王爱生 陈圣宇

摘      要：“流体压强与流速的关系”的教学内容，编入初中教材中虽然已有20余年，但编者和教师都觉得该教学内容简单、学生容易学习，因而没有引起足够的重视。为了最大限度地发挥本节课的教育教学功能，从物理学科是以实验为基础的角度出发，为实现物理核心素养的落地，应当让学生经历必要的、基本的、典型的实践活动，从而实现学生感受直观趣味、经历体验感悟、证据说理逻辑的深度教学。为此，教科书在内容编排上还有待于挖掘、创新和丰富，教师在教学中要从符合学生认知规律的角度，设计一些自创性实验来提高学生兴趣，使学生经历体验、形成表象、获得经验、丰富认知，从而优化教学过程、提高教学效果、提升科学素养。

关 键 词：初中物理  流体压强  自创性实验 实验教学  教学策略

引用格式：王爱生，陈圣宇.初中物理“流体压强与流速的关系”实验的创新与实施[J].教学与管理，2023（19）：52-56.

“流体压强与流速的关系”的教学内容，由于编者和教师都认为该教学内容简单，学生易学习和掌握，一直以来没有引起足够的重视和研究。多数教师认为，只要按照教科书（以下提及的教科书除标注外均指人教社现行版本[1]）编排那样讲授就能收到很好的教学效果。从完成知识点教学任务的角度来说，似乎尊重和理解了教材编者的意图，又符合了学生的认知规律，即创设情境（口吹硬币）→实验探究（口吹两张纸）→规律应用（机翼升力）→习题处理。但从指向物理核心素养的教学来看，教科书在内容编排上还有待于挖掘、创新和丰富，教师在教学中应从符合学生思维认知规律的角度，设计一些自创性实验来提高学生兴趣，使学生经历体验、形成表象、获得经验、交流评价、丰富认知，从而使物理教学真正地回归到实验事实、据证说理、遵循逻辑、实践检验的学科主流教学中，实现指向核心素养的深度教学，最大限度地发挥本节课的教育教学功能。

一、“流体压强与流速的关系”教材的不足

“流体压强与流速的关系”最早编入初中物理教科书中是在本世纪初，當时为了落实2000年颁布的《九年义务教育全日制初级中学物理教学大纲（试用修订版）》要求，在人教版初中物理第二册（经全国中小学教材审定委员会2001年审查通过）[2]《浮力》一章中新增了该教学内容。“流体压强与流速的关系”是液体压强和大气压强知识学习的延续和深化，也是液体压强和气体压强知识的补充和拓展。基于此，人教社初中物理八年级下册[3]将此内容移至《压强》一章中讲授。我们在多年的教学实践过程中感到，此项知识点虽然不难，但总感觉教师的教缺乏逻辑思维的支撑而“空降”，学生的学没有实验事实的证据而“空心”。其原因是教师没有创造性地“用教材”而是机械地“教教材”，同时也受教科书对该教学内容编写不足的影响。

1.新课导入实验的科学性存疑

为了创设教学情境趣味导入新课，教科书编排了口吹硬币跳障碍的新课导入实验。对此，已有学者对该实验的科学性提出了质疑，发文认为硬币跳跃的真正原因是气流进入硬币与桌面间的空隙，把硬币顶起来了，而不是硬币上面的流速快压强小的缘故[4]。我们在课堂教学中发现该实验的成功也需要很强的实验操作技巧，学生在吹气时，由于没有控制好口型大小的限流、呼出时瞬间爆发力的持久以及气流与硬币上方距离的远近等因素，致使学生“吹”不成功。因此，学生的兴致大跌，故该实验提高兴趣、启动思维、指向问题的导入新课的功能也削弱。

