八年级科学上册《大气压强》探究式教学设计

八年级科学上册《大气压强》探究式教学设计一、教学内容分析从《义务教育科学课程标准（2022年版）》看，本课隶属于“物质科学”领域，处于“运动和相互作用”主题下的“机械运动和力”部分。其核心概念是“大气压强”，这是继液体压强之后对流体压强的深化，也是学习流体压强与流速关系、天气与气候等知识的重要基石。课标要求学生通过实验探究，认识大气压强的存在，了解测量大气压强的方法，知道标准大气压的值，并能运用大气压强知识解释相关现象。这背后蕴含的学科思想方法是以“科学探究”为主线，通过“提出问题设计实验获取证据解释交流”的过程，将抽象概念实证化。其素养指向明确：在探究中发展“科学探究”能力与“科学思维”（尤其是模型建构与推理论证），在解释生活现象与应用中培育“科学态度与责任”，理解科学技术对社会生活的影响。八年级学生已具备固体压强、液体压强的知识基础，对“压力”和“压强”概念有初步理解，但普遍存在“空气很轻，没有压力”的前概念。他们的抽象思维正从经验型向理论型过渡，对直观实验兴趣浓厚，但设计控制变量实验、进行严密的逻辑推理能力尚有欠缺。基于此，教学需从颠覆前概念的震撼性演示实验入手，搭建从感性认识到理性分析的“脚手架”。在过程评估中，将通过观察小组讨论、提问反馈、实验操作规范性、随堂练习准确率等多维度动态把握学情。对于抽象思维较弱的学生，提供更具体的操作指导和现象类比（如类比液体压强）；对于学有余力的学生，则引导其深入分析实验原理，尝试自主设计验证实验，实现差异化支持。二、教学目标在知识层面，学生应能列举至少三个证明大气压强存在的实例，准确描述马德堡半球实验和托里拆利实验的关键过程与结论，记住标准大气压的值及其常用单位，并能够运用大气压强原理解释吸盘、吸管吸饮料等常见生活现象，辨析“吸”与“压”的本质区别。在能力层面，重点发展科学探究能力。学生能够模仿或改进教师示范，小组协作完成验证大气压存在的简易实验；能够通过对托里拆利实验的模型分析，理解其设计思路与测算原理，初步形成利用平衡思想间接测量物理量的科学方法。在情感态度与价值观层面，通过再现马德堡半球实验等科学史实，学生能感受到科学先驱的探索精神与智慧，在小组实验合作中养成认真观察、尊重证据、乐于分享的科学习惯，并激发运用科学知识解释和改善生活的意识。在科学思维目标上，着力发展模型建构与推理论证思维。通过将托里拆利实验中的玻璃管抽象为“液体柱”模型，并分析其受力平衡，学生能建立“大气压强支撑液柱”的物理模型，并以此为核心进行逻辑推演，理解测量原理。在评价与元认知目标方面，引导学生依据实验操作量规进行小组互评，反思在探究过程中“假设验证”环节的合理性；在课堂小结时，能够用自己的话梳理知识脉络，评估自己对核心概念的理解程度，并明确后续深化的方向。三、教学重点与难点教学重点为证明大气压强的存在以及托里拆利实验的原理与标准大气压值。其确立依据在于，前者是构建“大气存在压强”这一核心概念的认知起点，是破除前概念的关键，也是课标明确要求的探究重点；后者则是定量认识大气压强的基石，标准大气压值是重要的科学常数，托里拆利实验所蕴含的“等效替代”和“平衡”思想是物理学的重要方法，在学业水平考试中常作为理解与应用层级的考点出现。教学难点在于理解托里拆利实验的原理及大气压的测量方法。成因在于该实验过程无法直接观察（管内真空），结论需通过抽象的受力分析与液体压强公式间接推导得出，对学生空间想象能力和逻辑推理能力要求较高。预设依据来自常见学情：学生往往记住了76cm汞柱的结论，但难以说清“为何是水银”、“为何管内外液面高度差即为大气压值”。突破方向在于搭建思维阶梯，通过类比“用液体压强测量液体压强”的活动，逐步引导至“用液体压强测量大气压强”的模型建构。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含马德堡半球实验动画、托里拆利实验原理剖析图）、板书记划（预留概念图区域）。