关注学生核心素养体验创新科学实验——以“流体压强”实验改进为例

赵 曼(山东省烟台福安中学 山东 烟台 264000)田丽杰(鲁东大学 山东 烟台 264000)

核心素养是个人终身发展、融入当今社会的必需品格和关键能力,物理作为一门基础学科,引领着现代科技的进步,物理核心素养的提出不仅顺应了教育发展的必然趋势,更极大地肯定了物理教学的育人功能[1].2011年教育部制定的《义务教育物理课程标准》指出“义务教育物理课程是一门注重实验的自然科学基础课程.此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力”[2].流体压强是对前面压强知识的进一步延伸和拓展，又与生产生活联系紧密.传统教学中，流体压强与流速关系相关液体和气体实验都存在现象不明显，持续时间短，不利于学生观察等不足.而且本节涉及到的流速知识是学习流体压强规律的基础，传统教学介绍液体流经粗细管与液体流速的关系和飞机上下表面气体流速大小时，大部分教师只采用理论分析的方法进行教学而没有实验支撑，学生不易透彻理解流速知识，这也造成学生不能结合生活情境灵活应用流体压强规律.因此，笔者自制流速演示仪，将学生不易理解的流速知识通过鲜明的实验现象得出，降低学生学习难度，提高学习效率.结合改进的液体压强与流速演示器、气体压强与流速演示器以及探究飞机升力演示仪更加鲜明的实验现象，帮助学生获取流体压强规律，培养学生善于观察、善于总结、解决问题的能力，促进学生学以致用.

本文根据教学内容分为探究流体压强与流速的关系实验、探究飞机升力实验、流体压强实例模型情境再现3大部分，每部分结合传统教学方式、改进实验、实验过程、核心素养4个方面进行阐述.

1 探究流体压强与流速的关系实验

1.1 传统教学实验方式

1.1.1 液体压强与流速关系实验

鲁科版《物理·八年级下册》第七章第五节提供的液体压强与流速关系演示装置如图1所示[3]，而目前教学中常用的液体压强与流速关系演示教具如图2所示.

图2 液体压强与流速关系演示仪

对于液体压强与流速关系实验的处理多数教师将其作为演示实验，直接向学生展示书中附图所示的实验器材，教师演示实验后，结合流速知识理论分析讲解，让学生得出实验结论.

经过多年一线教学的积累，笔者将教学过程中学生遇到的困惑和问题进行汇总，具体如下：

(1)实验现象持续时间短，液体流动与不流动时液体压强对比现象不突出.

(2)实验需多人完成，进行实验时不利于学生仔细观察实验现象.

(3)实验容易漏水，造成实验环境污染，意外频发.

(4)实验所用水资源不能重复利用，浪费水资源.

(5)粗细管流速大小部分无相关实验装置，只有理论分析，不能透彻理解流速知识.

1.1.2 气体压强与流速关系实验

本节提供的气体压强与流速关系实验示意图如图3和图4所示[3].气体实验操作相对简单，多采用学生分组实验或趣味比赛来获得实验结论.最后结合液体、气体相关结论综合总结出流体压强规律.

图3 口吹硬币跳栏杆

图4 口吹纸张

(1)硬币跳高实验部分肺活量小的学生不能完成，或者现象不明显.

(2)吹纸实验易受外界风影响，多风环境干扰因素太大，实验结果不够客观.

1.2 改进实验方式

经过以上学生反映的困惑和问题的分析，针对以往实验的弊端，对实验进行了相应的改进优化，自制了液体压强与流速演示器、流速演示仪，引导学生类比液体实验装置，自制气体压强与流速关系演示器.

1.2.1 液体压强与流速演示器

改进装置流体压强与流速演示器如图5所示，该仪器主要由储水瓶、相连接的粗细管、竖管、止水夹、供水泵5个部分构成.

①储水瓶;②相连接的粗细管;

实验装置增加了水槽和储水瓶，通过水泵持续不断向储水瓶供水，水流经粗细管最终流向水槽，整个装置构成自循环系统，实现水资源重复利用，入水口、出水口密封，防止液体外漏，避免了资源浪费.储水瓶向粗细管供水，增加实验时间，而且储水瓶水位高，止水夹打开前后实验现象对比明显.装置安装在支架上，只需要打开止水夹和供水泵开关，方便学生观察实验现象.

