实践创新实验 凸显科学精神——以“液体的压强”实验教学设计为例

吴 昊 朱文军

陶 恒

《物理教师》2019年第12期中的一篇文章《液体的压强创新实验》[1]，利用4根相同的、一端封有橡皮膜的塑料管(图1)来详细阐述“液体内部的压强可能与液体的密度有关，密度越大，压强越大”，再利用一根上细下粗的塑料管(图2)来“直观地排除影响液体内部压强的因素与液体的重力(质量、体积)有关的猜想”，有待商榷的问题．

图1 液体内部压强对比

图2 排除液体的重力对液体内部压强的影响

1 创新实验“坚持科学性”

文章表明，编号1，2，3的管中装入水，4号管中装有浓盐水．通过创新实验，启发诱导学生根据前3根管子的现象得出“液体内部的压强可能与液体的深度有关，深度越大，压强越大”的猜想，根据后2根管子的现象得出“液体内部的压强可能与液体的密度有关，密度越大，压强越大”的猜想．

得到猜想的前提是对比法的科学运用．而实验中用到的4根管子下面的橡皮膜看似相同，实则不同．这里的“相同”，指材质、生产厂家及同一生产批次，但，“不同”可以断定手工捆扎橡皮膜的松紧程度是无法控制相同的．文中制作的实验器材也一定是在反复实验的基础上，得到的一个符合“标准答案”的实验现象．

笔者根据文中提供的器材尺寸和购买途径，运用文中提到的光面安全套，在两道捆扎的方法下，尽量控制捆扎松紧相对相同，却得到了如图3(a)、(b)所示的实验现象．看来，得不到“标准答案”的实验现象是大概率事件，问题就出在“不同”上，看来对比实验的科学性有待商榷．

图3 笔者实验所得的实验现象

针对文中提到的创新实验，可以做一下处理，来回避出现科学性错误的情况．可以在硬纸板上用强力双面胶粘一排有4个挂钩(挂钩从左到右取名1，2，3，4)的塑料件，再将硬纸板挂在墙上．将1根一端封有橡皮膜的亚克力透明圆管(外径20 mm、厚度2 mm、长度750 mm)按先后顺序倒入很多、较多、较少的水和较少的盐水分别挂在1，2，3，4的挂钩上，然后画出液面位置和橡皮膜鼓起的球状大小．通过硬纸板上画出的4次痕迹做对比实验．从而回避了用多个橡皮膜的对比法的问题，也能达到相同的引导和启发的效果．

对于液体重力对液体压强的影响，是学生们经常不能回避的猜想，文献[1]用5号管来排除，也是不太合适的．可以利用一个注射器来解决．

如图4(a)所示，用一个一次性注射器，在吸入大半管水之后，针孔朝上竖直放置，发现水不能将活塞往下压．随后将注射口通过一根吊水用的软管连接,如图4(b)所示，将下面注射器大部分水压入上面的软管中，松手，发现下面注射器中活塞竟然在水的压强下往下运动．这个实验很好地排除了在猜想环节，学生猜想液体压强和液体重力等的关系．

图4 用注射器演示液体内部压强

实验中，两次水的重力都是相同的，仅改变了水的深度，却能使得第一次活塞和第二次活塞运动情况不同．利用这个创新的实验，就能很好地引导学生认识到液体的压强和液体重力无关．

物理学是以实验为基础的科学，实验也是初中物理教学的重要内容，创新实验凝聚了教师的教学素养和能力，在设计创新实验时首要关注科学性，不能为了实验的对比效果、突出某一种思维方法而忽略了其他的物理思维方法．

2 创新实验“强化探究性”

液体压强这一节内容，引入了一个比较重要的实验器材——压强计．传统的教学是直接拿出压强计，介绍结构和使用方法，学生们通过使用压强计，总结出液体内部的压强特征．但这种教学方式，给学生的思维含量不高，所以长时间后容易忘记，增加学生的记忆负担．教师在教授这一节内容时，总觉得压强计的引入比较突兀，无法和学生建立认知上的联系，学生的记忆过程也比较机械．于是如何设计探究性的过程，让学生自己“探究出”压强计，成为本节课的一个难点．

如图5所示，绑在一根棍子上的玻璃容器上下左右分别封有4个橡皮膜，将其竖直缓缓放入水中，如图6所示，左右和下面3个方向的橡皮膜向内凹，上面的膜向上凸起．

图5 液体内部压强演示装置

图6 演示液体内部各方向压强

师：为什么上面的膜向上凸起？如何改进？

生：内部空气出不来，开一个出气孔．

师：开一个孔，水就进去了．

生：加一个管子，让管子上口伸出水面．

师：老师带来一个两端封有橡皮膜并装有橡胶软管的装置，先捏紧橡胶管，两端橡皮膜形变很小(图7)，再松手，放出内部空气，两端橡皮膜明显向内凹(图8)．橡胶膜虽有形变，但现象还是不明显，如何改进？(提示：温度计中测温液体的体积膨胀，我们是如何看见的？)

图7 容器封闭时的橡皮膜

图8 容器与外界连通时的橡皮膜

生：往管子里加有颜色的水．

师：水会顺着管子流到下面的盒子里．

生：把橡胶管弯成防臭地漏的U字型．

创新实验不应仅仅是新型实验器材的制作和设计，还要有配合传统器材的引入、过渡、理解等思维过程性器材的设计和制作，更要有符合学生思维水平和模拟学生思维过程的教学设计．提升学生思维品质、思维深度的探究性实验器材的创新，也是创新实验的重头戏之一．

3 创新实验“注重时代性”

在“探究液体内部压强的影响因素”实验得出结论之后，为了定量描述深度、密度与液体压强的数值关系，一般会介绍液体压强公式，很大程度上是从柱体压强推导出来的，对于学有余力的学生来说确实是一项有意思且难度不太大的挑战．但对于大多数学生来说，理性的推导记忆深度比较浅，容易忘记．这是因为没有重视初中学生的思维特征——具体、感性、图形图像思维占主导的原因．

如果利用YDLW_DISLab8.0(National)_8.2.0.451软件和配套的数据采集器、相对压强传感器，配合压强计的金属盒、橡胶管部分器材，可以很方便地将水和盐水的内部压强p和深度h、液体密度ρ的图像关系现场呈现出来．课堂演示实验时，邀请两三位学生一起完成，整个过程仅需要2 min时间．通过数据和图像，很容易看出p∝h，p∝ρ．从而在学生脑海中留下比较深刻的印象．

创新实验是物理教师在教学过程中不可回避的实践活动，是课堂实验的有益补充．它体现学生发展核心素养所形成的实践能力、创新意识的培养要求，凸显科学精神，启迪科学思维．

创新实验应重视教材中基本仪器的使用方法和基本实验的操作、原理，兼顾课本中出现的重要演示、分组实验．设计的创新实验一定要能经得起“推敲”，在课堂演示之前，想一想“科学性”“探究性”和“时代性”，会有所帮助．