对初中物理教科书中一幅插图的思考

摘要

苏科版物理八年级下册教科书第101页的图10-41为“帕斯卡桶裂实验”插图，旨在帮助学生更好地认识、理解液体压强随着深度的增大而增大的原理。仔细观察后发现：教科书所配插图存在科学性纰漏，容易误导师生产生“下方喷出的水的深度深，压强大，水从下方喷出的距离一定比从上方喷出的距离远”的错误认识。在分析教科书插图的基础上，阐述理论分析过程，模拟实验现象，指出插图存在纰漏的原因及可能造成的不良影响，并据此提出教学建议和思考的感悟。

Graphical abstract

关键词

插图 / 帕斯卡桶裂实验 / 液体压强 / 扎孔瓶 / 距离 / 高度 / 苏科版物理八年级下册

教科书插图不仅是教学资源，而且相较于文字，插图更易引起学生的注意。恰当的插图，非但是学生学习的重要内容，更易于激发起学生对物理的兴趣。阅读插图的好处是，便于学生整合物理学科的基本观念，完善自己对物理学的认识。教师有必要对插图的应用情境、内容等进行分析、归纳，或对插图内容适当延展，以便结合插图设计实验加以验证，同时寻找生活情境并开展多样化教学^［1］。然而，教科书具有很高的权威性，一旦其所配的插图存在科学性纰漏，就很可能误导师生，造成认知错误，禁锢学生思维。为此，笔者以苏科版物理八年级下册的一幅插图为例，说明其纰漏，分析其产生的原因，借助模拟实验加以验证，并给出自己的建议与思考。

1 呈现教科书插图

如图1所示，在一个密闭的、装满水的木桶的桶盖上插入一根细长的管子，然后从楼房的阳台上往管子里灌水，结果是：只灌了几杯水，桶竟裂开了^［2］。

2 教科书插图的纰漏及可能造成的影响

由图1可知，尽管木桶中部进行了加固，但向细长的管中加了几杯水，桶就裂了，说明加水时桶壁受到的水压急剧增大。根据图1展示的杯子、管子、木桶尺寸进行粗略测量计算后（不考虑杯壁、管壁、桶壁厚度）判断——当桶裂时，即使只加一杯水，管中水的高度也比桶中水的高度高，即上方孔更靠近水深度1/2的位置，水从下方喷出的距离比从上方喷出的距离远。这与实际情况不符，很可能误导师生，形成错误认识，即“下方的水所在的深度深，压强大，从下方喷出的距离一定比从上方喷出的距离远”。这一错误认识就与教科书中安排此插图的初衷南辕北辙了。不当插图造成的影响可能会伴随学生的一生，因为“画面”一旦定格，极易形成潜意识中的“唯一”。

3 理论分析

水从扎孔瓶喷出，可看作平抛运动模型，如图2所示（设孔的横截面积为S，忽略瓶底的厚度和空气阻力）。那么，影响扎孔瓶喷出水远近的因素就有两个：①孔所处的深度h；②孔的高度H。孔所处的深度h会影响压强p，进而影响水从孔喷出时的初速度v_{\mathrm{0}}；孔的高度H则决定水在空中运动的时间t的长短。最终，水喷出的水平距离可表示为L=\sqrt[]{\frac{\mathrm{4}\rho hHSd}{m}}^［3］。若在瓶子侧面不同高度扎两个孔，则水从上下两个孔喷出的水平距离L_{\mathrm{上}}与L_{\mathrm{下}}的关系可表示为\frac{L_{\mathrm{上}}}{L_{\mathrm{下}}}=\sqrt[]{\frac{h_{\mathrm{上}}{H}_{\mathrm{上}}}{h_{\mathrm{下}}{H}_{\mathrm{下}}}}。若孔所处的深度h与孔的高度H这两个影响因素的关系未确定，则水喷出的距离关系也就不能确定^［3］。当h与H的和一定时，h与H的乘积在二者相等时有最大值，即孔在水面深度的1/2位置时，水喷出的距离最远；或者说，当孔不在这个位置时，越靠近这个位置，水喷得越远。

4 模拟实验现象

在瓶子侧面同一竖直线不同高度扎两个孔，向瓶中注满水（为便于观察，可对水进行染色）；先在长颈漏斗颈部插入单孔橡皮塞，再将其塞入瓶口；向长颈漏斗中加水至近满，如图3-a所示，观察、比较两孔喷水的远近^［4］。依次观察到：①当上孔更靠近水面深度的1/2位置时，水从上孔喷出的距离远（图3-b）；②当上下孔到水面深度的1/2位置距离相等时，水从上下两孔喷出的距离相等；③当下孔更靠近水面深度的1/2位置时，水从下孔喷出的距离远。由分析可知，教科书插图中的情境属于第①种情况，但插图中的喷水距离与压强的关系和实际情况不符。

5 教学建议及感悟

教科书中的插图有的是真实场景的照片，有的是人工制作的卡通插图。人工制作的卡通插图缺少真实场景的参考，仅凭制作者的认知制作而成，往往忽视某个细节而导致不当。无论哪种插图，都是帮助学生更好地理解、认知相关知识的工具，都应具备基本的科学性、准确性。插图文字说明，是对图中难以表述的关键细节（步骤、条件、数据、注意事项等）的补充说明^［5-6］。《义务教育物理课程标准（2022年版）》将“实验探究”和“跨学科实践”纳入一级主题，传递出物理实验的育人价值及物理学与生活实践的紧密联系，体现了“知行合一、学以致用”的理念^［7］。波普尔证伪主义认为，判别一个理论是否科学，一个关键的依据是看其是否具有可证伪性。证伪主义中的勇于质疑、大胆猜想、勤于实践的精神，对创新思维的形成具有重要意义^［8］。“学者先要会疑。”指出教科书插图的纰漏，并非“吹毛求疵”，而是“实事求是”，同时也提醒师生不能让插图、答案、权威等成为思维的桎梏，应用质疑的眼光看待它，用实践去检验它，才会有新的发现。

参考文献

[1] 高新铭.高中物理教科书插图对培养学生物理核心素养的影响研究［D］.济南：山东师范大学，2023.

[2] 刘炳昇，李容.义务教育教科书物理八年级下册［M］.第3版.南京：江苏凤凰科学技术出版社，2012.

[3] 马连杰.关于扎孔瓶喷水远近的探讨［J］.湖南中学物理，2023，38（03）：84-85.

[4] 马连杰.自制扎孔瓶喷水远近演示仪［J］.实验教学与仪器，2023，40（10）：70-71.

[5] 黄玉梅.新人教版初中物理教科书插图的特点及优化［J］.教学与管理，2016（22）：46-48.

[6] 谢美翔.新人教版初中物理教材插图的特点与优化研究［J］.数理天地（初中版），2023（18）：24-26.

[7] 廖伯琴.提炼核心素养，凸显课程育人价值：义务教育物理课程标准（2022年版）解读［J］.基础教育课程，2022（10）：46-52.

[8] 解晶晶.论波普尔证伪主义与创新思维的培养［J］.洛阳理工学院学报（社会科学版），2019，34（05）：74-79.

基金资助

2021度扬州市教育科学“十四五”规划课题“基于核心素养的初中物理课程资源开发研究”(2021/P/070)

2023年度江苏省教育科学规划课题“指向初中物理学科关键能力的体验式教学实践研究”(C/2023/03/26)