学员习作||立足科学探究 建构科学概念

原创 周玲 格物致理江绪华名师工作室

立足科学探究  建构科学概念

——以初中“液体压强”教学设计为例

重庆第三十中学校 周玲

摘  要： 以液体压强为例，探讨中学物理教学中落实核心素养培育的策略，通过创设情境，提出问题，引发学生思考，讨论，实验操作，建构科学概念，以及利用科学推理导出物理知识，实现核心素养在初中物理教学中落地。  

关键词：核心素养；液体压强；科学探究

教育部2022年最新颁布的《义务教育物理课程标准》中指出：物理学科是自然科学领域研究物质的基本结构，相互作用和运动规律的一门基础学科。物理学通过科学观察，实验探究，推理计算等形成系统的研究方法和理论体系。初中的义务教育物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程。与小学的科学和高中物理相衔接。《义务教育物理课程标准》在教学建议章节还明确提出：发展学生的核心素养是物理教学的根本目标。教师应在领会核心素养，理解课程内容，掌握学生情况的基础上设计教学目标。基于核心素养：物理观念，科学思维，科学探究，科学态度与责任这四个方面是各有侧重，相互联系，相互促进的整体。教师在教学设计中应重视对学生科学探究能力的培养，同时关注实验探究对培养学生物理观念，科学思维，科学态度与责任的重要意义。本文以初中《液体压强》一节为例，浅试在实验探究，推理计算中发展初中学生的核心素养。

一、本节内容的教材分析

现行初中物理教材液体压强一节有三个知识点：液体压强的特点，液体压强的大小和连通器。第一部分主要为探究实验，通过培养学生认识使用液体压强计，利用压强及探究液体内部压强的特点，第二部分通过建立模型推理液体压强计算公式的过程。第三部分为连通器概念的建立，及生活的应用。液体的压强是本章的第二节，学生在初步了解压力及固体压强之后进一步来研究液体压强。液体的压强是压强的另一种形式，本节课的内容既是对压强知识的扩展又是学习大气压强以及浮力知识的基础和铺垫，同时液体压强又是一节很好的合作探究课程。本节安排了探究液体对容器的侧壁是否存在压强以及探究液体内部压强的特点等活动，让学生在科学探究过程中培养学生创造性思维的能力，激发学生的探究意识，引领学生以积极的心态参与探究性学习活动。本节可分为两课时进行，第一课时进行探究活动及公式推理，第二课时完成连通器教学及知识巩固联系。本文就第一课时进行教学设计。

二：学生情况分析：

初二学生对物理的学习兴趣很浓厚，特别是对物理实验“情有独钟”，学生有一定生活积累，但是他们形象思维能力较强，抽象思维能力较弱，注意力不能持久。往往一个知识，教师只说不做实验，效果甚微，如果是学生自己亲身体验探究得出来的，他们掌握效果相当牢固。本节的探究实验操作方便，规律性强，结论容易获取，适宜学生探究：但学生对实验方法和实验方案往往缺乏科学性和严密性，对科学探究的真正意义还不甚明了，需要在实验前进行引导，实验中进行指点纠正。

三、教学目标分析

3.1.知识与技能

  1.观察实验，认识液体内部存在压强及液体内部压强的方向

2.了解液体压强的大小与什么因素有关

3.2.过程与方法

1.通过亲身体验，感知液体压强是一种客观的东西

2.能通过实验体会液体压强大小与什么因素有关

3.通过推理掌握液体压强的计算公式

3.3情感态度与价值观

在整堂课的学习中，能经过发散思维式思维的训练，培养学生乐于参加探究的态度，敢于把想法说出来，与大家交流的勇气。在观察实验中，培养学生的科学态度。能对学习的过程，知识和方法进行总结，梳理所学知识，学会反思。

