注重探究实验设计 引导学生深度学习

摘 要：本文基于物理核心素养对初中阶段探究实验的重要性作了阐述，并且以“估测大气压的值”实验为例，寻找破解实验重难点的方法.笔者以变异对照图示和问题链作为桥梁来设计探究实验，以达到提升学生思维品质引导学生深度学习的目的.

关键词：物理核心素养;探究实验;变异对照图示;问题链

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0042-04

作者简介：黄洋（1991-），女，江苏无锡人，硕士，中学一级教师，研究方向：初中物理教学和探究实验教学.

在传统应试教育的影响下，教师往往以如何让学生获得更高的分数为目标，着重讲授物理知识，而弱化了学生对知识本质的理解.尤其在一些重难点知识的教学上，教师往往通过刷题的方式，强化学生的解题方法，而忽视学生对知识的建构过程，这种教学方式与物理学科核心素养的要求并不匹配.

物理学科核心素养，是指学生在接受教育的过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格、价值观念和关键能力，是学生通过物理学习而内化的带有物理学科特征的品质[1].物理学科是一门来源于生活并且以实验为基础的学科，基于学科特点和核心素养的要求，只注重刷题的教学模式，会让学生所掌握的知识脱离生活、支离破碎，不利于学生思维品质的发展.

探究实验是物理知识和规律的来源，物理观念和方法的掌握也渗透在探究实验的过程中.如何提升学生的思维品质引导学生进行深度学习呢？笔者认为，教师在教学设计中，应将探究实验的设计放在首要地位，通过设计问题链的形式，引导学生进行积极主动的思考.本文以“估测大气压的值”实验为例，旨在通过设计探究实验，引导学生进行深度学习，优化学生解决问题的思维能力.

1 基于课标，分析实验难点

物理课程标准，对于大气压的要求是：知道大气压强及其与人类生活的关系.为进一步解读课标的相关要求，我们要结合教材进行深度剖析.教材是教师进行教学设计的重要参考，因此，在准备实验的过程中，第一步应深入分析教材.“估测大气压的值”实验位于苏科版初中物理教材第十章第3节.从形式上看，课本中对实验的处理是以活动形式开展的，也就是教师可以通过演示实验、自主实验或讨论等模式进行教学.从内容上看，课本对实验器材、实验步骤以及实验数据记录进行了详尽的描述，教师或学生只需按部就班地重演实验便可以完成.但是，在现实的教学中，当教师仅仅按照书本上的要求进行讲授时，学生反馈的结果总是不尽如人意，每当试题中出现本实验的相关内容，错误率总是居高不下，归根到底，是由于学生对知识的理解不到位.其问题主要在于：（1）无法理解大气压的存在;（2）无法判断气体压强的方向;（3）无法进行误差分析.

大气压的存在及其方向是本节的重难点，也是测大气压值实验所需要的前概念.因此，在进行本实验前，应该重点先解决前两个问题.大气压之所以成为难点，是由于学生知识水平的局限性和知识本身的抽象性，大气压是存在的，但却是看不见摸不着，力的作用效果也不是很明显，因此让学生理解起来存在一定的困难.那么如何让学生理解抽象的概念呢？这里便可以通过大量的实验让学生去体验大气压的存在并且归纳总结出大气压的方向.

2 注重体验，促进教学生成

大气压属于抽象概念，如果只靠讲述的话，便会显得空洞无趣，学生也会难以理解.因此，教师应精心设计本节课的导入环节，注重学生的实验体验，充分调动学生学习积极性.通过借助学生的前概念搭建知识阶梯，进一步认识大气压的存在.学生已有的知识是固体和液体压强，从现象上来看都能使受力物体发生明显形变，因此可以从直观的实验现象去引导学生理解.

探究实验设计如下.

体验实验1：把一个塑料瓶捏扁，让学生不用手让瓶子变得鼓起来.学生大多会使用嘴吹气的方式.通过这个实验，提问学生是什么使瓶子发生了形变？方向如何呢？本实验旨在让学生体验认识到气体能对容器壁产生压强，瓶内的气体对容器壁的压强向外，为后续学习大气压强埋下伏笔.

体验实验2：在实验1的基础上再利用课本实验：用酒精灯对装有少量水的易拉罐进行加热，堵住罐口并且撤去酒精灯让易拉罐冷却.实验现象：易拉罐向内瘪了.提问学生又是什么力使罐子发生了形变呢？方向如何呢？在实验1的基础上，学生会联想到罐外也有气体，罐外的气体压着罐壁向内凹，方向是向内的.根据两次实验体会可以让学生构建气体压强的概念，教师再介绍大气压的概念.

关于大气压的概念，学生容易将“大气压”与“气体的压强”这两个概念混淆，以至于在后续分析注射器内部由于存在气体导致测量大气压产生误差时，辨别不清内部气体压强和外界大气压强.教材上给出的定义是：“大气对处在其中的物体有压强，这种压强称为大气压强，简称大气压.”[2]教师应该紧抓关键字“大气”，解释“大气”的定义，所谓大气是指包围地球的厚厚的空气，大气与外界环境相联通，而某一封闭空间内的气体不能称之为大气.通过概念剖析，可以帮助学生掌握区分内部气体压强和外界大气压强.