1.2实验器材：1.演示实验：马德堡半球模拟器（或大小吸盘）、玻璃杯、硬纸片、水、红墨水染色水、长约1米一端封闭的玻璃管（托里拆利实验演示用，可视频替代）、抽气机（或大注射器）。2.分组实验（每4人一组）：小吸盘挂钩两个、注射器、盛水烧杯、吸管、硬纸片、光滑平板。2.学生准备预习教材相关内容，思考“空气有重量吗？空气对我们有压力吗？”并尝试列举生活中可能与之相关的现象。携带科学笔记本和笔。3.环境布置学生四人一组围坐，便于合作探究。讲台预留演示实验操作空间。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与认知冲突：教师将一个橡胶皮碗（吸盘）用力按在光滑的黑板上，然后挂上一个轻质书包。“同学们，请看，这个小小的皮碗，竟然能稳稳地挂住书包！是什么力量在起作用？难道是胶水吗？”（取下皮碗展示其光滑内表面）。接着，进行“覆杯实验”：将玻璃杯装满水，用硬纸片盖住杯口并用手压住，倒置过来后缓缓移开手。“大家屏住呼吸，看我松手——纸片会不会掉下来？……看，纸片被牢牢‘吸’住了！这又是为什么？”1.1问题提出与路径明晰：“这些神奇现象的背后，可能隐藏着一个我们看不见的‘大力士’。它无处不在，但我们常常忽略了它的存在。今天，我们就一起来揭开这个‘大力士’的真面目——大气压强。我们将像科学家一样，先寻找它存在的证据，再想办法测量它到底有多大，最后看看它在我们生活中扮演着怎样重要的角色。”第二、新授环节任务一：寻找“无形之力”——感知大气压强的存在教师活动：首先，引导学生对导入实验进行猜想。“刚才的皮碗和纸片，如果没有胶水，是什么力量让它们不掉下来？有同学说‘吸力’，那谁来‘吸’呢？”鼓励不同意见。接着，组织分组实验探索。明确任务：“每个小组桌上有吸盘、注射器、吸管、水和纸片。请大家开动脑筋，利用这些器材，设计一些小实验，看看能不能找到更多证据，证明我们周围确实存在一种‘看不见的力’。”巡视指导，提示关键点：“把两个吸盘对挤，挤出中间空气后再拉开试试？”“用注射器吸水后，堵住前端拉活塞，感受一下。”“吸管吸饮料时，如果管顶开个小孔，会怎样？”学生活动：小组热烈讨论并动手尝试。进行“吸盘对吸拉不开”、“注射器提水”（体验大气压托住水柱）、“吸管吸饮料”等操作。观察现象，记录发现，并尝试用语言描述：“拉开吸盘很费力”、“活塞像被什么东西压住了”、“吸管一戳孔就吸不上来了”。即时评价标准：1.实验设计是否具有操作性，能否观察到明显现象。2.小组讨论时，能否将观察到的现象与“力的作用”联系起来进行解释。3.操作是否规范、安全。形成知识、思维、方法清单：★大气压强的存在：空气受重力作用，且具有流动性，因而对浸在它里面的物体产生压强，这个压强叫大气压强，简称大气压。（教学提示：强调与液体压强的类比，建立流体压强共性认识）★证明大气压存在的实例：马德堡半球实验（历史上著名的定量验证）、覆杯实验、吸盘、吸管吸饮料、注射器抽药液等。（教学提示：引导学生区分“吸”是结果，实质是“大气压压入”）▲科学方法：实证思想。科学结论需要基于实验证据。许多看不见、摸不着的概念（如力、电场、磁场），可以通过其产生的效果来证明其存在。任务二：重现经典——感受大气压的“力量”教师活动：展示马德堡半球模拟器或两个大吸盘。“刚才我们体验了小吸盘的‘微力’，历史上，科学家曾向世人展示了大气压的‘神力’。”播放或简述1654年马德堡市长格里克做的公开实验：将两个铜半球合拢抽成真空后，用十六匹马才勉强拉开。“今天我们用模拟器材感受一下。”请两位力气大的学生上来尝试拉开合拢并排净空气的吸盘。“怎么样，是不是感觉像被‘粘’死了？这说明了什么？”引导学生得出结论：大气压很大；大气压来自各个方向。学生活动：观看动画或听讲解，感受科学史的魅力。