四、探究液体内部压强与那些因素有关的教学设计

4.1．基于观察和学生实验提出问题，建构液体压强概念

教师展示底部扎有橡皮膜的玻璃直筒，放入固体请学生观察橡皮膜有什么现象产生。

师：同学们看见的现象说明了什么？

生：说明固体对底部橡皮膜有压强。

再将固体换成液体请学生观察现象。

师：这个现象又说明了什么？

生：说明液体对底部橡皮膜有向下的压强。

教师再展示侧壁底部都扎有橡皮膜的直筒管，请学生观察倒入液体后橡皮膜产生的现象。

师：这个现象又说明了什么？

生：说明液体不仅对底部，对容器侧壁也有压强。

教师进一步提问：如果将液体换成固体，还会有上面的现象吗？

生：侧壁橡皮膜不会形变。

师：说明液体压强与固体压强是有区别的。

教师进一步提问：液体内部有压强吗？

待学生思考一定时间后，教师可以鼓励学生戴上塑料手套，将手放入水中感受。

师：同学们有什感受与发现？

生：塑料手套被压在手背上，手感觉有向下，向上的压力

师：同学们感受后有什么结论呢？

生：液体内部有向四面八方的压强。

设计意图：教师通过展示实验让学生逐层递进的观察实验现象，引导式的提问，亲自观察到液体压强的存在及与固体压强的区别，有条不紊的构建物理观念，让学生自己思考，加强了对学生建构物理观念的过程培养。

4.2形成猜想和假设

教师展示六面都蒙上橡皮膜的正方体模型，向学生提问，引出学生对液体压强特点的猜想。

师：如果用这个正方体代替手来观察压强，我们将正方体放入液体中，同学们观察到什么现象？

生：各个面的橡皮膜向内形变，而且形变程度一样

师：通过这个现象我们可以对液体压强有什么猜想？

生：液体内部各个方向都有压强，且同一深度压强相同

师：我们将正方体放在同一液体浅一点的地方和深一点的地方，同学们观察橡皮膜的变化有区别吗？

生：深一点的地方橡皮膜形变大。

师：同学们通过这个现象我们可以得出什么关于液体压强特点的猜想？

生：液体压强的大小与液体深度有关。

师：同学们再想一想，老师今天使用两种不同的液体，是为了探究什么呢？

生：可以探究液体压强与液体密度的关系。

教师可以总结学生关于液体压强的猜想并板书在黑板上，再进一步提出怎样来验证猜想的正确性。

设计意图：展示模型，逐层有目的的提问，引起学生对于可能现象的思考及产生这种现象的原因的猜想，在一问一答的互动过程中，培养学生对课堂的专注力，学生对于问题的积极思考，提升了学生的自主思维能力，到下一环节，学生的猜想得到科学的验证，又会极大的鼓舞学生的物理学习积极性。

4.3设计实验与制定方案

教师先向学生介绍液体压强计的结构及使用方法，介绍完成后向学生提问，

师：我们怎样设计实验来验证同种液体同一深度各个方向的压强相等？

生：可将塑料盒探头放在某一液体某一深度，改变橡皮膜的朝向，观察U形管液面高度差的变化情况。

学生回答后，马上让学生小组合作完成探究实验，这个实验操作简单，结果现象明显，可以请学生完成试验后，讲述探究结果。学生较容易得出：同种液体同一深度各个方向压强相等。

师：接下来同学们关于深度与密度的猜想是否是正确的？我们又可以怎样设计探究实验来验证呢？

生：可以在同种液体中改变橡皮膜在液体中的深度，同时观察U形管液面高度差的变化情况。

生：可以在盐水与清水两种液体将橡皮膜置于同一深度，观察U形管液面高度差的变化情况。

师：同学们的探究方式很科学，我们可以按照刚才的设计进行探究实验，并把探究结果获得的数据记录在表格中。

设计意图：教师提问引导设计实验的过程，及其有效的培养和提升了学生的物理科学思维，设计过程中重复运用的科学探究方法让学生科学探究的能力极大提高。

4.4．获取和处理信息基于证据得出结论并作出解释

通过三次探究实验，学生根据探究结果将测量数据记录在如下表格内

 

试验次数	液体种类	橡皮膜浸入深度（cm）	U型管液面高度差（格）
1	清水	5	5
2		10	12
3		15	18
4	盐水	5	7
5		10	16
6		15	23

整理结论可以得出：

结论1   液体内部各个方向都有压强，且同种液体同一深度各个方向压强相等。

结论2   同种液体，深度越深，压强越大。

结论3    同一深度不同液体，压强不同。

4.5误差及错误分析

学生交流讨论，每个实验小组代表发言，可以得出：因为大气压及橡皮膜的硬度会导致产生实验误差，操作过程中学生读数有一定误差，橡皮管被弯折，漏气，会导致结果错误与科学数据不符。提醒学生在操作过程中注意不要出现错误操作。