由于大气压概念的抽象性，只用一个对照实验是不够的，此时应该趁热打铁，在认识了大气压强基本概念的基础上，再让学生利用实验器材进行瓶子吞鸡蛋和吸盘挂重物等实验.通过丰富的实验体验，不仅让学生对大气压的应用产生兴趣，而且更加肯定大气压的存在.这样一来学生对大气压便不再陌生，可以顺利进入大气压方向的教学.

3 利用变易，完成科学探究

变易理论认为：“只有学生在教师的引导下，把握住事物关键方面的关键特征，对事物对结构和学习意义有了深入的理解，才能使教師预设的教学内容转化为学生体验到的教学内容，从而达到良好的学习效果.”[3]在利用注射器测大气压时，学生对于活塞受到的大气压方向的判断存在困难.根据变异理论，教师应该引导学生通过实验去抓住大气压方向的关键特征，从而总结出判断大气压方向的方法.

在研究大气压方向时，可以设计对照实验来提高学生抓住问题本质特征的能力.实验设计如下.

对照实验1：教师演示如图1所示的竖直方向的覆杯实验，提问学生为什么纸片不掉下并且能够托住水呢？一部分学生由于初学大气压，给出的猜想是“由于水把纸片粘住了”.为了引导学生深入分析，此处教师可以继续演示如图2所示的抽气实验进行对照，通过抽气，学生观察到抽气后纸片无法托住水而下落.两个实验的对比，相同点是水都接触着纸片，显著变化是由于纸片下方没有大气了，因此学生自己可以很自然地联想到纸片之所以能托水不是由于水粘着纸片，而是由于大气压的作用.此时，教师进一步提问，大气压的方向如何？学生根据本次实验的现象会回答方向是竖直向上的，显然这个结论具有片面性.

对照实验2：覆杯实验，将杯子如图3所示向不同方向放置，观察纸片是否依旧能托住水.基于对照实验1，如果学生认为大气压的方向只是竖直向上的话，那么，图3中的各个方向纸片都能托水的现象会让学生形成思维冲突，重新审视大气压的方向，激发学生的深度学习.在实验现象的基础上，教师再引导学生以纸片为研究对象画出纸片所受的大气压力，通过受力分析，学生可以发现，大气压力的方向总是垂直于受力物体表面并且指向受力物体.

通过两组对照实验，我们可以破解关于大气压的方向这个难点.此外，也可以从微观上大气压的形成进行补充解释.微观上，气体的压强是由于气体分子杂乱无章地撞击物体的表面而产生的，当气体分子撞击物体时会产生压力，由于气体分子的运动是朝向受力物体的，所以大气压的方向也可以认为是垂直于受力物体表面并且指向受力物体.

4 设问题链，引导实验设计

在学生初步形成大气压的概念以及会判断大气压方向的基础上，教师可以引导学生设计“估测大气压强值”的实验.由于学生对于大气压强值是完全陌生的，因此，应先设计实验让学生初步感知到大气压的大小，激发学生学习兴趣.此处建议设置两个演示实验：实验一，教师可以演示水平方向的马德堡半球实验（如图4所示），让班里两个力气最大的同学尝试拉开;实验二，竖直方向上吸盘挂钩码实验（如图5所示），让学生尝试最多可以挂多少个钩码吸盘才能被拉开.通过这两个实验，一定程度上可以吸引学生去设计探究大气压强值的实验.

教材上估测大气压强值的实验是利用注射器，从表面上看，这似乎与前两个演示实验毫无关联，并未搭建一个可供攀登的台阶，学生难以理解.因此，如何有逻辑地从两个演示实验过渡到注射器实验显得尤为重要，这也是提升学生思维品质的重要途径.“问题链”是引导学生的思维向更深更广处发展的途径，当学生的思维停留在对事物表面的认识上时，教师的拔高追问会使学生的思维上升一个台阶，攀向思维的新高.因此，教师应该以“问题链”为台阶，引导学生设计实验，可以帮助学生进一步发现问题、解决问题，走进问题的纵深.

在吸盘挂钩码的实验基础上，教师可以通过设计问题链的方式，引导学生设计出注射器实验.问题链如下：

（1）吸盘为什么能承受这么多钩码的重量？请画出吸盘受力的示意图.

（2）测量大气压强值的原理是什么？你需要测量出哪些物理量？

（3）何时能测出大气压强值？理论依据是什么？

（4）实验中用“钩码”作为实验器材准确吗？如何改良？

（5）考虑到吸盘的自重，你认为如何改进实验使测量值更准确？

（6）利用实验室里的弹簧测力计能否完成这个实验？为什么？

问题1的设计意图：让学生通过画力的示意图，认识到大气压的方向，以及大气压力是“对抗”钩码对吸盘的拉力以及吸盘重力的重要因素，同时也为之后的误差分析做铺垫.