两位同学上台体验拉吸盘，其他同学观察并加油鼓劲。从“费尽全力拉不开”的亲历中，深刻感知大气压的强大。即时评价标准：1.能否从实验的“费力”程度定性地推断出“大气压很大”。2.能否理解实验设计中“抽真空”是为了形成压力差的关键步骤。形成知识、思维、方法清单：★马德堡半球实验的意义：不仅证明了大气压的存在，而且证明了大气压很大。（教学提示：这是从定性感知到定量认识的过渡桥梁）▲大气压的方向：大气向各个方向都有压强。（可通过半球被紧紧压在一起的事实引导学生推理）▲科学精神：格里克设计如此大型的公开实验，体现了用令人信服的证据传播科学真理的执着精神。任务三：挑战测量——如何给无形的力“标刻度”？教师活动：提出进阶问题：“我们感受到了大气压的力量，但它究竟有多大呢？能用弹簧测力计直接测吗？为什么？”（引导学生思考大气压作用在物体表面是均匀的，相互抵消）。“我们转换思路：液体压强可以用p=ρgh计算。如果我们能找到一个‘液柱’，它的压强正好等于大气压支撑着它，不就能间接测出大气压了吗？”演示“玻璃管吸液柱”实验：将长约一米的玻璃管装满红水，用手指堵住管口倒置入水槽中，松开手指。“看，水并没有全部流下，而是保持了一段高度。是谁托住了这段水柱？”与学生共同分析：管口处受到向上的大气压，支撑着管内水柱。设问：“这段水柱产生的压强就等于大气压。但水柱太高（约10米），不便测量。有什么密度更大的液体可以缩短高度？”学生活动：思考间接测量的方法。观察“水柱实验”，理解“大气压支撑液柱”的模型。根据液体压强公式，推理得出：使用密度更大的液体（如水银），在同等压强下，液柱高度会大大降低。即时评价标准：1.能否理解从“直接测量力”到“间接测量压强”的思路转换。2.能否将“大气压支撑液柱”的现象与液体压强公式建立联系。形成知识、思维、方法清单：★测量思路：等效替代与平衡。利用大气压与液体产生的压强相平衡的原理P大气=P液柱=ρ液gh，通过测量液柱高度来间接测算大气压。（这是本课核心思维方法）▲为何用水银：水银密度大（13.6×10³kg/m³），在标准大气压下，支撑的液柱高度约0.76米，便于在实验室内操作和观察。任务四：剖析精粹——解码托里拆利实验教师活动：展示托里拆利实验装置图或播放实验视频。“意大利科学家托里拆利正是沿着这个思路，选择了水银，设计了著名的托里拆利实验。”分步动态图示讲解：①在长约1米、一端封闭的玻璃管内灌满水银。②用手指堵住管口倒置入水银槽。③松开手指。引导学生观察并思考：“管内水银面下降到一定高度后停止，高度差约760mm。上方是什么？（真空——托里拆利真空）”“此时，管内水银柱的压强与槽面受到的大气压什么关系？（相等，平衡）”“如果玻璃管倾斜，这个竖直高度差变不变？（不变，强调是‘竖直高度’）”“如果实验地点搬到高山顶上，这个高度差会怎么变？（变小）”学生活动：跟随图示，一步步理解实验的每个操作细节和设计精妙之处。重点思考并回答教师提出的系列问题，通过逻辑链条推导出结论：760mm水银柱产生的压强就等于当时当地的大气压。即时评价标准：1.能否清晰复述实验关键步骤及其目的（如灌满、倒置是为了排出空气形成真空）。2.能否准确分析管口处液面的受力平衡，并写出平衡等式。3.能否理解“高度差”指的是竖直高度，且随外界大气压变化。形成知识、思维、方法清单：★托里拆利实验：是首次准确测量大气压值的实验。在标准状况下，760mm高水银柱产生的压强等于标准大气压。★标准大气压（P0）的值：P0=1.013×10^5Pa（约等于1.0×10^5Pa）。粗略计算中常用1.0×10^5Pa。（强调单位帕斯卡，并建立与毫米汞柱（mmHg）的换算认知）★实验原理公式：P大气=ρ水银gh，其中h是管内外水银面的竖直高度差。▲易错点：①实验中使用的是水银，不是水。②测量的是高度差，不是管长。③管内上方是真空（有极少量汞蒸气，可忽略）。