1.2.2 流速演示仪

粗细管中流速大小相关知识部分没有实验仪器，受水冲击水轮情景的启发，自制了流速演示仪，如图6所示，装置由储水瓶、相连接的粗细管、螺旋桨、开关4部分组成.

①储水瓶;②相连接的粗细管;③螺旋桨;④开关

自制流速演示仪，在粗细管中各放置一个小螺旋桨，这样就巧妙地将肉眼不能直接观察到的流速大小转换为观察螺旋桨转速的大小，现象直观，说服力强，巧妙突破学生学习难点.

1.2.3 气体压强与流速关系演示器

学生根据液体实验，结合课本气体小实验中的不足，自制气体压强与流速关系演示器，如图7所示，装置包括相连接的粗细管、与粗细管相连接的装有红墨水的软管2部分，并结合吹风机进行实验.

①相连接的粗细管;

在液体实验器材基础上将相连接的粗细管倒置，用软管连接进行实验，结合液体实验经验，快速得出气体流动的压强规律.采用吹风机代替学生进行气体压强与流速实验，现象明显且持续时间长，还可以改变风力大小增加对比实验.

1.3 实验过程

1.3.1 实验器材

液体压强与流速演示器，流速演示仪，气体压强与流速关系演示器，吹风机，插排，红墨水，凳子支架，水桶.

1.3.2 实验步骤

实验1：液体压强与流速关系

将事先准备好的红色液体倒入液体压强与流速演示仪水槽中，打开插排电源开关，水泵向储水瓶中供水，止水夹使出水软管保持关闭状态，水充满粗细管，达到一定高度的时候关闭供水泵，整个装置构成连通器如图8所示，竖管与储水瓶液面相平.打开止水夹液体流动时如图9所示，能观察到液面明显下降，直观形象地让学生了解液体流动时的液体压强要比它不流动时的压强小，清晰地认识流体压强.通过水泵向储水端不断供水，现象持续时间长，学生进一步观察，发现在粗管中液柱高，细管中的液柱低，反映了粗管内的液体压强大，细管中的液体压强小.

图8 流体压强与流速演示器水静止时现象

图9 流体压强与流速演示器水流动时现象

实验2：流速与管粗细关系

学生利用器材分组实验，关闭出水口开关，将水装满储水瓶，观察到水静止时螺旋桨不动，慢慢打开开关，水流动时，快速直观地认识到：粗管中的流速小，细管中的流速大.结合第一部分实验现象，进而发现粗管流速小的位置压强大，细管流速大的位置压强小.

实验3：气体压强与流速关系

用吹风机向粗细管中吹风，现象如图10所示，能明显观察到与粗管相连接的软管中红墨水液面下降，与细管相连接的软管中红墨水液面上升.结合压强知识，学生自己分析出原来气体中也存在粗管流速小的位置压强大，细管流速大的位置压强小的规律.

图10 气体压强与流速关系现象

综合以上3个实验现象，总结出流体压强规律：在流体中，流速越大的位置压强越小，流速越小的位置压强越大.

1.4 核心素养目标实现

该实验过程核心设计思路如图11所示，经过不同情境的创设、递进问题的设计、知识的迁移，学生自己经历“推理”过程获取流动液体中的流体压强规律，让学生认识到实验探究的重要性，培养学生善于观察、善于总结、解决问题的能力.教师进而引导学生通过实验方法迁移，自行设计实验，自制气体压强与流速关系演示器，让学生通过科学想象与科学推理方法的结合，大胆尝试动手实验，发展学生想象力和动手实践能力，使学生敢于质疑，勇于创新，形成尊重事实、探索真理的科学态度，有效落实提高学生核心素养的最终目标.

图11 实验核心设计思路

2 探究飞机升力实验

2.1 传统教学实验方式

飞机升力是流体压强的典型应用，多数教师的教学模式采用如图12所示飞机升力演示实验结合动画和理论分析的方式进行飞机升力知识的讲解，而动画演示是人为设计，可信度不高，由于缺乏实验验证，学生在学习飞机上下表面流速时，经常错误地认为上表面流速小，下表面流速大，导致飞机升力最终不能正确得出答案，阻碍了教学进度的完成.

