创建阶梯实验情境 促进科学思维进阶——以“流体压强与流速的关系”优质课为例

西安交通大学苏州附属初级中学(215000) 王 芳

1 问题的提出

美国国家研究理事会(NRC)认为：“学习进阶是对学生连贯且逐渐深入的思维方式的描述。在适当的时间跨度下，学生学习和探究某一重要知识时思维方式依次进阶。”从这一理论出发，根据学生认知思维发展“进阶”的特点，构建基于学生视角的清晰的“阶”是课堂活动设计的关键。

要构建学习进阶，首先要明确什么是“阶”。学习进阶并不只是解决学习者认知发展路径的问题，它解决的是学习者认知发展过程中用以“踏脚”的具体的“脚踏点”。本文以“流体压强与流速的关系”一课设计为例，通过创设学生认知过程中的具体“踏脚点”创建阶梯实验情境，促进科学思维进阶。

2 案例呈现及设计意图

“流体压强与流速的关系”是液体、气体压强知识的拓展，为浮力学习奠定基础。是对液体和气体静态压强介绍后，对流体动态压强的进一步探讨，是对液体和气体静态压强知识的延伸。

新课程标准对“流体压强与流速关系”的要求是通过实验，能总结出流体压强与流速关系，能利用流体压强与流速关系解释升力产生的原因，能利用流体压强与流速的关系解释生活中有关的现象。从课程标准来看，本节课体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的教学理念。因此，本节教学设计以实验为主线，从创设情境、合作探究、延伸拓展3个方面设置阶梯情境，助推学生思维进阶，基于以上分析设计了如图1所示的教学流程。

图1 教学流程

2.1 通过实验器材创设物理情境，思考现象背后的本质，激活学生形象思维

情境1：魔术“隔空点火”

将3根蜡烛并排放置，点燃左右两边的蜡烛,用软管向中间未被点燃的蜡烛吹气。学生观察到中间的蜡烛竟然自动燃烧起来了，引导思考为什么用“吹”的方式能把中间的蜡烛点燃。

设计意图：在传统观念认知中，“吹”是熄灭蜡烛的一种方式，而在这个小魔术中，却用“吹”的方法点燃了蜡烛，与学生已有认知产生强烈冲突，激发学生的求知欲和探究欲,自然引出流体概念，引导学生探究流体压强与流速的关系。

教师引导：物理学中把具有流动性的气体和液体统称为流体，

气体和液体流动时的速度称为流速。前面两节已经学过的液体内部的压强和大气压，它们都是流体静止时的压强，当液体和气体流动时，它们的压强又会怎样？接下来我们通过几组演示实验来探究流体压强与流速的关系。

情境2：乒乓球赛跑

教师活动：向学生介绍流体压强与流速关系演示仪实验装置，如图2所示。一只两端开口的透明管道，先把乒乓球放入其中，然后把透明管道水平插入上下两端开口的竖直白色管道中，透明管道处于水平位置，乒乓球水平方向上受到的大气压强产生的压力相等，处于二力平衡状态。这时如果用吹风机从白色管道上端吹气产生至上而下的气流，带动乒乓球左侧气体流动。同学们想一下，乒乓球会继续处于静止状态还是会运动起来呢？如果运动，它又会向哪个方向运动呢？

图2 流体压强与流速关系演示仪

设问：怎么让空气流动？实验过程中，观察的对象是谁？3个玻璃管中的小球运动快慢一样吗？

学生体验：小组讨论，得出解决问题的方案后，由一名学生上前演示，其余同学观察现象。及时对学生的正确方案给予正面的评价。

教师设问：同学们观察到的实验现象是否与你的猜想一致，乒乓球为什么会从静止变为运动？为什么会向左运动？

交流讨论：吹风机向下吹气改变了乒乓球左侧气体的流速，我们看到的现象是乒乓球从静止向左运动，说明乒乓球受力发生了变化，右侧条件未变，压强不变，说明左侧气体流速改变后压强发生了变化，看来当气体流动时压强会发生变化。

流动的气体的压强和流速到底存在怎样的关系呢？下面，再取出2个相同的透明管道放入乒乓球后插入白色管道，如果重复刚才过程进行一组对比实验，你将会看到什么现象？3个乒乓球是同时到达左侧，还是快慢不同，如果快慢不同，哪个球运动得最快，哪个球运动得最慢？为了便于描述我们把乒乓球标记为1、2、3号球，左侧空气流动后压强分别变为P1、P2、P3。1号球左侧离出风口最近，空气流速最大，1号球运动的最快，说明P1最小，表明气体流速越大的位置，压强越小。3号球左侧离出风口最远，风速最小，3号球运动的最慢，说明P3最大，表明气体流速越小的位置，压强越大。

