馮達(dá) 方濤

(浙江省杭州濱和中學(xué) 浙江 杭州 310051)

實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，也是落實課程目標(biāo)，全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑[1]．其中，利用常見儀器進(jìn)行教學(xué)材料的二度開發(fā)是有效方法之一．注射器雖然是一種普通的醫(yī)療器械，但在中學(xué)科學(xué)實驗中發(fā)揮著獨(dú)特作用，已越來越受到廣大科學(xué)實驗工作者的鐘愛．本文從注射器“氣壓可調(diào)”和“體積可度量”兩個特點(diǎn)出發(fā)，基于《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn))和浙教版《科學(xué)》教材(以下簡稱教材)，設(shè)計了注射器在初中科學(xué)教學(xué)中的系列實驗，并分析了教學(xué)實施情況[2,3]．

1 估測大氣壓

1.1 背景分析

對于學(xué)生而言，大氣壓雖然處處存在于日常生活中，但恰因過于常見，導(dǎo)致學(xué)生對大氣壓的認(rèn)識處于模糊狀態(tài)．為了幫助學(xué)生建構(gòu)大氣壓存在及大小的相關(guān)認(rèn)知，課程標(biāo)準(zhǔn)要求學(xué)生通過實驗認(rèn)識大氣壓的大小，并建議用實驗估測大氣壓的大小．但教材刪去了托里拆利實驗，在“大氣壓的大小”模塊僅介紹了空盒氣壓計和水銀氣壓計兩種測量工具，如圖1所示，而學(xué)生在作業(yè)評價中經(jīng)常涉及利用注射器進(jìn)行大氣壓估測的練習(xí)．為解決這些矛盾，有必要設(shè)計操作性強(qiáng)的大氣壓估測實驗，讓學(xué)生通過設(shè)計與實施實驗，思考并測量大氣壓的大?。?/p>

圖1 浙教版教材內(nèi)容

1.2 實驗設(shè)計

可知，大氣壓強(qiáng)

圖2 估測大氣壓實驗裝置示意圖

1.3 教學(xué)實施分析

在八年級學(xué)生第一學(xué)期學(xué)習(xí)大氣壓章節(jié)時，筆者與合作教師開展了相關(guān)學(xué)習(xí)活動．在課堂引入部分，讓每個實驗小組把注射器的活塞推至注射器底部，并用橡皮帽堵住注射器的小孔，然后用另一只手去拉活塞，發(fā)現(xiàn)需要較大的力才能拉動，且松手后活塞又被壓回筒內(nèi)．在教師引導(dǎo)下，學(xué)生開始思考是什么力量將活塞壓回去及如何測量這個力等問題．學(xué)生的投入狀態(tài)被激發(fā)，教師順勢而為，讓學(xué)生根據(jù)事先設(shè)計的思維導(dǎo)圖(圖3)，以組內(nèi)合作，組間競爭的方式，開展估測大氣壓的學(xué)習(xí)活動．

圖3 實驗教學(xué)思維導(dǎo)圖

注射器估測大氣壓的教學(xué)活動有利于學(xué)生將科學(xué)知識技能、科學(xué)推理思維方法等融于一體，其教學(xué)實施過程呈現(xiàn)以下功能特點(diǎn)：

(1)完成大氣壓部分的課標(biāo)及教學(xué)要求，幫助學(xué)生更深入地建構(gòu)大氣壓的存在及大小的認(rèn)知.

(2)在活動過程中，利用思維導(dǎo)圖與教師的引導(dǎo)作為學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生厘清問題研究的焦點(diǎn)與進(jìn)程，部分學(xué)生呈現(xiàn)出高投入的學(xué)習(xí)狀態(tài)，教學(xué)進(jìn)程順暢.