2.探究规律实验的直观性不强

为了探究流体压强与流速的规律，教科书编入了“两张下垂页面相对并相隔一定距离的纸，用口向两张纸中间吹气，它们就会相互靠拢”（类似的还有，放在水盆中两船模型的中间吹气靠拢、放在平行铅笔上两乒乓球的中间吹气靠拢、并排放置两蜡烛火苗的中间吹气靠拢等）。这些实验虽然现象比较明显，也较易成功，对于口吹气两物体中间相互靠拢这一事实，学生从力可以改变物体运动状态的知识出发，理解两张纸靠拢是受力运动的结果并不难，但能与两物体中间位置的气体流速快压强小联系起来即不易，根据两物体中间吹气靠拢现象归纳出“气体流速快的地方，压强小”的规律，这在思维坡度上有点难！有些思维敏捷具有批判精神和实证素养的学生会提出，两个物体靠拢时中间位置的气体压强真的变小了吗！是不是还有其他原因呢？因此，这样的教学是教师想当然的强硬的“空降”。

3.机翼升力实验的实证性缺失

为了解释机翼升力获得，教科书编排了机翼模型实验。该实验制作简单，容易成功，但学生对课文中“机翼上方气流通过的路程较长，因而速度较大”的描述怀疑道：这是真的吗？受学生已有知识和理论的限制，我们不可能从流体力学的连续性定理出发，给予逻辑严密的清晰解释[5]。可见，该教学无法直观显示机翼上下方流速快慢和压强大小。因此，这样的实验缺少有说服力的实验证据，因而知识的获得是“空心”的，不利于学生利用实验手段创新性地解决问题。

4.编排的实验内容和数量较少

对“流体压强与流速的关系”的教学，教科书编排的内容有4个实验，其中拓展性实验“用传感器研究气体流速与压强的关系”大多数学校没有此实验设备而无法实施（这可能是把该实验编排为拓展性实验的缘由）[6]。该教学内容作为一节独立内容编排来讲授，从我们的教学实践来看，该教学内容安排的实验数量偏少，因而剩余大量的教学时间，多数教师只能用多做习题的方式来弥补。由此感受到学生缺少动手操作、经历体验的过程，缺乏深度参与逻辑思维以及“做中学，学中玩”的趣味。

二、“流体压强与流速的关系”教学的优化

从物理学科是以实验和观察为基础的角度来说，该教学内容应当设计必要的、基本的、典型的实践活动。因此，我们的教科书和教学都有待挖掘、创新、丰富，从而优化教学过程、提高教学效果、实现深度学习、提升核心素养。

1.魔术实验，增强趣味，创设情境引出问题

新颖、奇异、美妙的实验会使学生情绪高涨、促进思考并提出问题，使学生产生一种“心求通而未得，口欲言而弗能”的境界，这样引入新课会达到事半功倍的效果。因此，我们有必要采用具有神秘、有趣、好玩的魔术、杂技、游戏等形态的实验操作方式，从而使学生在学习的过程中积极、自主、持久地去认识和探究，实现“道而弗牵，强而弗抑，开而弗达”的启发性教学。

[演示实验1]老师带来一个神奇的管子（洗衣机排水软管约1.2m长），并右手握住软管上部向学生展示，让同学们见证奇迹：握住软管的右手做圆周施力带动软管上部旋转，同时用左手将软管的另一端放入盛有纸屑（或庆典时用的五彩纸屑）的容器中。这时学生会观察到纸屑从软管的上端口喷射出去，看似“天女散花”，非常美丽壮观。

[演示实验2]“吹不跑的乒乓球”。手握电吹风机（吹风口是圆的比较好），通电后将吹风口向上，把乒乓球放在吹风口的气流上，学生会观察到乒乓球在吹风口的气流上悬浮着，也没有被吹跑掉。教师在讲台上移动电吹风机位置时，悬浮着的乒乓球也跟着移动。吹风机口倾斜时，悬浮着的乒乓球也跟随倾斜，特别有趣，好玩。

[学生实验1]“吹不进瓶里的小球”。用泡沫塑料制成一个比塑料饮料瓶口稍小一些的小球（也可用致密的纸团代替），将制好的小球停放在水平放置的饮料瓶口处（不要掉入瓶子里）。当用力向饮料瓶口中的小球吹气时，学生会观察到小球不但没有吹进去，反而吹了出来。