设计意图：在这个探究实验过程中，学生相互配合，互相帮助，观察实验现象，记录数据，可以加强学生对于核心素养下的物理观念的认识，在实验过程中渗透了控制变量法和转换法的思想，培养了学生探究过程中的科学探究方法和科学思维，对数据的分析，归纳，总结，提高了学生的探究能力和归纳总结的能力。

五： 通过推理计算液体压强的公式

  师：前面的探究我们明白了液体压强与液体的深度，密度有关，液体某一处压强具体是多大，我们怎么计算出来？

给出学生思考时间，然后给学生展示器材：一个直筒玻璃管，系有细线的塑料薄片。用直筒玻璃管将量筒中的水分割为两部分，向上提起细线，使塑料片封住直筒玻璃管底部，玻璃管内的水可以看成一个水柱，这样就将抽象的求液体内部压强转化为形象的求玻璃管液柱对底部塑料片的压强。由于所求问题形象具体化了，学生理解起来比较容易，学生可以思考先求出液柱的重力，重力大小等于液柱对塑料片的压力，再利用压强公式推出液体压强的计算公式。过程如下：假设直筒玻璃管与塑料片分割出来的小液柱的密度为ρ，液柱高为和h，塑料片底面积为S,则

液柱对塑料片产生的压力：      F=G=mg=ρvg=ρshg 

塑料片受到的压强：           p=F/s=ρgh

面下深度为h处液体的压强：    P=ρhg

推出计算公式后，可以将研究对象的液柱底面积变大占满大量筒，同理可得大液柱产生的压强也是P=ρhg，再继续将液柱的底面积无限缩小到一个点，同理可得大液柱产生的压强也是P=ρhg从而使结果具有普遍性.学生由此明白，推出公式适用于普遍液体压强。

 

 

设计意图：对于压强公式的推导教学，如果按照教材让学生在脑海中从水中剥离出一个圆柱体求重力压力，对于很大一部分学生理解它思维是不够的，相对比较困难。所以可以把场景具体化，用小玻璃管圈出一个水柱，再在底部加上受力的塑料片。学生视觉上就能感受到柱体，再用多媒体把柱体变大让学生明白液体压强与面积无关，再缩小至一个点，让学生明白同一深度每一点的压强是一样的。

六：板书：

1. 液体压强产生的原因：液体有重力和流动性

2.液体内部压强的特点：

（1）液体内部各个方向都有压强，且同种液体同一深度各个方向压强相等。

（2） 同种液体，深度越深，压强越大。

（3）液体压强与密度有关，同一深度不同液体，压强不同。

3.计算公式：P=ρhg   注意：“h”为深度

七．交流、评估与反思

液体压强的教学设计突出了实验教学；突出了研究方法的培养。教师要根据学生的认知规律，设计课堂教学，引导性问题应由浅到深，探究活动应该由简单到复杂，使学生逐步理解所学知识，并在此过程中培养学生自主思考的能力，让学生在真实的学习感受中建构物理概念，培养科学的探究方法及科学的思维，这有助于物理核心素养的落实。在实验中让学生亲自经历科学探究的过程，不但可以学到科学知识，练习操作技能，而且能够进一步唤起学生学习的兴趣，培养学生实践能力和创新意识，

理论推导过程中应该多给学生再多一点时间，充分调动学生思维，一些环节的语言要更简练，学而而不思则惘，思而不学则殆。教师在以后的教学中应进一步研究教材，充分了解学生的学情，更贴近学生的感知水平，教学中要充分体现教师在学生学习过程中的引导作用，通过创设情景，提出问题，给学生提供思考，讨论，时间，展示的机会和时间，重视对学生科学思维方法（控制变量法，转换法，建立模型，科学推理等）和科学探究能力的训练，在实验探究的基础上进行误差分析，便于帮助学生形成严谨的科学态度。

参考文献

[1] 王高.物理核心素养培养浅探[J].物理教师，2016（12）：15-19.

[2] 吴振楠.基于核心素养的问题引导式教学设计.中学物理教学参考，2021（10）：38-40.