电视科学实验节目资源在初中物理教学中的应用探讨——以“大气压强”为例

斯莉莎 吴 伟

(南京师范大学教师教育学院，江苏 南京 210097)

自基础教育课程改革以来,课程资源的开发与利用一直备受关注.义务教育物理课程标准(2011年版)提出要充分开发社会教育资源,它们主要来源于报刊、电视、展览、科技馆、少年宫、公共图书馆,以及工厂、农村、科研单位、大专院校等.[1]其中电视节目中的科学实验节目在供给大众娱乐的同时也为初中物理的教学提供了丰富、精彩的课程资源.[2]本文将以中央电视台《加油!向未来》节目为例,分析电视科学实验节目作为初中物理课程资源的独特优势,并以“大气压强”为例,探讨哪些视频资源可供教学利用,以及该如何有效地在课堂教学中使用这类资源.

1 科学实验节目特点分析

《加油!向未来》是央视综合频道在2016年暑期档推出的科学实验节目.节目通过惊险有趣的物理、化学和生物实验展示了科学的“奇美趣用”,努力做到以最形象生动的方式展示科学实验,以最浅显易懂的形式解释科学原理. 从课程资源的视角来看,该节目具有以下3个重要的特点.

1.1 节目资源丰富,实验效果震撼

为了给观众呈现震撼、精美的实验效果,节目组不仅需要提前准备足够的物资、财力和人力,还需严格挑选实验装置、精心设计实验环节、谨慎进行实验操作,甚至需要借助场内外联动来完成一些大型实验.

1.2 高清摄影记录,实验现象清晰

为了能让观众看到清晰的实验过程和实验现象,节目组利用高清摄影机对实验演示进行多角度、全方位的摄影记录,并对重要的物理实验现象进行全视角慢镜头回放.此外在每个实验验证后都会有未来博士邓楚涵对其原理进行分析,其语言通俗明了、简单易懂,既有助于学生的理解,也为教师锤炼自己的课堂语言提供样本参考.

1.3 巧用明星效应,强化情感体验

节目巧用明星效应,每期都会邀请深受青少年喜爱的嘉宾参与节目,例如航天英雄杨利伟、天才钢琴家郎朗、演艺小鲜肉TF boys.而这些富有影响力的嘉宾也必然会引起中学生对于节目的关注和喜爱,同时也会使他们对于实验的验证过程和结果更加关切.

2 节目内容分析

《加油!向未来》这档大型电视科学实验节目自2016年播出以来共有两季22期节目,在对每期节目进行分析之后发现有许多有关物理的实验资源可引入初中物理教学,表1所示的是以“大气压强” 这节内容为例总结出的可供选择的相关实验视频资源.

以下本文将以教材的知识点顺序为轴,探讨在哪些环节可以使用这些视频资源,以及如何利用其进行教学.

2.1 体验大气压的存在

视频1： 吸尘器吸人.在验证最少几台吸尘器能将成年男子吸起的实验中,嘉宾尼格买提穿上护具后被固定在中空木盒人形板上,5台吸尘器通过木盒扩大吸力将嘉宾吸住悬在空中,之后依次关掉吸尘器以验证实验结果,实验装置如图1所示.最终答案为仅需一台吸尘器就能将一名约70 kg的成年男子吸起.该实验的原理是吸尘器吸出木盒中的部分气体之后,就使其与外界形成了压强差,由于大气压的存在人就被牢牢吸在了空中.

表1 有关“大气压强”电视科学实验节目视频内容

图1 吸尘器吸人实验装置图

视频2： 被瞬间压瘪的铁桶.在验证被加热的铁桶倒扣入哪种物质中会被压瘪的实验时,首先展示的是肌肉男用大铁锤猛砸多次才使铁桶严重变形,之后依次将铁桶倒扣入冰块、液氮和常温水中.结果显示,当铁桶被倒扣入常温水时,会被瞬间压瘪并伴随巨响.该实验原理是,加热使铁桶中原有的水变成水蒸气,当将它倒扣入常温水时水蒸气会迅速冷凝并收缩以致桶内气压迅速降低,最终在外界大气压的作用下被迅速压瘪;而由于冰块有缝隙以及液氮容易气化,都可及时补充桶内气体的收缩,因此铁桶就不会被压瘪.