师生归纳：实验结果表明气体流速越大的位置，压强越小。

2.2 以问题合作探究液体压强与流速的关系，培养学生抽象思维能力

情境3：针筒喷泉

将3种规格不同的注射器用胶粘在一起，如图3所示。每个注射器的上端开有1个小孔，注满水后，推动活塞，使液体流动起来，观察3个孔喷出的液柱高低情况。

图3 针筒喷泉实验

教师：介绍实验装置，并设问：“怎么形成水流？观察到什么实验现象？”

学生小组讨论，形成可行性实验方案。教师进行演示实验。

教师：为什么粗管道的B孔喷出中的液柱最高呢？由于每秒内流经管道不同截面的液体的体积相同，因此横截面积大的位置，液体的流速小，横截面积小的位置，流体的流速大。让学生根据这个原理，结合实验现象，完成表1。

表1 针筒喷泉实验现象及结论

粗管的部分，液体的流速小，上方喷出的液柱较高，说明该位置流动液体的压强较大；细管的部分，液体流速较大，上方喷出的液柱较低，说明该位置流动液体的压强较小。从表1中我们可以得到这样的结论:液体流速越大的位置压强越小，流速越小的位置压强越大。

实验结论：实验结果表明液体流速越大的位置压强越小，流速越小的位置压强越大。

设计意图：学生观察实验，根据现象讨论交流，水柱为什么会喷出？为什么不同位置的小孔喷出水柱的高度不同？以小组为单位，交流、质疑、讨论，主动参与到学习过程中来，学会用简洁精炼的专业术语总结出流动的液体压强与流速之间的关系。

结合气体和液体压强与流速关系的实验进行总结，初步得出：在气体和液体中，流速越大的位置,压强越小。

2.3 以探究促真知，研究流体压强与流速的关系，培养学生创造性思维

情境4：体验流体压强与流速的关系

学生体验：学生2人为1小组，共同设计实验方案，1人动手操作，1人观察并记录实验现象，进行如图4所示的实验。实验结束后，由组长汇报研究成果，自评、互评实验过程。

图4 体验流体压强与流速的关系

教师活动：学生探究过程中，教师实时巡视，与学生交流实验注意事项。教师对探究过程进行反馈，引导学生对自己的探究行为进行反思。

设计意图：每个学生通过自己动手实验，真实经历实验探究过程，通过教师创设的情境将知识和实践结合起来，更好地理解流体压强与流速的关系。

情境5：探究飞机升力产生的原因

教师活动：介绍飞机升力演示模型装置结构及原理，用相对运动的知识推理出飞机升力产生的原因。机翼上下方的风速可用风速测定仪进行测定，打开鼓风机，让学生观察U型管两侧液柱的变化情况如图5所示，使学生获得真实的情境体验，帮助学生理解飞机升力产生的原因。

图5 飞机升力演示模型装置

学生体验：通过动手实践认识机翼的特殊造型，思考机翼有什么特殊的造型，机翼的升力是从何而来？以小组为单位交流讨论，组长汇报。在实验的过程中，测得机翼上方的流速为12.9 m/s，机翼下方的流速为6.8 m/s，上方气体流速大压强小,所以与上方机翼连通的右侧管道中的液面会上升。

学生活动：解释生活中有关流体压强与流速关系的现象。

(1)分小组交流自己在本节课上的收获，分析解释草原犬鼠的“空调”洞穴原理。

(2)火车站或地铁站，离站台边缘一定距离的地方标有1条安全线，人必须站在安全线以外的区域候车的原因。

(3)解释“隔空点火”成功的原因。

实践性作业：自制喷雾器。

设计意图:通过层层深入地启发学生思维，使学生在分析、归纳中获得知识，充分体现了学生的主体性，同时也彰显了本节设计首尾呼应的整体性和严密性。

3 教学反思

教师以初中学生对压强的认识为基础，通过情景与资源的设计支撑学生的建构活动。按流体——流体压强与流速关系——飞机升力——生活中有关流体压强与流速关系的探究这一线索展开教学。将教师演示实验与学生分组实验相结合，给学生更多的真实体验，从而更好地突破教学难点。