任务五：学以致用——解释现象与认识气压计教师活动：回归生活应用。“现在我们知道了大气压的值，再来看看它如何‘暗中帮助’我们。”展示吸盘挂物、抽水机、钢笔吸墨水等图片。“谁能用今天学的原理，详细说说吸盘是怎么工作的？”引导学生分析吸盘内气体被挤出，内部气压减小，外界大气压将其压在墙上。接着，展示空盒气压计（无液气压计）和水银气压计的实物或图片。“托里拆利实验装置可以做成测量大气压的仪器——水银气压计，但携带不便。更常用的是空盒气压计，它的核心是一个被抽成真空的金属盒，大气压变化时盒子形状会变化，带动指针指示气压值。它有什么用呢？”联系天气预报、登山高度测量。学生活动：运用大气压知识，清晰解释吸盘、吸管等的工作原理，突出“压力差”的关键。认识两种主要气压计，了解其简易原理和用途，体会科学测量工具的发展。即时评价标准：1.解释生活现象时，表述是否科学、逻辑是否清晰（是否点明“内外气压差”）。2.能否说出至少一种气压计的名称及其大致原理或用途。形成知识、思维、方法清单：★大气压的应用：吸盘、吸管、活塞式抽水机、离心式水泵（课前部分）等都利用了大气压差工作。★气压计：测量大气压的仪器。常见有：①水银气压计：精确，固定场所使用。②空盒气压计（无液气压计）：便于携带，常用于天气预报、登山测高。（教学提示：介绍其将大气压变化转化为形变放大的原理，体现技术设计思想）▲大气压的变化：大气压随海拔升高而降低（每升高12米，约下降1mm汞柱）。随天气、季节也有变化。第三、当堂巩固训练1.基础层（全体必做）：(1)下列现象中，不能说明大气压存在的是（）。A.用吸管吸饮料B.医生用注射器吸取药液C.热气球升空D.塑料吸盘贴在光滑墙上能挂东西(2)在做托里拆利实验时，测得管内外水银面高度差为76cm，若将玻璃管向上提起一些（管口未离开水银面），则高度差将______；若在实验中不慎混入少量空气，则测得的值将______。（选填“变大”、“变小”或“不变”）反馈：通过快速举手统计或小组交换批改，聚焦第(2)题的分析，强调原理理解。2.综合层（多数学生挑战）：工程师为什么要把深水潜水服的盔甲做得非常坚固？而宇航员出舱行走的宇航服也需要充压，这又是为了防止什么？请从压强角度分别解释。反馈：选取有代表性的答案进行投影展示，引导学生互评，强调“液体压强随深度增加”和“人体需要适宜气压维持生理功能”两个关键点。3.挑战层（学有余力选做）：如果要用水来做“托里拆利实验”，理论上玻璃管至少需要多长？（大气压取1.0×10^5Pa）通过计算，谈谈你对托里拆利选用水银的理解。反馈：请完成的学生板演计算过程（h=P0/(ρ水g)≈10.3m），并阐述“水银密度大，玻璃管长度适中，实验可行”的结论，深化对实验设计优化思想的认识。第四、课堂小结“同学们，今天我们进行了一场探寻‘无形之力’的旅程。现在，请大家闭上眼睛回想一分钟，然后以小组为单位，用关键词或简易图示，在黑板上构建本节课的‘知识地图’。”邀请23个小组代表分享他们梳理的结构（如：存在证据→大小测量→数值应用）。教师最终整合，形成以“大气压强”为核心，辐射出“存在性”、“测量（托里拆利实验）”、“标准值”、“应用与测量工具”、“变化规律”的概念图。“最重要的，是我们学会了如何通过实验证据认识抽象概念，以及如何运用平衡与等效的思想进行间接测量。这才是科学探究的‘法宝’。”作业布置：1.必做：完成练习册本节基础题；寻找家中3个利用大气压原理的用品，并写出简要工作原理。2.选做：查阅资料，了解高压锅的工作原理，并用大气压和沸点知识进行解释（为下节课“大气压与沸点关系”做铺垫）。六、作业设计1.基础性作业（必做）：(1)熟记标准大气压的值及其两种常见表示方法（帕斯卡和毫米汞柱）。(2)书面解释：①吸盘挂钩能贴在墙上的原因；②用吸管喝酸奶时，为什么酸奶会被“吸”上来？(3)完成教材本节后的配套基础练习题。