视频1中的吸尘器是大部分家庭所拥有的清洁电器,在学生的生活常识中,大多认为吸尘器仅能吸入轻小的物质例如灰尘、纸片、毛发等.因此视频中仅需一台吸尘器就能将男嘉宾吸起,这与他们原有的生活经验形成强烈的反差.同样在铁桶的实验中首先展示的是肌肉男猛砸铁桶才使其严重变形,而后其倒扣入常温水时铁桶却被瞬间压瘪,这前后又一次形成了强烈的对比.这种与学生潜意识形成的强烈反差更能够激发他们的疑问,调动起他们学习的兴趣.与此同时,悬空的人和被压瘪的铁桶以及伴随的巨响可以极大地刺激学生的视觉和听觉,使他们有更丰富的认知体验,能够更直观地感受大气压的存在.因此教师在大气压强这节课的导入教学环节可选取以上的任意一个视频进行展示.

通过播放这个视频来演示实验过程之后,可能会引起部分学生对于实验真实性的怀疑,而物理是求真的,是讲究实证的[4].因此为了解决这些学生的疑虑,教师可以根据江苏凤凰科学技术出版社教材所设计的活动,采用易拉罐被压瘪的实验来确证科学节目中实验的真实性.为学生养成实事求是的科学态度树立榜样,并引导学生形成判断大众传媒信息是否符合科学的意识.

2.2 估测大气压的值

图2 玻璃杯吊人实验装置图

视频3： 玻璃杯吊人.在验证玻璃杯吊人的实验中,两组嘉宾分别由图2所示的3只装满水并用橡胶垫密封的玻璃杯吊于空中,之后将会由实验员根据两组所选择的答案敲碎多余的杯子,而回答错误的嘉宾将会受到敲碎所有玻璃杯秋千垂直落下的惩罚.最终实验验证仅需一只玻璃杯就能将两名嘉宾吊于空中.其原理是当杯内的空气被排出,外界气压就对橡胶垫形成了很大的垂直向上的压力,经过粗略的计算,一只玻璃杯约能吊起400 kg的重物.

视频4： 肚子吸锅拉动重卡.验证吸附在肚子上的锅是否能拉动重9.6t的重卡的实验,是由实验员周师傅将锅内空气排出一部分然后扣在肚子上,并用此装置拉动重卡运动2m的距离.其原理与上一个实验类似,只是该实验未将空气全部排出,而是排除部分形成压强差,使外界气压作用在锅上,将锅紧紧地压在肚子上.

这两个实验与教师在课堂中常做覆杯实验同出一辙,但第1个实验增加了吊取重物的设计,第2个实验增加了拉动重卡的设计.在实验呈现之初学生对于成人和重卡的质量会有预判,无论是吊起成人还是拉动重卡都需要很大的力,而在实验过程中尤其是结果呈现之后,学生在惊叹之余会更直观地感受到大气压的力量.以上两个片段可选择性地用于以下两处教学.

由于覆杯实验取材和操作都较为简单并且实验现象较为明显,许多教师在设计大气压强这节课时都会加入该实验.但是如果我们将实验与以上教学视频配合使用,就能产生更好的教学效果.例如,当教师演示完简单的覆杯实验后,向学生提问“能否在纸板下方垂吊重物?”学生会根据生活经验做出预判,大部分学生会认为不能垂吊重物,或是只能垂吊较小的物体.然后当教师播放以上玻璃杯吊人的视频时,学生因有预判也会更加期待实验的结果.而当实验结果与学生预判有较大差异时,学生不仅能对实验结果印象更加深刻,也会对“大气压的大小”有更深刻的体验.

“估测大气压的值”是江苏凤凰科学技术出版社教材中的探究实验,这对于提高学生实验操作能力、数据测量和计算能力都很有帮助,但是该设计缺少了激发学生实验动机这个环节.我们需要让学生明白为什么要估测大气压的值,知道大气压的值对我们的生活有什么用处.因此在教学设计中引入该视频片段,学生会好奇“大气压究竟有多大,竟能把两个人吊起来,竟能拉动一辆重卡”,这更有助于学生认识到实验的重要性和必要性,从而使学生更加主动地学习和进行实验操作.此外,学生通过实验活动和教材总结可以知道大气压准确的值,这时也可以利用视频3对学科基础较好的学生进行提升训练,引导他们计算一只玻璃杯究竟能吊起多重的物品.这是对压强公式p=F/S的灵活运用,因为学生需要将原公式化解为F=Sp进行计算;并且也是对学生知识迁移能力的提升,因为学生需要从熟悉的固体压强计算转化为陌生的气体压强计算.

