在物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)中引入中國元素*
——以倒注壺與連通器為例

張念依 李國榕 鄧楚楚 林琪

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350117)

李海彬

(福建省南安第一中學(xué) 福建 泉州 362300)

葉晴瑩

(福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院 福建 福州 350117)

教育專家指出：中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)應(yīng)植根于中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化土壤中[1]．物理學(xué)科的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)在學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)，引入優(yōu)秀中國元素，從而提升學(xué)生的人文底蘊(yùn)，達(dá)到全面平衡發(fā)展．現(xiàn)人教版八年級(jí)物理教材中的第九章的內(nèi)容為“壓強(qiáng)”，連通器為該章第2節(jié)液體的壓強(qiáng)中的內(nèi)容．關(guān)于連通器的教學(xué)，作為連接液體壓強(qiáng)和大氣壓強(qiáng)的一節(jié)課，很多教學(xué)設(shè)計(jì)往往只是在用實(shí)驗(yàn)室的連通器進(jìn)行演示之后直接得出結(jié)論．但是初中階段的學(xué)生身心發(fā)展不平衡，還需要用具體實(shí)物來支撐習(xí)得的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)．僅僅采用演示后直接進(jìn)行概念教學(xué)的方式，如果不給予更深層次的鞏固，就會(huì)使學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握不牢并對(duì)后續(xù)的應(yīng)用造成消極影響．針對(duì)這些問題，本文對(duì)連通器這一節(jié)課的教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，將極具中國特色的傳統(tǒng)器具“倒注壺” 巧妙地引入課堂教學(xué)，從而提升教學(xué)效果．

在初中階段的物理教學(xué)中，教師應(yīng)當(dāng)根據(jù)學(xué)生所學(xué)的內(nèi)容，為學(xué)生創(chuàng)造條件，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究和思維加工，保證物理概念和規(guī)律的內(nèi)化[2]．當(dāng)課程講解完連通器的原理和特點(diǎn)后，學(xué)生往往還沒達(dá)到可以清晰自主地進(jìn)行運(yùn)用的階段．對(duì)此，我們通過引入“倒注壺”模型，對(duì)此知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行鞏固，提升對(duì)連通器這一知識(shí)點(diǎn)的理解和應(yīng)用能力．

1 利用認(rèn)知沖突 激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

首先，教師可展示青釉提梁倒注壺實(shí)物，如圖1所示，并向?qū)W生介紹倒注壺的歷史：倒注壺最早見于五代時(shí)期，是一種儲(chǔ)水容器，展示給大家的倒注壺是一個(gè)現(xiàn)代的仿品．接著，教師介紹倒注壺的外觀特點(diǎn)：倒注壺有著跟平時(shí)生活中所見的壺一樣的壺嘴結(jié)構(gòu)，但是壺蓋與壺身連為一體，向其中注水時(shí)并不能打開頂部的壺蓋．

圖1 青釉提梁倒注壺

如此奇特的構(gòu)造，與學(xué)生的認(rèn)知產(chǎn)生了沖突，必會(huì)引起學(xué)生的注意和疑問：這壺怎么裝水？

教師此時(shí)順勢(shì)翻轉(zhuǎn)壺體，露出壺底梅花狀小孔，如圖2所示，原來，倒注壺裝水時(shí)，是要從壺底的小孔向內(nèi)注水的！這也是這種水壺叫做“倒注壺”的原因．學(xué)生此時(shí)的疑問更深了：這個(gè)壺裝水后，水不會(huì)從壺底的小孔流出來嗎？

圖2 倒注壺底

而后，教師演示倒注壺的注水過程：倒置壺體，從小孔中向壺內(nèi)注水，而后迅速翻轉(zhuǎn)壺體，使壺體正放，并讓學(xué)生觀察是否有水從壺底漏出．學(xué)生驚奇地發(fā)現(xiàn)，倒注壺裝水正放后，幾乎滴水不漏！認(rèn)知沖突使學(xué)生的好奇心被完全激發(fā)：為什么會(huì)這樣？教師可請(qǐng)學(xué)生猜測倒注壺的構(gòu)造．此時(shí)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)已被充分地調(diào)動(dòng)，紛紛積極猜測壺體的構(gòu)造．