(3)在教學(xué)過程中，學(xué)生思維呈現(xiàn)發(fā)散趨勢．如在測量改進(jìn)部分，學(xué)生針對誤差來源，提出不一樣的解決思路，例如有人建議用數(shù)字化測力計代替彈簧測力計做到精準(zhǔn)測量，也有人提出解決讀數(shù)不穩(wěn)定的問題時可以利用樂高小車編寫程序，實現(xiàn)勻速直線運(yùn)動，從而測量示數(shù)．值得說明的是，本實驗設(shè)計部分思維含量較高，但在實驗實施部分，需要用到的材料較多，尤其在固定注射器等操作層面，需要教師事先準(zhǔn)備好KT板等材料并掌控課堂秩序．在實驗實施環(huán)節(jié)，筆者建議在實驗活動分析完成后，分發(fā)材料施測，以保障課堂秩序．

2 吸煙的危害

2.1 背景分析

教育的核心旨在于立德樹人，無論是三維目標(biāo)還是核心素養(yǎng)，都強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)與促進(jìn)學(xué)生的思想道德素養(yǎng)、科學(xué)文化素養(yǎng)、健康素養(yǎng)[4]．因此在科學(xué)教學(xué)中利用好課程資源去落實這一目標(biāo)是非常重要的．課程標(biāo)準(zhǔn)明確要求學(xué)生不吸煙，不酗酒，形成健康的生活方式，并且知道良好的生活習(xí)慣是健康的保障．

教材在九年級下冊第三章第6節(jié)中安排了“吸煙危害健康”的內(nèi)容，并設(shè)置了探究活動，主題是“香煙的煙霧對小白鼠的影響”，如圖4所示．此實驗要求用香煙煙霧和小白鼠等進(jìn)行長周期對照實驗，來探究煙霧對小白鼠生命活動的影響．雖然教材設(shè)置的實驗符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，但在日常教學(xué)中，此實驗對實驗資源以及教師的掌控能力提出的要求較高，導(dǎo)致許多教師在教授這一部分內(nèi)容時，往往只是一言帶過，不多加引導(dǎo)．

圖4 浙教版教材實驗

而根據(jù)中國疾病預(yù)防控制中心發(fā)布的《2014中國青少年煙草調(diào)查報告》顯示，中國吸煙者超過3億，并有7.4億非吸煙者遭受二手煙危害，《中國煙民市場狀況調(diào)查報告》指出煙民平均吸煙量為每日17支，并且大多數(shù)煙民形成于青少年(14～22周歲)階段[5]．可以想見，國民吸煙狀況十分嚴(yán)峻，筆者認(rèn)為這背后一部分原因應(yīng)歸咎于基礎(chǔ)教育階段時期的健康教育，換言之，我們對青少年的健康教育不夠．因此，在“吸煙危害健康”這部分內(nèi)容中，如何通過注射器氣壓可調(diào)、體積可度量等特點(diǎn)設(shè)計相關(guān)實驗來模擬吸煙的危害是筆者思考的重點(diǎn)．

2.2 實驗設(shè)計

在這一節(jié)內(nèi)容教學(xué)中，不宜直接向?qū)W生空口描述吸煙的危害，需要基于證據(jù)與實驗．因此，筆者設(shè)計了如圖5所示的實驗裝置，將吸煙的危害可視化．此裝置利用注射器(100 mL)、橡皮管、香煙、棉絮、火柴和熱膠槍等材料配合來工作．連接好圖示裝置，通過熱膠槍將注射器與橡皮管密封相連．在橡皮管中塞入一小團(tuán)棉絮，此時橡皮管模擬的是氣管，注射器模擬的是肺．將香煙與橡皮管相連，用火柴點(diǎn)燃煙頭，往外慢慢拉動活塞．此時注射器內(nèi)氣壓低于外部氣壓，通過創(chuàng)設(shè)低壓環(huán)境，將香煙煙霧壓入注射器內(nèi)．

圖5 吸煙的危害實驗裝置

2.3 教學(xué)實施分析

在教授這部分內(nèi)容時，合作教師進(jìn)行了教學(xué)效果觀測．在教學(xué)過程中，教師通過適當(dāng)引導(dǎo)，讓學(xué)生觀察實驗現(xiàn)象：當(dāng)煙霧貯滿100 mL的注射器時，香煙只燃燒了約十分之一．并將煙民日均吸煙量數(shù)據(jù)以PPT的形式呈現(xiàn)，學(xué)生通過推算可知普通煙民一天吸17支煙，產(chǎn)生的煙霧量是巨大的．隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生將橡皮管中的棉絮取出，可發(fā)現(xiàn)棉絮發(fā)黃明顯，如圖6所示，學(xué)生在看到這個現(xiàn)象之后，非常驚訝并議論.從這些現(xiàn)象中，可以判定取得了一定的教學(xué)效果．進(jìn)一步反思吸煙的危害教學(xué)過程，歸結(jié)了該實驗教學(xué)的3個特點(diǎn)，并就第3點(diǎn)開展了課后延伸活動.