2.3 大气压的变化

视频5： 超低压下的“人”.实验欲模拟无保护状态的人体,在海拔不断升高周边气压逐步降低时,身体部位发生的变化.如图3所示,其中棉花糖模拟人的头部、气球模拟人的头部、气球模拟人的肺部、烧杯中的水模拟人体中的水，利用真空抽气系统来模拟从地面到航天员途径高度20000m的大气压变化.实验显示当海拔达到14000m时，棉花糖严重膨胀、气球爆裂;当海拔到达19000m时,烧杯中的水沸腾.该实验中水沸腾的原理是,液体的沸点会随外界的气压变化而变化.

图3 (超低压人体模拟实验装置图)

在苏教版教材“生活·物理·社会”的板块中介绍了高压锅的原理,其中配有一个简易的实验:将刚注入沸水的烧杯塞紧瓶塞后倒置,而后在烧杯底部浇上冷水,此时会发现水又重新沸腾.书本以此来解释水的沸点与大气压的关系,以及高山上的食物为什么不易煮熟[5].然而学生理解这个实验现象需要进行两次思维转化:一是冷水浇烧瓶导致温度变低,然后气体收缩;二是气体收缩导致气压变小,这连续的两次思维转化对于初中生具有一定的难度.若用以上视频就可以很好地规避这一思维转变的环节,因为实验员是通过抽气泵直接将空气抽出来降低气压的,并且学生可通过观察气压表盘直接知道装置内部的气压.此外实验所采用的是常温水并不是开水,常温水在低压下不需要加热就能沸腾,更有利于学生理解“液体的沸点与大气压的关系”.因此若将以上实验视频引入“大气压的变化”这一知识点的教学过程中,不仅能让学生更形象地理解大气压与海拔高度的关系,还能让学生知道气压对于我们身体的影响.

2.4 流体压强与流速的关系

视频6： 悬浮的气球环与泡沫碗.在有关流体压强与流速的实验中,节目组选择了泡沫大碗、气球花环、泡泡云朵作为实验物品,来验证哪种物品不能在吹风机上悬浮.实验结果如图4所示,泡沫大碗和气球花环都成功地悬浮于吹风机上,而泡泡云朵由于自身密度比空气小,不需要吹风机便会向上运动,在吹风机的作用下便会“灰飞烟灭”.泡沫大碗和气球花环能在空中悬浮的原理为伯努利原理,即气流和水流的流速越快,则流体产生的压强越小.

图4 气球环和泡沫碗悬浮展示图

色彩斑斓的气球花环和充满喜感的泡沫大碗增加了学生的视觉体验和美感体验,同时实验中不可思议的现象也调动学生对于其原理的探知欲望,因此该片段可用于伯努利原理的教学引入,使学生更加关注教师所教授的知识.同时教师还可以设计现场演示实验“吹风机吹乒乓球”,并由实验现象向学生提问“为什么乒乓球会跟着吹风机运动”,来引发学生思考以培养学生运用理论知识解释实验现象的能力,从而形成从现象到本质,再由本质到现象的良性学习循环.

3 小结

总之,将电视科学实验节目作为课程资源引入物理教学,这不仅能为学生创设轻松愉悦的学习情境,调动他们的学习兴趣;也能让他们更加深入地观察实验现象,学到更多物理知识和物理方法;还能丰富学生的课外活动,改变娱乐与学习完全割裂的局面.这些都有助于学生形成“寓学习于娱乐,寓娱乐于学习”的思想观念,有利于发展他们自主探索知识、学习知识和享受知识的能力,最终提升自身的核心素养.电视科学实验节目并不能完全替代课堂中的真实物理实验,而是需要教师选择精彩的视频片段与常规的教学手段进行配合使用,以达到最好的教学效果.