探究液體壓強與哪些因素有關(guān)的實驗在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》)中是學(xué)生必做的探究實驗之一。該實驗也是后續(xù)學(xué)習(xí)氣體壓強、浮力等內(nèi)容的重要基礎(chǔ)。

　　一般教材從液體具有流動性及液體會受到重力作用兩個方面研究液體壓強，重點探究影響液體內(nèi)部壓強大小的因素，通過實驗定性探究液體壓強與密度、深度的關(guān)系。在引導(dǎo)學(xué)生思考液體內(nèi)部是否有壓強及液體內(nèi)部的壓強特點時，不同版本的教材給出了不同的實驗裝置(見圖2)。在此基礎(chǔ)上，教材介紹了微小壓強計(見圖3)的原理和使用方法，并讓學(xué)生利用微小壓強計探究影響液體內(nèi)部壓強大小的因素。

圖2　教材給出的實驗裝置

圖3　微小壓強計示意圖

　　根據(jù)教材安排，教師一般采取3個步驟教學(xué)。第一，在引導(dǎo)學(xué)生觀察圖2所示的實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，給出結(jié)論：液體對容器底部和側(cè)壁都有壓強，液體內(nèi)部相互擠壓也會產(chǎn)生壓強。第二，介紹微小壓強計。第三，用微小壓強計測量不同液體(水、鹽水)不同位置的壓強，探究影響液體內(nèi)部壓強大小的因素。

　　這樣的教學(xué)過程存在兩個問題：其一，所謂探究，只是學(xué)生承認(rèn)液體內(nèi)部存在壓強后，按照教材和教師的指導(dǎo)，驗證液體內(nèi)部各個位置有壓強；在液體內(nèi)部同一深度，壓強與探頭的方位無關(guān)；液體內(nèi)部的壓強隨深度的增加而增加；液體內(nèi)部的壓強與液體的密度有關(guān)。其二，從圖2所示的實驗現(xiàn)象直接過渡到應(yīng)用圖3所示的微小壓強計測量液體內(nèi)部的壓強，學(xué)生無法將“膜的形變量”與液體內(nèi)部壓強建立聯(lián)系，因而思維無法延續(xù)。

2.2　采用設(shè)計性實驗

　　(1)教師設(shè)置問題情境

　　根據(jù)設(shè)計性實驗的程序，由教師開展演示實驗(見圖4)，并提出問題：以下現(xiàn)象說明了什么?請同學(xué)們設(shè)計實驗證明猜想或假設(shè)。同時提出要求：明確變量及變量之間的關(guān)系；有清晰的實驗思路；準(zhǔn)確記錄實驗結(jié)果；能用物理知識解釋實驗結(jié)果；能針對實驗中的問題調(diào)整、優(yōu)化實驗方案。表1呈現(xiàn)的任務(wù)單有助于學(xué)生整理設(shè)計思路。

圖4　教師演示實驗

　　在設(shè)計性實驗過程中，學(xué)生的推理過程、實驗思路、實驗操作和實驗結(jié)果不是按照線性順序一步步實現(xiàn)的，而是邊做邊想、邊做邊調(diào)整優(yōu)化，彼此咬合、逐漸清晰完善的過程。

　　推理過程：在學(xué)生自主設(shè)計實驗過程中，推理過程至關(guān)重要，既是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的關(guān)鍵，也是設(shè)計性實驗成功的保證(見圖5)。整個推理過程是學(xué)生不斷思考、完善，最終確定自變量為液體深度的過程。關(guān)于液體壓強是否與方位有關(guān)、是否與液體密度有關(guān)等，不同的學(xué)生會有不同的思考，這些均可納入他們的設(shè)計方案中。

圖5　學(xué)生的推理過程示例

　　實驗操作：設(shè)計性實驗需要教師為學(xué)生準(zhǔn)備豐富的材料(見圖6)，包括：可樂瓶、透明塑料盒、玻璃液體壓強演示瓶、打孔器、皮筋、橡皮膜、連通器管等，由學(xué)生在思考的過程中自由選擇實驗材料進行實驗設(shè)計。

圖6　豐富的實驗材料

　　實驗結(jié)果：在設(shè)計性實驗中，學(xué)生最容易出現(xiàn)的問題就是“迷航”，即做著做著不知道該干什么了，這也是教師指導(dǎo)的重要方面。探究液體內(nèi)部壓力實驗的目的是通過探究結(jié)果解釋實驗現(xiàn)象。因此，在實驗設(shè)計過程中，教師是舵手，要幫助學(xué)生把握設(shè)計方向，最終得到實驗結(jié)果，從而解釋現(xiàn)象，即：液體內(nèi)部各個位置都有壓強，液體內(nèi)部的壓強隨深度的增加而增加，與方位無關(guān)。因此，靠近底部的小孔射出的水柱射程遠(yuǎn)；不同方位的小孔，只要深度相同，水柱的射程一樣。

　　設(shè)計性實驗旨在讓學(xué)生在設(shè)計過程中經(jīng)歷反復(fù)推理論證，體驗物理學(xué)家研究物理現(xiàn)象的過程，探究物理現(xiàn)象背后的物理本質(zhì)，從而形成物理概念，揭示物理規(guī)律，并為應(yīng)用物理知識解釋現(xiàn)象、解決問題奠定基礎(chǔ)。