圖6 發(fā)黃棉絮

(1)實驗現(xiàn)象明顯，對比清晰，情感震撼

實驗過程中產(chǎn)生了兩處對比，一處是從橡皮管中取出的發(fā)黃的棉絮與原始的白棉絮對比，可讓學(xué)生產(chǎn)生吸煙的危害既視感；另一處則利用了注射器體積可度量的特點(diǎn)，學(xué)生通過對比香煙的燃燒量(約0.1支)與產(chǎn)生的煙霧體積(100 mL)，倒推吸1根乃至17根香煙，產(chǎn)生的煙霧量大小，從而從量的角度直觀體會吸煙給人體帶來的巨大危害．

(2)取材簡單，學(xué)生參與度強(qiáng)

本實驗選用的材料簡單易得，在學(xué)校實驗室中都可取得，降低了探究實驗的難度；此外，通過教學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)：學(xué)生在參與這個實驗時，興致高昂，反響熱烈(圖7)．

圖7 吸煙實驗截拍

(3)實驗可拓展，課外可延伸

注射器中的香煙煙霧還可用于繼續(xù)探究香煙煙霧對生物的影響(例如金魚)，為香煙煙霧的后續(xù)處理提供新思路．根據(jù)這個思路，學(xué)生將注射器中的香煙煙霧注射到養(yǎng)金魚的水中，并設(shè)置對照組，周期性地觀察香煙煙霧對金魚生命活動的影響，從而達(dá)成與教材用小白鼠進(jìn)行探究實驗“異曲同工”的效果．在延伸實驗活動中，學(xué)生對這類實驗表現(xiàn)出極大的熱情與極高的參與度(圖8和圖9)．

圖8 拓展實驗截拍一

圖9 拓展實驗截拍二

3 多用“土炮”

3.1 背景分析

在學(xué)習(xí)熱機(jī)工作原理時，四沖程是教學(xué)的重難點(diǎn)，但教材在設(shè)置這部分內(nèi)容時，沒有安排活動幫助學(xué)生建構(gòu)做功沖程概念(圖10)．而在作業(yè)評價中，做功沖程等概念經(jīng)常作為考查的難點(diǎn)出現(xiàn)．熱機(jī)四沖程尤其是做功沖程是十分抽象的概念，如無實驗支持，會給學(xué)生理解熱機(jī)做功和功能關(guān)系轉(zhuǎn)化帶來困難．此外，在實驗教學(xué)和作業(yè)評價中，教師經(jīng)常會強(qiáng)調(diào)熄滅酒精燈時應(yīng)用燈帽蓋滅，不能用嘴吹滅，但許多學(xué)生甚至教師不知為什么不能用嘴吹滅(圖11)．原因在于用嘴吹可能會使火苗順著棉線吹向酒精燈內(nèi)部，酒精燈內(nèi)部是空氣與乙醇的混合氣體，遇到火苗易產(chǎn)生爆炸的危險．因此，通過注射器可營造高壓環(huán)境的特點(diǎn)，對這些概念用實驗的方式進(jìn)行深層次建構(gòu)，是筆者思考這個問題的出發(fā)點(diǎn)．

圖10 浙教版教材內(nèi)容

圖11 熄滅酒精燈示意圖

3.2 實驗設(shè)計

為了實現(xiàn)實驗現(xiàn)象從“無”到“有“，筆者設(shè)計了一個簡易“土炮”裝置，如圖12所示．該裝置利用注射器(10 mL)、點(diǎn)火器、細(xì)繩、乙醇、棉簽、橡皮帽、電烙鐵和熱膠槍等材料相配合組裝而成．在該實驗中，注射器具有“炮筒”的作用．