问题2的设计意图：让学生在固体压强的前概念下迁移得出测量气体压强的原理，并且顺理成章地直接得出需要测量的物理量以及对应的测量工具.

问题3是一个难点，因为在挂到最多钩码前，吸盘每次都是处于平衡状态，那么到底以哪次为准呢？这里需要向学生介绍说明，应该以最多的那一刻（再挂最小钩码就会掉下去以前）的钩码重力的大小作为拉力大小，利用平衡力的知识求出对应的大气压力，由于塑料吸盘相对于钩码而言非常轻，在忽略吸盘自重情况下，大气压力可以近似于钩码重力.

问题4是实验的改良，由于钩码变化是不连续的，因此实验结果是不准确的，从而引导学生改进实验.学生根据已有知识可得到将钩码改为烧杯和水或者是用弹簧测力计直接拉吸盘等让拉力连续变化的实验方案.

问题5则是误差分析和改良，当考虑到吸盘自重时，通过受力分析可知测量的大气压力会比实际值小，那么如何减小误差，甚至是可以真正地不计吸盘重力呢？通过这个问题的探讨，学生会给出答案，将整个装置旋转90度，也就是沿水平方向拉就可以了，此时该实验装置与注射器实验就相同了.

问题6则是更进一步地将此实验引向注射器实验，由于吸盘面积较大，用弹簧测力计水平方向拉，拉力的大小需要几十牛甚至几百牛，这远远超过了实验室弹簧测力计的量程，因此，为了测出大气压力应该选用面积更小的实验器材，由老师介绍教材中的实验器材即细的注射器.

通过6个问题构成的问题链，可以从吸盘挂钩码实验有梯度且有逻辑地过渡到注射器实验，让学生明白教材上实验设计的初衷.这样既可以引导学生充分思考，也可以培养学生设计实验、分析误差以及改良实验的能力.

5 后测评价，形成物理观念

学生已经掌握了测量大气压强值的原理，设计出了利用吸盘测大气压强值的实验，并且通过分析，了解了实验的优缺点.也通过实验改进过渡到教材中利用注射器测量大气压强值的实验.在此基础上，我们可以对学生进行后测，通过后测，判断学生是否形成物理观念，进一步让学生巩固测量大气压强值的方法.

注射器估测大气压值实验（如图6所示）存在三个难点：（1）研究对象的确定;（2）大气压力和内部压力方向的判断;（3）实验的误差分析.为解决这三个难点，首先要确定研究对象，只有研究对象明晰，才可以设计问题链，并且利用前文中的大气压方向判断以及受力分析的方法解决后面的两个难点.

由于注射器由活塞和针筒两部分构成，且在实验过程中细绳拉着活塞的颈部，而手拉着针桶的外壁.学生往往在受力分析時会画出两个拉力，这个错误是由于研究对象混淆而导致的.因此，要让学生明确这个实验的研究对象是活塞，拉力也只需要考虑作用在活塞上的拉力即可.

为了进一步破解实验的难点，问题链设计如下：

（1）活塞为什么能承受这么大的拉力？请画出活塞受力的示意图.

（2）测量大气压强值的原理是什么？你需要测量出哪些物理量？

（3）何时能测出大气压强值？理论依据是什么？

（4）如果考虑到活塞受到摩擦力，测量值准确吗？如果不准确，测量值是偏大还是偏小？如何消除摩擦力的影响？

（5）如果考虑大针筒内无法彻底排尽空气，测量值准确吗？如果不准确，测量值是偏大还是偏小？如何消除空气无法彻底排尽的影响？

在这个过程中，重要的方法是通过受力分析，按照前文中“气体压力的方向总是垂直于受力物体表面并且指向受力物体”这个结论去判断大气和内部气体压力的方向（如图7所示），以及用摩擦力的定义来判断摩擦力的方向，从而进行误差分析（如图8所示）.

6 结束语

探究实验是学生形成物理观念和提升物理思维的重要途径，教师应注重课前对探究实验的设计，从而促成学生的深度学习.在探究实验设计的过程中，首先，要注重学生的体验，激发学生的学习兴趣;其次，当遇到容易混淆的概念时，可以设计变异对照图示来引导学生总结归纳关键特征;最后，当遇到难点时，教师可以利用问题链作为台阶，引导学生攀向思维的新高.

参考文献：

[1]张民军.初中物理探究实验中发展学生的学科核心素养[J].中学物理，2020，38（02）：20-23.

[2]刘炳升，李容.义务教育教学书物理（八年级下册）[M].南京：江苏科技出版社，2012.

[3]植佩敏，马飞龙，郭建鹏.如何促进学生学习——变易理论与中国式教学[J].人民教育，2009（08）：33-37.

（收稿日期：2020-10-14）