[学生实验2]“吹不走的纸片”。用右手握住水平的长条形刻度尺的右端，在刻度尺的中间部位的背面，用左手按住一个长约8cm的长方形纸片（宽度比格尺稍微宽一些）。当对着有纸片的刻度尺面匀速垂直向下吹气，同时松开按在长方形刻度尺纸片上的手。学生会观察到纸片牢牢地紧贴在刻度尺面上，并不被吹走。停止吹气后，纸片就会掉下来。

[学生实验3]“能吹转移的小球”。取两只口大底小的圆台形玻璃杯，其中一只杯里放一个乒乓球。将两只玻璃杯口对口对着放置于桌面上，且杯口的下面相连接，这样杯口的上面自然留有一定的缝隙。当口对着两只玻璃杯口的缝隙快速吹气时，学生会观察到乒乓球从一个杯中，进入到另一个杯子里。

新课引入环节的设计意图：设置实验1的目的是利用自创性实验的奇异现象激发学生兴趣、产生震撼、启动思维，但该现象的条件和目标（流体压强与流速有关）之间存在的内在联系比较隐蔽，学生很难猜想到该现象与流速有关。为此，在学生兴奋得“哇”的时候，老师提出，“下面再做一个与该实验道理相同的有趣实验”。我们引入了实验2用电吹风机的气流吹乒乓球实验，可引发学生猜想到这些现象与气流有关。为了证实猜想这些现象与气流有关，我们又创设3个小实验，从而使学生经历体验，感悟到这些现象与流速有关。这些实验是学习完“流体压强与流速的关系”知识之后，提供给学生的真实有趣的案例，不仅有助于知识的理解和巩固，还在课堂教学结构上实现了前后呼应的完美。

2.简明实验，直观经历，强化体验感悟规律

教科书通过“两张纸中间吹气而相互靠拢的实验”，或漏斗吹乒乓球不掉下去的实验，或吹细线悬着气球侧面时气球向这侧运动等实验，分析得出“流速快的地方压强小”。以這样的教学过程获得的规律，没有直观实验验证，教师只能无奈地“想当然”地“空降”。为此，我们基于学生在学习液体压强中比较熟悉的微小压强计为“启始能力”，设计了如图1所示的双探头压强计，能方便地检测出“流速快的地方压强小”，从而实现以已有的认知为出发点，以直观实验为手段，以实验事实为依据的教学，丰富或改造了认知结构，符合学生的认知规律，使学生对获得的知识能充分地理解和信服，避免形成“空心”。

[演示实验3]为了配合双头压强计直观地探讨“流速快的地方压强小”的事实。我们设计如图2的自创性实验装置。演示时，先把双探头压强计的A、B探头分别放置在橡皮膜左右两侧（也可找学生来协助），此时“U”型管中左右两边的液柱液面相平（教师要提示让学生观察）。在橡皮膜的左侧与橡皮膜表面平行吹气，学生会观察到指针向右偏转，表明橡皮膜向左凸起，说明橡皮膜左侧受到的压力，比橡皮膜右侧受到的压力小。因而推理出橡皮膜左侧的气体压强比右侧的气体压强小。同时观察到双探头压强计的“U”型管中左边的液柱液面比右边的液柱液面高，显而易见橡皮膜左边的气体压强比右边的气体压强小。我们若在橡皮膜右侧吹气，重复上述操作其结果正好相反。

此时学生从事实出发，有理有据地分析总结出：在气体中流速快的位置压强小。该实验也能直观地模拟说明，动车进站时为什么旅客要站在安全线以外。

[演示实验4]如图3所示的自创性实验装置。先让学生观察，水不流动时粗细管上的竖直玻璃管中浮子显示水的深度相同，从而表明粗细管中水的压强大小相同（连通器的原理）。这也是隐性地强调流体力学与静体力学的不同，从而引导学生开始建构新的知识。演示时，打开止水夹，让水流流入接水容器中，此时学生观察到粗管中红色的木块运动慢，细管中红色的木块运动快。同时通过比较红色浮子位置高低，也会观察到粗管上的竖直玻璃管中的水柱液面比细管中的水柱液面高一些。从而有力地表明：在液体中流速快的位置压强小。