2 層層深入剖析 深化知識(shí)學(xué)習(xí)

在學(xué)生猜測的基礎(chǔ)上，教師向?qū)W生展示倒注壺的實(shí)物剖面，如圖3所示，倒注壺內(nèi)部有一個(gè)中空的圓柱形漏柱與注水口相接[3]．向注水口內(nèi)注水時(shí)，水經(jīng)由注水口，通過漏柱進(jìn)入壺內(nèi)．除此之外，壺身還有一條彎壁隔出壺口通道，如圖4所示．

圖3 倒注壺內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖4 倒注壺剖面圖

學(xué)生了解倒注壺的內(nèi)部構(gòu)造之后，教師讓學(xué)生開展分組實(shí)驗(yàn)，親手操作倒注壺的儲(chǔ)水過程．在此過程中，引導(dǎo)學(xué)生思考、分析、討論倒注壺的儲(chǔ)水、倒水的原理.

(1)注水過程

開始注水時(shí)，水由注水口流入壺內(nèi)，如圖5(a)所示．隨著注水量的增多，水逐漸充滿壺內(nèi)，只要壺中液面高度不超過壺嘴彎管中的A點(diǎn)，如圖5(b)所示，壺內(nèi)的液體就不會(huì)由壺口流出[3]．

圖5 注水過程示意圖

(2)翻轉(zhuǎn)過程

將壺體翻轉(zhuǎn)，這時(shí)有細(xì)心的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在翻轉(zhuǎn)壺體的過程中，有部分水從壺底的注水口流了出來！為什么會(huì)發(fā)生這一現(xiàn)象？教師適時(shí)提問，引導(dǎo)學(xué)生自行分析這一現(xiàn)象的原因．學(xué)生在前面的課程中已學(xué)習(xí)過連通器原理，因此，他們可以很快得出壺體翻轉(zhuǎn)時(shí)漏水的原因：翻轉(zhuǎn)過程中，如果水面的高度高于中央漏柱的所處位置,如圖6(a)所示，根據(jù)連通器原理，水就會(huì)從注水口流出來．

教師在褒獎(jiǎng)這部分學(xué)生的同時(shí)，更加深入地提問：怎么樣才能避免壺體在翻轉(zhuǎn)過程中漏水？

為了解決這一問題，學(xué)生們?cè)俅蝿?dòng)手重復(fù)上述壺體翻轉(zhuǎn)的過程．在動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過討論分析，學(xué)生可得到以下兩種解決方法：

1)快速翻轉(zhuǎn)壺體，盡量縮短壺體處于圖6(a)這一狀態(tài)的時(shí)間，這樣，水就幾乎不會(huì)漏出；

2)減少注水量，如圖6(b)所示，當(dāng)壺體傾斜時(shí)，讓漏柱頂端高于液面，根據(jù)連通器原理，水也不會(huì)漏出．

圖6 壺翻轉(zhuǎn)過程示意圖

(3)正置過程

將壺體放正之后，如圖7所示，壺嘴與壺身構(gòu)成了一個(gè)連通器，只要壺內(nèi)的液體不高于漏柱頂端，如圖7的B點(diǎn)，壺內(nèi)的水便不會(huì)從底部的注水口流出．即達(dá)到了倒注壺的儲(chǔ)水功能．

圖7 壺體正置示意圖

(4)倒水過程

裝好水正置之后，倒注壺類似一個(gè)正常的茶壺．向外倒水時(shí)，壺嘴和壺身部分液面的高度相同，如圖8所示，根據(jù)連通器原理可知，當(dāng)壺內(nèi)的水位持平于或高于壺嘴時(shí)，壺內(nèi)的水便流出來了．