如圖12所示裝置中的點(diǎn)火器是打火機(jī)中用于點(diǎn)火的裝置，利用電烙鐵與熱膠槍將注射器與點(diǎn)火器組裝在一起，并用橡皮帽堵住注射器口．為保障安全，在注射器頭與尾處用細(xì)繩相連．用蘸過分析純乙醇的棉簽在注射器壁上涂抹一周，并用捂熱法讓乙醇?xì)怏w揮發(fā)，與空氣充分混合．此時按下點(diǎn)火器，即可點(diǎn)燃乙醇與空氣的混合氣體，產(chǎn)生火花，活塞被猛烈地推出注射器，并伴隨巨響．

圖12 “土炮”實驗裝置

筆者設(shè)計的“土炮”實驗，不僅能夠通過眼睛觀察，而且還能通過耳朵聽到聲音，給學(xué)生留下深刻的印象，對知識的掌握會很牢固.在本實驗中，同時也要充分考慮安全問題，防止造成人身傷害.

3.3 教學(xué)實施分析

初中生對于新奇的現(xiàn)象充滿好奇，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，其認(rèn)知水平仍處于形式運(yùn)算階段的初期．因此，教學(xué)仍要以實驗手段為主，促進(jìn)其認(rèn)知水平發(fā)展，學(xué)生通過親身感受，可以在腦海中留下深刻印象，深度建構(gòu)有關(guān)認(rèn)知．土炮實驗不僅可用于模擬做功沖程過程，也很好地說明酒精與空氣混合后，遇到明火的危險性．在熱機(jī)四沖程教學(xué)中，教學(xué)難點(diǎn)在于理解四沖程的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系，教師可以演示土炮實驗?zāi)M做功沖程過程，并輔以實驗慢動作視頻，學(xué)生可以看到發(fā)射過程中的火花，從而更加順暢地理解能量轉(zhuǎn)換的過程．同樣，在接觸酒精燈的實驗中，教師可以將土炮演示實驗或者慢動作視頻回放作為教學(xué)環(huán)節(jié)的組成部分，向?qū)W生說明酒精與空氣混合后，遇到明火的危險性，因此不能用嘴吹．本實驗設(shè)計兼具實用性與趣味性，存在許多優(yōu)點(diǎn)：

(1)該裝置簡單易得，成本低廉；

(2)實驗現(xiàn)象震撼，易激發(fā)學(xué)生的興趣；

(3)通過實驗現(xiàn)象分析或者慢動作視頻回放可以建構(gòu)對做功沖程過程與酒精燈不能用嘴吹滅的深入理解．

4 結(jié)束語

上述注射器系列實驗設(shè)計隱含了兩條線索，一條是注射器本身器材的明線，另一條是注射器氣壓可調(diào)的暗線．當(dāng)注射器中氣壓接近真空時，可以進(jìn)行大氣壓的估測實驗，為低壓時，可以做吸煙的危害實驗，為高壓時，可以制成簡易“土炮”裝置，同時利用體積可度量的特點(diǎn)實現(xiàn)量的控制和體積變化的對比．在教學(xué)實施中，每一個設(shè)計可以作為各自部分的教學(xué)材料，將3個設(shè)計組合在一起則可以開展有關(guān)注射器的復(fù)習(xí)課．值得說明的是，在設(shè)計一類器材系列實驗時，筆者遵循的邏輯是：從日常教學(xué)與作業(yè)評價中關(guān)注同一類器材的出現(xiàn)頻次，并分析其常見的原因，原因通常與器材本身的設(shè)計特點(diǎn)有關(guān)，如注射器常見的原因在于其“氣壓可調(diào)”和“體積可度量”兩個特點(diǎn)，然后對照課程標(biāo)準(zhǔn)與教材來尋找教學(xué)中的痛點(diǎn)，結(jié)合器材特點(diǎn)進(jìn)行實驗的二度開發(fā)．在教學(xué)實施過程中融學(xué)科知識技能、思維方法、觀念精神等于一體，滲透立德樹人理念，以實驗效果引而不發(fā)為宜．