探究规律环节的设计意图：探究规律的实验主要是考虑实验突显的现象具有直观性和真实性。认知过程要符合思维逻辑，得出的规律才能被学生认可和信服。为此，演示实验3先通过指针旋转的变化，让学生感受到橡胶膜受气体流动影响了，然后猜想出流速快的位置压强小。再用图1的双头探头压强计测量出流速快的位置压强真的变小了！从而分析、推理、归纳出“在气体中流速快的位置压强小”。可从归纳法的角度来看，演示实验3只能表明气体流动时的规律，不能概括出流体（流体包括气体和液体）的规律。因此，我们又设计了演示实验4来表明液体流动时的规律，从而概括出“流体压强与流速的关系”。实验3最大的优点是：水流动时粗细管中的红色木块从左向右运动，学生通过红色木块能明显地观察到粗管中的水流速度慢，细管中的水流速度快。顺便说明一下，在红色木块上钉入一个铁钉，这样可方便地从粗细管的外部，用磁铁吸引红色木块上的铁钉，将红色的木块重新移动到粗细管的最左端，以便再操作演示观察。

3．巧妙实验，证据说理，习得实证检验方法

针对机翼升力的学习，教科书编排了机翼模型实验，即双手拉紧穿过前端的细线，口对机翼前端水平吹气，以前端为轴机翼尾部旋转上翘起来。该实验中机翼模型没有受力“整体”向上运动，而是尾部向上旋转运动，因而不能直观地表明机翼升力是受到气体向上和向下的压力差。同时这样的教学过程最大的不足是无法解释清楚为什么机翼上方的空气比下方的流速快。因此，该知识点的教学也成为本节课的教学难点[7]。为此，我们对机翼模型进行了改进，用泡沫塑料代替纸片机翼模型，添加了显示风速的叶片小风扇，机翼沿着固定的木棒上升，从而发挥了模型实验的直观、检验、实证的功能。

[演示实验5]如图4所示的自创性实验装置。演示时，用电风扇的强风对着机翼的头吹风，使机翼模型沿着圆木棒升起。当升到一定位置稳定时，学生观察到固定在上表面的小风扇叶片的转动，比固定在下表面小风扇的叶片慢一些。同时把图1所示的双探头压强计的A、B探头，分别放置在上下两个小風扇的附近，可观察到“U”型管中左边液柱的液面高于右边液柱的液面。从而表明机翼上表面位置的压强比下表面位置的压强小。从而推理出机翼升力是受到气体向上和向下的压力差。

验证规律环节的设计意图：在机翼模型上下表面固定两个相同的小风扇（可用旧电脑上冷却CPU的风扇），其主要的目的是通过小风扇叶片转动速度不同来显示空气流速不同。这样学生通过直观事实可知，机翼模型上表面的风速比下表面的风速快，从而弥补了教科书“空降”的“机翼上表面空气流速比下表面空气流速快”的抽象说明，同时用双探头压强计可直接验证机翼模型的上表面的气体压强比下表面的气体压强小。这样的直观、操作、经历的教学，不仅有助于学生理解机翼产生的升力是空气向上压力与向下压力之差，更能培养学生的科学理念：新的知识是建立在新的实验基础之上的，知识的发展也必须经过实验检验。

4.变式实验，规律验证，知识迁移巩固提升

“课程标准”对本节课的要求是：了解流体的压强与流速的关系及其在生活中的应用。因此，该知识点教学要与生活和生产联系起来，并围绕学生熟悉的生活展开，从而落实“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念，也会让学生知道物理就在身边，感受物理的魅力、力量和价值。