圖8 傾斜倒水示意圖

分析完倒注壺儲(chǔ)水、倒水的過程，教師再次引導(dǎo)學(xué)生思考：這種倒注壺能裝滿嗎？

這一問題把學(xué)生的求知欲又一次調(diào)動(dòng)起來，于是他們?cè)俅畏e極動(dòng)手實(shí)驗(yàn)．在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)：這種倒注壺在倒置注水的過程中，水不能超過壺嘴彎壁的高度，即不能超過圖5(b)中的A點(diǎn)；而壺體放正時(shí)，水也不能超過漏柱的高度，即不能超過圖7中的B點(diǎn)．因此，這個(gè)壺是不可能被裝滿的．這說明，在用倒注壺儲(chǔ)水時(shí)，注水需要把握一個(gè)度．此時(shí)教師可適時(shí)地引入“凡事滿則溢，虧則損”的道理，于無形中對(duì)學(xué)生進(jìn)行課程思政的教育，教給學(xué)生為人處世的道理．

3 實(shí)物簡易復(fù)原 理論聯(lián)系實(shí)際

在分析完倒注壺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和注水、儲(chǔ)水、倒水的原理后，教師可以讓學(xué)生親自動(dòng)手制作一個(gè)“簡易倒注壺”．實(shí)驗(yàn)材料如下：透明塑料杯兩個(gè)、軟管一根、吸管一根(或用兩根吸管亦可)、剪刀一把、熱熔膠若干．

通過課堂教學(xué)發(fā)現(xiàn)，學(xué)生經(jīng)過上述的深入學(xué)習(xí)后，大部分可以自主完成簡易倒注壺的制作．少數(shù)動(dòng)手能力較弱的學(xué)生，在教師的引導(dǎo)和學(xué)生的幫助下，亦可完成制作．

制作方法如下：

(1)將塑料杯甲的杯底穿孔，另一個(gè)塑料杯乙側(cè)壁穿孔；

(2)將吸管截取適宜長度從甲杯的杯底穿入，將軟管從乙杯的側(cè)壁穿入，軟管的一端穿出乙杯的側(cè)壁作為壺嘴，其余部分留在杯中；

(3)用熱熔膠將甲杯和乙杯的穿孔處封??；

(4)將兩個(gè)杯子杯口邊緣對(duì)齊，用熱熔膠使兩個(gè)杯口固定，并封住邊緣縫隙．

課程中，學(xué)生對(duì)制作倒注壺的過程和簡易倒注壺的成品(圖9)非常感興趣．制作完成后，學(xué)生間相互對(duì)比誰的倒注壺在翻轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)漏水，誰的倒注壺更能儲(chǔ)水——在此過程中，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考：為什么有的學(xué)生的倒注壺能裝的水多，有的學(xué)生的倒注壺能裝的水少？為什么有的學(xué)生制作的倒注壺在翻轉(zhuǎn)中會(huì)漏水而有的學(xué)生不會(huì)？并將此作為課后探究的內(nèi)容留給大家，鼓勵(lì)大家在課余時(shí)間制作“不漏水、多儲(chǔ)水”的倒注壺．

圖9 簡易倒注壺

4 結(jié)束語

通過以上案例的學(xué)習(xí)，學(xué)生在教師的引領(lǐng)下，自主思考、主動(dòng)探索，將理論知識(shí)與實(shí)踐操作結(jié)合起來，通過層層遞進(jìn)，步步深化的探究過程，將課本上抽象的概念具體化，并轉(zhuǎn)化為自身的深刻認(rèn)知．課程將動(dòng)腦學(xué)習(xí)與動(dòng)手學(xué)習(xí)相結(jié)合，不僅使學(xué)生的實(shí)踐能力得到鍛煉，也拉近了物理這一學(xué)科與生活的距離，使物理真正源于生活，助于生活．在物理課程教學(xué)設(shè)計(jì)中引入中國元素，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的同時(shí)，感受到了先人的智慧，并體會(huì)到中華民族文明成果的獨(dú)特魅力，提升了學(xué)生的文化自信．同時(shí)，教師也將課程思政隱含在課堂之中，對(duì)學(xué)生的為人處世進(jìn)行潛移默化的教育，達(dá)到了教書育人、潤物無聲的目的．