（一）实验设计

1.实验原理

“魔壶”与“魔杯”实验涉及的原理主要是大气压强和虹吸原理。“魔壶”的原型来自古代的“两心壶”，在壶内有两部分的空间，每一部分都用堵盖封住，在堵盖的一边设一个通道通往外界，通道上方还设有一个挡碗。在往壶中倒入不同的液体时，液体不会发生混合。在倒出液体时，只要用手堵住其中空间的一个小孔，这个空间内的水由于大气压强的作用无法倒出，而另一个空间里的液体由于空气畅通，能够倾倒而出，这样就可以选择堵住不同的小孔倒出不同的液体。“魔杯”的原型则是古代的公道杯，它运用了虹吸原理。虹吸是一种利用液面高度差的作用力现象，实质上是液体压强和大气压强共同作用的结果。管内最高点的液体在重力的作用下向低位的管口处移动，在U形管的内部产生负压，导致高位管口的液体被吸进最高点，形成了虹吸现象。

2.实验材料

塑料瓶、吸管、热熔胶枪、剪刀、两心壶、不同色彩的颜料、酒精灯、钉子、钳子、透明的一次性塑料杯、胶水。

3.STEM理念的融合

STEM理念的融合如表3-5所示。

表3-5　STEM理念的融合

（二）教学编排

1.教学过程

（1）利用自制的简易“两心壶”倒出不同颜色的液体，请学生进行初步猜想构思。

（2）在播放古代“两心壶”的视频介绍后，给学生讲述其背景故事和由来。

（3）展示“两心壶”的单个塑料瓶模型，并演示实验现象，引发学生思考并配合板书讲解。(www.daowen.com)

（4）介绍塑料瓶模型的制作要点，并让学生动手制作简易“两心壶”。

（5）演示公道杯的实验现象后，再展示简易模型，配合板书讲解其背景和原理。

（6）介绍公道杯模型的制作要点，并让学生动手制作简易“公道杯”。

2.基于STEM理念的6E设计型学习模式

基于STEM理念的6E设计型学习模式如表3-6所示。

表3-6　基于STEM理念的6E设计型学习模式

续表

续表

3.小结

该实验利用“魔壶”与“魔杯”展现大气压强的神奇效果是人教版初中物理八年级的教学内容。原本教材中的实验较为基础，仅用覆杯实验证明了大气压的存在，并以图示介绍了大气压强计的工作原理，缺乏趣味性。为了让学生能更敏感地察觉到大气压强产生的作用，而不是只停留在其存在的概念上，就将该实验作为初中物理大气压强部分的深化与拓展。该创新实验的设计灵感来源于古代宫廷中的用具——九曲鸳鸯壶以及九龙杯。紧扣培养目标，挖掘宫廷用具中潜在的教学价值，是具有艺术性的设计尝试。从某种意义上来说，用具的选择本身已经体现了STEM教育中的跨学科性。对于物理教学而言，学生看到的常是经过加工处理的特殊的物理模型，与宫廷用具产生实验上的联系能够给予学生特殊情境性的学习体验，而紧扣设计原则逐步解开宫廷用具的神秘性和特殊用途。对于学生而言，就是一次难忘的学习经历。实验的设计并不是一定要用到多么高深的新科技产品，恰到好处的复古也是一种有意义的创新。

该实验真正的学习内容是隐藏在宫廷用具背后的虹吸原理和压强知识。为了循序渐进地开展教学，在设计上采用6E教学法，在紧扣原则下设计的情境创设和动手操作环节最后才真正解开宫廷用具的原理，给学生以顿悟的效果，体现了STEM教育的实证性。学生在此前已经学会大气压强的基本知识点，能够分析简单的物理现象，如装满水的杯子覆盖上纸张之后倒放纸张不会下落，类似这样直观体现大气压强作用的实验。在他们的脑海里最普遍存在的印象即是大气会从压强高的地方流向压强低的地方，并借此来解释日常生活中简单的现象，如拔火罐、吸管等。但当学生遇到与大气压强相关、呈现方式又不直接的实验现象时，依然难以剖析其中的原理。因此，还是需要一定的实验来活跃学生的思维，使他们学会在实际情境之中做出理性的判断。