[演示实验6]揭示足球射门时“香蕉球”形成的原因[8]，可用如图5所示的实验装置来帮助学生理解。演示时电动机不转动，只用电风扇向正西方向吹小球时，观察到小球向正西运动。打开玩具电动机的电源开关（图中未画出开关、电源、导线等），使小球通过细线逆时针高速旋转起来，这时用电风扇向正西方向吹小球，学生观察到小球偏离吹风的正西方向而向西偏北方向运动。改变电动机的转动方向后，使小球通过细线顺时针高速旋转，这时用电风扇向正西方吹小球，观察到小球偏离吹风的正西方向而向西偏南方向运动。

[演示实验7]草原犬鼠洞穴“通风”模型，如图6所示的装置。演示时，将有颜色的纸屑从“洞穴”左边“洞口”放入，观察到纸屑已经掉入左边“洞底”了。用电吹风从模型的上方水平吹气，可观察到纸屑在U型管中向右边移动，并从“洞穴”的右边“洞口”飘逸出来。同时把图1所示的双探头压强计的A、B探头分别放置在U型“洞穴”左、右两边“洞口”附近，可观察到“U”型管中左边液柱的液面低于右边液柱的液面，从而表明U型“洞穴”左“洞口”处的气体压强比右“洞口”处的气体压强大。

通过实验现象的分析和事实验证，学生欣赏到犬鼠的“聪明才智”，为大自然的玄妙所折服。该实验现象所形成的直观表象有助于学生的思维与认知结构的联结、提取，从而为解释雨天有风伞向上运动、房子中烟筒冒烟、楼房中卫生间排气装置以及地铁的通风构造等现象提供认知上的支撑。

[演示实验8]“漩涡”“漩风”模拟实验，如图7所示的实验装置。打开玩具电动机的电源开关（图中未画出开关、电源、导线）让电动机旋转起来，从而带动叶片旋转，叶片使周围的水也跟随旋转，形成旋转的水流。可以清楚地看到漂浮在水面上的白色乒乓球被旋进水流中并向中心（叶片处）下沉；而黄色的乒乓球被旋进水流中并向中心（叶片处）上升。这是因为叶片旋转处的漩涡水流流速很快，所以压强变小，外面的水流速度慢，压强大，形成压力差，将乒乓球压进漩涡。

该实验非常生动地说明了海洋形成水漩涡（或台风形成的龙卷风）非常危险，容易把船只或者人等卷入其中去。

综上所述，通过自创性实验来创设真实的学习情境，可以改变以往就题论题的单一教学方式，同时能激发学生解决问题的兴趣。针对日常生活中复杂、抽象、典型的物理问题，通过实验来运用知识、理解知识，有利于学生丰富认知，形成能力，内化素养。上述创新性实验为学生的学习在认知上提供了具体模型，在思维上降低了坡度，在逻辑上给予了事实的支撑。

参考文献

[1] 课程教材研究，物理课程开发中心.义务教育教科书·物理：八年级·上册[M].北京：人民教育出版社，2012：44-47.

[2] 人民教育出版社物理室，中国教育学会物理教学专业委员会.九年义务教育三年制初级中学教科书·物理（第一册）[M].北京：人民教育出版社，2001：185-186.

[3] 课程教材研究，物理课程开发中心.义务教育教科书·物理：九年级[M].北京：人民教育出版社，2002：87-89.

[4] 刘剑锋，郭云华，赖益航.对两个有关“流体压强与流速关系”实验的探究[J].物理教师，2018，39（05）：39-40.

[5] 孟兆锋.硬币起飞试验的感想：流体力学现象的研究[J].科技资讯，2005（22）：129-130.

[6] 陈耿炎，熊华.可控促探究  可视助理解：探究流体压强与流速关系的实验改进与创新[J].教育与装备研究，2017，33（10）：58-60.

[7] “流体压强与流速的关系”的两点突破：参加“一师一优课”活动随

笔[J].物理教学，2016，38（08）：32-33+31.

[8] 王爱生，佟岩.“香蕉球”演示器[J].中学物理教学参考，2007（06）：38.

【责任编辑  孙晓雯】