图12 飞机升力演示器

2.2 改进实验方式

分析以上学生容易犯错的原因，针对传统教学中存在的缺陷，自制图13飞机升力机翼模型，学生分组进行实验，认识飞机升力的存在.类比气体压强与流速关系实验，自制探究飞机升力演示仪(图14)，有效突破飞机升力产生原因.

图13 飞机升力机翼模型

探究飞机升力演示仪包括飞机升力演示部分、U型管、软管、机翼模型4部分，实验巧妙结合机翼模型与气体压强与流速关系装置，通过软管将机翼上表面与U型管左侧相连，机翼下表面与U型管右侧相连，U 型管液面的高度变化反映机翼上下表面的压强变化，从而有效分析出机翼上下表面压强与流速大小的关系，找到飞机升力产生的原因.

2.3 实验过程

2.3.1 实验器材

飞机升力机翼模型，探究飞机升力演示仪，鼓风机，插排.

2.3.2 实验步骤

(1)利用如图13所示自制飞机升力机翼模型，让小飞机起飞的小实验，学生积极尝试，认识飞机起飞是由于飞机受到向上的升力.

(2)教师演示探究飞机升力演示仪，鼓风机未吹风时，机翼上下表面压强相等，U型管两侧液面相平.用鼓风机模拟空气气流，吹向机翼模型，现象如图15所示，观察U型管两侧液面高度变化，发现左侧液面升高，右侧液面下降，结合流体压强和流速的关系，学生自己分析确定原来真的是上表面流速大压强小，下表面流速小压强大.机翼上下表面形成向上的压强差，飞机获得向上的升力腾空而起.

图15 探究飞机升力演示仪现象

2.4 核心素养目标实现

学生利用飞机升力机翼模型进行实验，既增加了学习的趣味性，提高了学生的学习兴趣，又为后面探究飞机升力问题做好铺垫.结合探究飞机升力演示实验鲜明的实验现象，学生自己利用已经获得的知识进行分析，获取飞机升力产生的原因.整个分析过程，符合学情，从感性到理性，巧妙突破本节难点.整个环节让学生体验到物理的奇妙和魅力，提高学生自主学习物理的兴趣，培养学生遇到问题自主思考的习惯和设法解决的毅力，锻炼学生一定的自主钻研物理的能力.

3 流体压强实例模型情景再现

3.1 传统教学方式

学生利用所学的流体压强知识解释生活中的流体压强现象，教材虽然有丰富的文字和图片展示，但是很多学生没坐过火车、地铁，没拆开过吸尘器，更没见过草原犬鼠，生活经验的限制导致学生不能理解具体的流体压强情境，多数教师采用播放视频的方式帮助学生理解情境，但效果不是特别理想.

3.2 改进教学方式

笔者结合八年级学生的实际情况，提供相应的材料，鼓励学生进行科学小创作，安全线模型(图16)、迷你吸尘器(图17)、草原犬鼠之家(图18)模型情景再现，提升知识与生活的关联性，实现在做中学，从表层学习向深度学习发展.

图16 安全线模型

图17 迷你吸尘器

图18 草原犬鼠之家模型

3.3 核心素养目标实现

流体压强实例模型情景再现，直观的现象令人印象深刻，既验证了知识的正确性，又提高了学生的自信心和学习兴趣.笔者帮助学生课下查阅资料撰写科学小论文，更好地了解生活、服务社会.“学以致用”锻炼了学生的物理应用能力，学会用物理知识指导生活，服务生活，有效激发学生学习物理的热情，树立通过学习钻研科技、报效祖国的理想.

4 结束语

本节实验大胆改进创新，自制教具独特，现象直观，利于突破重点和难点.在整个教学过程中，营造一个自主、和谐、多元的实验环境;以实验为主线，以学生为主体，小组精诚合作，充分调动学生学习积极性，培养学生创新思维和实践动手能力.流体压强实例模型情境再现，材料易得，效果显著，帮助学生从生活走向物理，从物理走向社会.整节课以创新实验为依托，贯彻落实了提高学生核心素养的目标.