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基于思维可视化的实验改进及探究液体压强影响因素

2023-09-08 17 上传者：管理员

摘要：发展学生的物理学科核心素养是物理课程的核心目标，培养学生的思维能力是物理学科核心素养的关键内容.以“探究液体压强与什么因素有关”的实验为例，阐述核心素养视域下通过对实验的改进和设计，增强实验的可视性，促进学生思维过程的可视化，提升学生的思维能力.

关键词：
可视化
实验改进与设计
思维能力
教育学
核心素养
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发展学生的物理学科核心素养是物理课程的核心目标，培养学生的思维能力是物理学科核心素养的关键内容，思维能力的发展不是来自于对知识的记忆，而是来自于知识生成中的思维过程发展.物理学是一门以实验为基础的自然科学课程，物理实验是中学物理教学的重要内容.借助于实验，把物理现象的变化过程展示出来，指导学生进行观察、思考和表达，有助于学生思维过程的可视化，从而发展学生的思维能力.

本文以“探究液体压强与什么因素有关”的实验改进与设计为例，阐述核心素养视域下如何通过对实验的改进和设计，引发学生思考探索，提升学生的思维能力.

1、传统教材中的问题

在人教版八年级物理下册第九章第2节“液体压强”一节中，通过如图1所示的实验装置，从液体具有流动性和液体受重力出发得出：液体对容器底部和侧壁有压强，液体内部也有压强.在这个实验的基础上，直接过渡到如图2所示的微小压强计，介绍微小压强计的使用方法，从而进行液体内部压强特点的实验探究.这样的教学过程存在两个问题.

(1)图1的实验不能全面地显现液体内部压强的特点和可能的影响因素，不利于学生观察、猜想、分析与总结液体压强的特点.

(2)从图1的实验直接过渡到图2的微小压强计，学生的思维没有连续性，学生对微小压强计原理和操作的理解，仅仅是通过教师的讲解和演示灌输得来的，是被迫接收的，不利于学生真正理解实验仪器的原理以及涉及到的思想方法.

“探究液体压强与哪些因素有关”属于《义务教育物理课程标准(2022年版)》(以下简称“新课标”)中一级主题“实验探究”中的探究类学生必做实验，新课标涉及的内容包括：掌握液体压强的特点及液体压强的影响因素等知识点；理解运用转换法和控制变量法等科学方法；提高学生的科学思维和科学探究能力.液体压强的知识比较抽象，学生相关的感性认识较少，因此是学生学习的难点.在教学中教师应注意加强实验教学，引导学生在实验中观察、分析与总结，从而突破教学的难点.

2、基于思维可视化的实验改进与设计

教师通过增大实验的可见度，增强知识可视化，使教学直观有趣，激发学生的求知欲，促进学生积极思维.在真实的问题情境和实验探究过程中，让学生思考看到了什么?想到了什么?从而使学生的思维可视化，培养学生基于证据进行推理和论证的能力，激发学生的创新意识，提高学生的创新能力，让学生的学习起于知识，落于素养.

2.1改进实验，使知识可视化，了解液体压强产生的原因

在学习“压强”的有关知识时，学生已经知道，可以用“膜的形变量”观察压力的作用效果，如图3所示.鉴于此，在学习“液体产生压强的原因”这部分内容时，教师可以将盛水的烧杯放在水平桌面上(如图4所示),让学生观察并思考下面三个问题.

问题1:盛水的烧杯对桌面是否产生压强?为什么?

问题2:杯中的水对杯底是否产生压强?为什么?如何显示?

问题3:水对杯壁是否产生压强?为什么?如何显示?

结合图4对固体压强的描述，学生能够给出如图5所示的设计方案：在容器底部、侧壁包上橡皮膜等容易形变的薄膜来显示压强，从而引入证明液体压强存在的方法.

通过观察图5所示的实验现象，学生能够归纳总结出液体压强产生的原因：液体受到重力作用，对支撑它的容器底部有压强；液体具有流动性，对容器的侧壁有压强.

由教材实验图1过渡到改进实验图5,让形变可视化，建立方法上的联系，可以有效地提高信息加工和信息传递的效能，易于培养学生的归纳总结和分析论证能力.

2.2评估反思再改进，使思维可视化，了解液体内部压强的特点

图5的实验现象能初步说明液体对侧壁和底部有压强，但是不能显现出液体内部的压强.通过如图6所示的实验仪器可以让液体内部压强可视化：在透明密闭长方体塑料盒的上下左右四个面的中心处，挖出六个大小相同的圆孔，在圆孔的表面分别蒙有相同的橡皮膜a、b、c、d、e、f.抓住手柄将覆膜塑料盒竖直浸没到水中后静止，观察到如图7所示的实验现象，基于这个实验现象，学生思考回答以下问题：

(1)观察这六片橡皮膜的形变方向，你观察到什么现象?这说明什么?

