创新物理实验教学构建智慧课堂

2019-09-20赵艳娟

中学理科园地 2019年4期

赵艳娟

摘要：本文以初中物理“液体的压强”一节为例，探讨如何通过创新物理实验开发与应用，构建智慧课堂，促进学生深度学习。

关键词：初中物理;创新实验;智慧课堂;液体压强;深度学习

引言

物理实验是物理教学的重要内容[ 1 ]。物理教师若能在教学中重视实验设计的层层深入，将有利于学生物理观念的获得与应用，科学思维的锻炼与创新，科学探究的体验与交流，科学态度的养成与提升[ 2 ]，从而促进学生深度学习[ 3 ]。下面，以初中物理八年级沪科版“液体的压强”一节为例，探讨在这一节实验教学中作出的尝试。

1 利用塑料保鲜袋和矿泉水瓶设计实验，帮助学生获得液体压强的直观体验

新课开始，教师用蛟龙号下潜到7000米海底深处的图片引发学生思考：液体会对浸在其中的物体产生压强吗？液体压强的方向、大小有什么特点？让学生带着问题做两个分组实验：先将套有保鲜袋的手臂伸入水下感受（如图1），再将侧壁和底部打孔的空矿泉水瓶压入装水的盛液筒后提起（如图2）。实验完成后请学生说一说观察到了什么，说明了什么。借助低成本分组实验器材让每一个学生亲身感受液体压强的存在并就液体压强的特点进行描述，从而提高学生的观察能力、分析能力、表达能力。教师进一步结合演示教具（如图3）和学生初步归纳液体压强的特点：实验表明，液体朝各个方向产生压强，深度越深，壓强越大。

接下来，教师请学生思考两个问题：（1）为什么液体可以朝各个方向产生压强？（2）为什么深度越深，液体压强越大？请学生结合观察到的实验现象进行推理：液体受重力，可以产生向下的压强，液体具有流动性，所以向其它方向也可以产生压强;液体越深，上面的液体越重，产生的压力越大，于是压强也就越大。教师顺势请学生结合上一节知识推导柱状液体压强的计算式p=ρgh，使学生自然将新旧知识联系起来[ 3 ]。教师继续追问：用这个公式可以计算液体向下产生的压强，那液体向上、向左、向右的压强该如何计算呢？液体压强的大小除了可能与液体的密度、深度有关，与方向是否有关？与液体的形状是否有关呢？从而引导学生进行猜想并设计实验进行探究。

2 利用U型管压强计、不同形状的容器探究液体压强大小与哪些因素有关

本环节有两个重点，一是用什么器材测量液体压强的大小，引导学生学习U型管压强计的测量原理和使用方法;二是用什么方法进行实验探究，引导学生使用控制变量法验证猜想。如果本环节教师有意进行了引导提问，那么本探究环节可以较为顺利地根据教师的预设展开。若教师在第一个环节末端的提问改成“液体压强大小除了与密度、深度有关，还可能与什么因素有关？”学生可能还会猜想到与液体重力、面积等因素有关。这时教师需要引导学生先简后繁，把使用实验器材较少的、操作简单的实验探究先完成，再完成相对复杂的探究内容。比如，当学生提出液体压强可能与液体重力有关，那该如何设计实验验证猜想是否正确呢？经分析，如果仅改变液体重力，同时控制液体密度、深度不变，必须改变容器的形状或底面积。为此，需要引导学生对猜想的变量分类，将液体压强与液体重力或容器形状、容器底面积是否有关同步探究完成（如图4）。由于探头橡皮膜中心处受到的液体压强等效于橡皮膜受到的平均压强，教师应指导学生测量探头深度时尽量读取与橡皮膜中心相平的刻度[ 4 ]。小组进行数据交流汇报时，若学生发现同种液体深度相同的情况下，不同小组记录的U型管液面高度差不同，教师应引导学生思考原因：除了读数误差，由于不同小组的橡皮膜探头松紧程度可能不同，所以即使液体压强大小相同，不同探头受挤压后的形变程度仍然可能不同，导致U型管液面的高度差可能不同，等等。通过对实验数据的分析交流，有利于学生发现问题，大胆质疑，深度思考。

3 利用数字传感器测量液体压强，为液体压强公式提供数据支持

U型管压强计的使用，能半定量地帮助学生观察和记录液体压强的强弱，但还无法直接测量液体压强的数值。能否借助数字传感器进一步测量液体压强的具体大小，为液体压强的计算式提供数据支持呢？笔者利用朗威公司开发的气体传感器进行了尝试：如图5，将气压传感器分别与橡皮膜探头和数据处理器相连，探头置于空气中，先利用气体传感器记录大气压强值，再利用计算机对数据调零。将探头伸入液体内部，可观测到传感器气压测量值增大。实验调试中发现，只有当探头橡皮膜张力适中时，橡皮膜两侧液压增量与气压增量才近似相等（如表1）。当笔者将这套装置展现给学生演示时，大部分学生能意识到传感器直接测量的是橡皮管内气压值而非液压值。教师顺势对目前市面上的液压传感器种类、测量精度做一些介绍，帮助学生了解液压测量技术在生活、生产中的应用。

4 借助自制针筒液压演示器演示液体压强的“魔力”，提升学生科学思维品质

新课教学快结束时，教师使用自制的针筒液压演示仪给孩子们玩一个“小魔术”。如图6，将两个针筒用软管连通并装满红墨水（尽量排出管内空气），其中一个针筒液面用活塞封闭。教师向学生提问：用什么办法可以让针筒的活塞由静变动？请学生到讲台讲解。教师接下来将活塞去除，改变两个针筒相对高度，学生可以清楚地观察到两针筒内的红墨水液面向相平的方向流动的过程。教师据此引导学生思考液体流动的原因，进一步为“理想液片法”教学提供实验情境，提升学生科学思维品质，为下一节“连通器”教学作出铺垫。