓球会往哪个方向运动？

教师用电吹风竖直向下吹塑料管右端,学生观察实验现象。

学生观察到乒乓球往右运动,这是为什么？

教师引导学生对实验现象进行分析,乒乓球向右运动,说明右边的压强减小,左边的压强不变,产生向右的压力差,把乒乓球往右压出,从而得出实验结论。

设计意图:引导学生体验探究活动,通过学生观察、理性分析,提升学生的思维品质。本实验用电吹风吹气来改变气体的流速,教会学生利用转换法,通过观察乒乓球的运动情况,来判断大气压的变化情况，并得到气体压强与流速的关系。

(2)深入探究

当老师打开电吹风的一瞬间,三个乒乓球并不是同时运动出来,而是离吹风口近的A管中的乒乓球最先出来,教师提问:这是什么原因引起的？引导学生从空气流速不同的角度进行回答，再提问:空气流速的不同又该如何判断？

教师进行实验演示，所用装置为纸风车、铁架台、电吹风。

图5

教师采用学生童年玩过的纸风车,纸风车的转动快慢与风速有关。教师将电吹风和纸风车固定好后放在同一水平线上(如图5),移动纸风车时,请同学们注意观察纸风车的转动快慢情况，观察到在离吹风口近的地方,纸风车转动得快,空气流速较大。进而想到A塑料管右侧空右侧空气流速快，压强较小,所以A塑料管中的乒乓球左右两端的压力差也就越大,它就先从塑料管中运动出来。

设计意图:从学生的认知经验出发,设计出富有新奇感的趣味实验,可获得良好的教学效果。[4]对于不可见的空气流速,通过纸风车的转动情况,来进行定性描述,再进一步对实验现象进行分析、解释,从而达到融会贯通、学以致用的目的。

(3)类比推理

学生利用放置在桌面上的实验器材,探究液体压强与流速的关系,实验器材包括:装有水的水槽、两只小船、注射器。学生设计实验，探究液体压强与流速的关系,从而得出结论。

设计意图:对于液体压强与流速的关系,学生类比气体压强与流速的研究方法,教师鼓励学生自己动手设计实验探究、观察现象、归纳分析、得出结论,让学生体验科学探究过程,培养科学探究能力。

2.5 拓展提高,解释应用

(1)揭秘奇迹

图6

教师对着水杯的杯底吹气时,杯身和杯口上方的空气流速增大压强减小,杯内的气压大于杯口外侧的气压,杯内的空气在压强差作用下就会向外流,蜡烛就是被这股急剧向外流出的气体给熄灭的。

(2)简易吸尘器

教师向同学们展示自制教具，学生观察到纸盘中的碎纸屑都被吸到塑料瓶里(如图6),教师提问:这实际是什么装置？学生回答:简易吸尘器。老师请同学在课后思考它的工作原理，并鼓励感兴趣的同学自己动手制作。

设计意图:首尾呼应,活学活用,隔杯吹蜡烛的神秘之处在于应用了气体压强与流速的关系,与学生的生活经验和认知相冲突,从而激发了学生的学习兴趣。物理从生活中来,再到生活中去,对简易吸尘器工作原理的解释,使学生体会到物理就在身边,并加深学生对流体压强与流速的关系的理解,从中体会到学习物理的乐趣。

3 教学反思

“流体压强与流速的关系”与人们的日常生活密切相关,许多现象都可以运用这个原理来解释,大多数老师在上课的时候,会选择一系列的小实验来得到结论,这样的课堂看似有趣,学生们很喜欢参与其中,但是却缺乏科学探究的体验,不利于学生物理核心素养的发展。而本节课的创新之处在于让学生通过提出问题、猜想、观察、实验探究、验证、应用等步骤,经历完整的科学探究过程,在学习科学知识、训练技能的同时,学生的科学探究能力、科学思维也得到培养和发展。

本节课的另一个创新之处在于创设激发认知冲突的问题情境,从而使学生产生解决矛盾的迫切心理,调动学生学习的主动性和积极性,使学生在提升物理技能的同时,培养对科学的兴趣。从课前“隔杯吹蜡烛,会不会熄灭”到课中“吹纸张、纸张会向两边分开还是会向中间靠拢”的实验,学生通过生活经验和知识在头脑中已有答案,而当学生发现与呈现在眼前的物理现象不吻合时,鼓励学生大胆猜想,让学生成为实验探究的真正主人,带着问题进行观察和思考，从而培养了学生的科学探究能力。