(2)对比观察橡皮膜a、b的形变程度，你观察到什么现象?这说明什么?

(3)对比观察橡皮膜c、e的形变程度，你观察到什么现象?这说明什么?

(4)对比观察橡皮膜c、d的形变程度，你观察到什么现象?这说明什么?

由图5所示的实验过渡到图6所示的实验，学生观察到真实的操作过程中如图7所示的实验现象，非常直观、明显，学生对抽象的液体压强的真实存在和特点有更加直观的感知.学生通过对比观察图7中橡皮膜的形变程度和形变方向，分析推理得出以上问题的结论，培养学生基于证据进行科学推理和论证的能力.此实验为“探究液体内部压强与哪些因素有关”提供依据；用橡皮膜的形变程度反映压强大小，为学习压强计做铺垫，建立研究方法上的联系——由膜的形变判断是否有压强产生.

2.3开发设计微小压强计，使探究可视化，理解液体内部压强大小的特点

2.3.1建立微小压强计模型

通过对覆膜塑料盒的观察分析，学生初步了解影响液体内部压强大小的因素.如果想进一步探索液体内部压强大小有什么特点，就需要多次实验进行归纳总结.让学生再次将图6所示的实验器材浸入水中进行实验并交流：用覆膜的塑料盒探究液体内部压强大小在操作过程中有什么缺点?学生根据真实的操作体验，很容易回答出.

生1:体积太大，不好操作.

生2:实验过程中，橡皮膜的形变程度小时，不易观察.

生3:环境光线暗时，液体内部橡皮膜的形变观察起来较难.

在学生有以上的体验后，教师引导学生思考：如何把橡皮膜的形变放大?能不能不在水中观察膜的形变?

引导学生认真观察实验器材，发现手柄有小孔的支架内部中空，与覆膜长方体内部(气体)连通(如图8所示).覆膜塑料盒放入水中时，膜受到压强，发生形变，挤出盒内部分气体，把它收集到一个细的U形管里，U型管内液体起密封作用，用空气去挤压U形管内的液体，从而形成液面高度差.形变越大，挤出的气体越多，U型管液面高度差越大(如图9所示).这样就可以把液体中膜的整体形变程度转换成空气中的液面高度差进行观察.

教师通过指导学生评估反思实验，让学生在实验中发现问题，改进实验仪器，得到一个良好的实验效果，使学生在真实的实验操作中亲身感悟实验仪器的使用原理和物理研究方法——转换法.把学生的思维过程通过如图10所示的进阶方式展现出来，有利于加深学生对实验原理的理解.

2.3.2简化模型，开发设计微小压强计

让学生用覆膜塑料盒和U型管组合的装置探究液体内部压强与深度的关系如图11所示，同时思考：实验操作过程中有什么感受?用该装置比较液体内部任意位置的压强是否精准?该如何改进这个装置呢?学生通过自己真实的体验得到回答.

生1:体积太大，不好操作.

生2:装置不能向任意方向转动.

生3:用它进行实验比较液体压强时，不能精准确定比较的是哪个点位的压强.

怎么解决以上的问题呢?学生思考讨论后回答可以简化模型，将多膜装置变成单膜装置.优点在于用同一片膜测量液体压强大小，测量点位更精准，测量方向可实现任意改变.这样引出微小压强计，使学生思维有进阶，方法有迁移.从覆膜盒子到微小压强计(如图12所示),学生积极参与实验改进的整个思维过程，有效培养学生批判、创新和改进实验器材的能力.

接下来学生仔细观看教师的实验操作(如图13所示),掌握微小压强计的使用方法.例如，如何调零，如何固定深度，如何转换探头朝向等.教会学生正确使用必做实验所涉及的实验器材，并能根据实验方案进行规范、安全的实验操作.

物理学科有独特的育人价值，其中很重要的一个方面就是对学生科学思维的培养.在教学实践中，为学生提供具有直观可视性的实验素材，给学生搭建思维的台阶，使学生的思维可视化，有助于发展学生的思维能力.同时，学生在参与对实验评估、改进和设计的过程中，能基于事实证据进行科学推理，对不同信息、观点和结论进行质疑和批判，予以检验和修正，进而具备提出创设性见解的品格与能力.这样就把实验的改进过程和学生的思维能力发展过程密切结合，通过学生思维的进阶来改进和设计实验，通过改进和设计实验来发展学生的思维能力，让教学看见思考的力量.

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准(2022年版)[S].北京:北京师范大学出版社,2022.

[2]人民教育出版社,课程教材研究所,物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理(八年级下册)[M].北京:人民教育出版社,2022.

[3]梁旭.物理教学应重视视觉思维能力的培养[J].物理教师,1997(05):11-12.

[4]刘濯源.嬴在学习力[M].沈阳:万卷出版社,2008.

文章来源:谢海焕,蔡晓华.基于思维可视化的实验改进:探究液体压强影响因素[J].中学物理,2023,41(18):53-55.