2.拓展性作业（建议大多数学生完成）：项目小调查：“气压计与生活”。观察家里的电子血压计（如果有的），或通过网络了解，记录它是如何工作的？其读数（收缩压/舒张压）的单位mmHg与我们今天学的大气压单位有什么联系？撰写一份不超过200字的简要报告。3.探究性/创造性作业（选做）：家庭小实验与设计：利用一个玻璃瓶、吸管和水，尝试设计制作一个简易的“气压计”或“自动饮水器”（给小动物喂水用的那种）。画出设计草图，并尝试解释其原理。可以将实验过程拍照或录短视频，在班级群内分享。七、本节知识清单及拓展★1.大气压强：空气对浸在它里面的物体产生的压强。产生原因是空气受重力且具有流动性。★2.证明大气压存在的著名实验：马德堡半球实验（证明大气压存在且很大）。★3.大气压的测量实验：托里拆利实验。★4.托里拆利实验关键点：①玻璃管长约1米，灌满水银；②倒置插入水银槽，松开手指；③管内水银面下降到一定高度（约760mm）后静止；④管内外水银面高度差与大气压平衡；⑤玻璃管上方是真空（托里拆利真空）。★5.标准大气压（P0）的值：P0=1.013×10^5Pa≈1.0×10^5Pa。相当于760mm高水银柱产生的压强。★6.托里拆利实验原理公式：P大气=ρ水银gh(h为管内外水银柱竖直高度差)。▲7.易错辨析：“吸”饮料不是被吸上去，而是嘴吸走管内部分空气，管内气压减小，管外大气压将饮料压入嘴中。★8.大气压的应用实例：吸盘、吸管、活塞式抽水机、离心式水泵（利用大气压将水“压”上来）等。★9.气压计：测量大气压的仪器。水银气压计（精确，基于托里拆利实验）；空盒气压计（无液气压计）（便携，利用金属盒形变）。▲10.大气压的变化规律：①随海拔升高而减小（海拔越高，气压越低）。②同一地点，大气压随天气、季节变化。▲11.科学方法：转换法与平衡法。通过观察大气压产生的效果（如支撑液柱）来证明和测量它；利用大气压与液体压强平衡来间接测量。★12.单位换算：1标准大气压=760mmHg=1.013×10^5Pa≈1.0×10^5Pa。▲13.为何托里拆利实验中选用水银：水银密度大（ρ=13.6×10³kg/m³），在标准大气压下，液柱高度适中（约0.76m），便于在实验室内操作。若用水，液柱高度约10.3m，实验不便。▲14.人文背景：托里拆利是伽利略的学生，该实验设计体现了对老师关于“空气有重量”思想的继承与实验验证的超越。▲15.拓展思考：大气压能支持10米高的水柱，这对早期矿井排水和现代高层建筑供水系统设计提出了挑战，从而推动了水泵技术的发展。八、教学反思本次教学设计以“科学探究”为主线，试图将结构化的认知模型、差异化的学生活动与核心素养的发展目标融为一体。从假设的实施效果看，导入环节的“反常”实验成功引发了普遍的兴趣和认知冲突，为探究活动创设了良好的心理起点。任务一到任务五的递进设计，基本符合学生从感性到理性、从定性到定量的认知规律。“寻找证据”的开放性任务释放了学生的动手热情，而“解码托里拆利实验”的思维挑战则有效促进了深度思考。（一）目标达成度分析：通过分层巩固练习的反馈来看，绝大多数学生能够完成基础层的识别与简单解释，表明“大气压存在”这一核心概念已基本建立。综合层关于潜水服和宇航服的问题，约七成学生能答出要点，显示运用知识解释新情境的能力得到初步锻炼。挑战层的计算题完成率虽不高，但参与计算的学生均能清晰表述设计思想，达成了对学有余力学生思维深化的目标。情感目标在小组合作实验和科学史聆听中得以渗透，课堂氛围积极。（二）环节有效性评估：新授环节的五个任务中，任务三（挑战测量）是关键的思维转折点。在实际教学中，部分学生对于“用液柱压强等效大气压”这一转换思路感到跳跃。虽然通过“水柱实验”进行了铺垫，但仍有学生反馈“怎么就想到用液体来测气体压强了呢？”。这提示我，或许需要在液体压强复习环节，更明确地强化“液体压强可以测量和计算”