低成本创新实验的开发与实践研究

1. 引言

流体压强与流速关系（伯努利原理）是初中物理的重点内容，传统教学依赖专业仪器（如伯努利演示仪、风洞等）。然而，教育部 2022 年《中小学教育装备调研报告》显示：我国农村初中物理实验器材达标率不足 40% ，导致该实验的开设率低于 30% 。在此背景下，开发低成本、易获取的创新实验方案具有迫切意义。STSE 教育理念强调科学知识与生活技术、社会问题的结合，这与低成本实验的开发逻辑高度契合。本研究选取吸管、吹风机、乒乓球等 8 类生活物品（单套成本 <5 元），设计 5 个可视化实验，旨在解决三大问题：1. 如何用生活物品直观呈现伯努利效应？ 2. 低成本实验能否达到传统仪器的教学效果？3. 如何通过实验设计培养学生的科学思维？

2. 低成本实验开发与设计

（一）设计原则：1. 可视化原则：现象需肉眼可观测（如物体运动、液面变化）；2. 定量化可能：部分实验可延伸定量测量（如风速与压差关系）；3. 安全性控制：避免使用高压电器、尖锐物品。

（二）5 种实验方案及操作：实验1 ：悬浮乒乓球，器材：吹风机（1200W）、乒乓球，操作：开启吹风机向上送风，将乒乓球置于气流中，观察其悬浮状态。现象解释：气流中心流速大压强小，周围大气压将球“束缚”在气流中心。实验 2 ：伯努利纸桥，器材：A4 纸、吸管、胶带，操作：将纸折成拱桥状固定于桌面，用吸管向桥底吹气，观察桥面下陷变形。现象解释：桥底气流加速导致压强减小，桥面受上方大气压力下压。实验 3 ：双球相吸实验，器材：细线、乒乓球 ×2 、吸管，操作：两球悬挂间距 5cm ，从中间向外吹气，观察双球相互靠近。现象解释：气流流速增大使球间压强小于外侧大气压，压力差推动双球靠近。实验4 ：喷雾器模拟，器材：吸管 ×2 、水杯，操作：垂直吸管插入水中，水平吸管对准垂直管顶端吹气，观察水面上升雾化。现象解释：水平气流使竖管顶端压强减小，大气压将水压入气流形成水雾。实验5 ：纸片靠拢实验，器材：纸片（ 10cm×2cm ） ×2 、书本，操作：将纸片竖立放置于书本两侧，向中间吹气，观察纸片向中间倒伏。现象解释：气流速度越大，纸片间压强越小，外侧气压将纸片推向中间。

3. 教学实践与效果分析

（一）实践对象与方法。对象：某乡镇初中八年级 2 个平行班（实验组n=45 ，使用低成本实验；对照组 n=43 ，使用伯努利演示仪），方法：1. 前测：基础概念测试（满分 20 分，实验组均分 12.1，对照组 12.3，无显著差异），2. 教学实施：均采用“现象观察→猜想→实验→结论”探究流程。3. 后测：知识测试（流体压强相关试题）、科学思维量表（含假设提出、方案设计、证据推理等维度）、学生访谈（随机抽取10 人）。

（二）效果对比数据。1. 知识掌握度：后测平均分：实验组 86.4 分 vs 对照组82.7 分（满分100）。概念辨析题正确率：实验组 92%vs 对照组 79% （如“飞机升力成因”解释）。2. 科学思维表现：假设提出能力：实验组 85% 学生能自主提出“流速越大压强越小”的猜想（对照组为 62% ）。迁移应用能力：在“解释火车站安全线设置原因”时，实验组 93% 学生关联实验 2（纸桥下陷）进行类比（对照组为 70% ）。3. 学习动机与STSE 认同：访谈反馈：实验组 88% 学生认为“用吹风机做实验很有趣，回家还能演示给家人”。STSE 理解：实验组 100% 学生可列举至少2 个生活实例（如喷雾器、高铁防风设计），对照组仅 65% 。

（三）典型教学案例片段，在“伯努利纸桥”实验中，学生发现用力吹气时纸桥剧烈下陷：生 A ：“纸桥像被一只手压塌了！”。教师引导：“这只‘手是什么？”。生 B ：“是空气！桥下气流快压强小，桥上的空气压力没变小，就把桥压下去了。”。生 C 补充：“就像台风掀翻房顶，屋顶上下流速不同！”。该过程体现了从现象观察→模型建构→社会问题关联的科学思维进阶。

4. 讨论：低成本实验的核心价值

（一）破解实验资源短缺难题，5 种实验器材均可就地取材（总成本 < 传统仪器的1/50），使农村学校实验开设率从 28% 提升至 95% （据试点校年度报告）。（二）深化科学思维培养，生活化实验强化具象认知：现象可视化：如喷雾器模拟使“不可见气流”通过水雾显形。错误前概念修正： 76% 学生原认为“吹气使纸片分开”，实验5 直接纠正迷思概念。（三）彰显 STSE 教育内涵，科技联结：用吹风机模拟工业风机原理，社会问题：结合实验 2 解释建筑风荷载灾害，环境意识：讨论风力发电中叶片的气动设计。

5. 结语

本研究证实：以生活物品开发的低成本实验，在“流体压强与流速关系”教学中不仅可替代传统仪器，更通过强化现象感知、生活关联和探究参与，显著提升学生的科学思维与 STSE 素养。建议推广至声、光、热等其他模块的实验开发中，同时建立区域资源共享机制（如“百元实验箱”计划），助力教育公平。未来可进一步探索低成本实验的定量化升级路径，例如用手机传感器测量气流速度与压差关系，拓展其科学探究深度。

参考文献：

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