探究液体压强与哪些因素有关的实验在《义务教育物理课程标准(2022年版)》(简称《课程标准》)中是学生必做的探究实验之一。该实验也是后续学习气体压强、浮力等内容的重要基础。
一般教材从液体具有流动性及液体会受到重力作用两个方面研究液体压强，重点探究影响液体内部压强大小的因素，通过实验定性探究液体压强与密度、深度的关系。在引导学生思考液体内部是否有压强及液体内部的压强特点时，不同版本的教材给出了不同的实验装置(见图2)。在此基础上，教材介绍了微小压强计(见图3)的原理和使用方法，并让学生利用微小压强计探究影响液体内部压强大小的因素。
图2 教材给出的实验装置
图3 微小压强计示意图
根据教材安排，教师一般采取3个步骤教学。第一，在引导学生观察图2所示的实验现象的基础上，给出结论：液体对容器底部和侧壁都有压强，液体内部相互挤压也会产生压强。第二，介绍微小压强计。第三，用微小压强计测量不同液体(水、盐水)不同位置的压强，探究影响液体内部压强大小的因素。
这样的教学过程存在两个问题：其一，所谓探究，只是学生承认液体内部存在压强后，按照教材和教师的指导，验证液体内部各个位置有压强；在液体内部同一深度，压强与探头的方位无关；液体内部的压强随深度的增加而增加；液体内部的压强与液体的密度有关。其二，从图2所示的实验现象直接过渡到应用图3所示的微小压强计测量液体内部的压强，学生无法将“膜的形变量”与液体内部压强建立联系，因而思维无法延续。
2.2 采用设计性实验
(1)教师设置问题情境
根据设计性实验的程序，由教师开展演示实验(见图4)，并提出问题：以下现象说明了什么?请同学们设计实验证明猜想或假设。同时提出要求：明确变量及变量之间的关系；有清晰的实验思路；准确记录实验结果；能用物理知识解释实验结果；能针对实验中的问题调整、优化实验方案。表1呈现的任务单有助于学生整理设计思路。
图4 教师演示实验
在设计性实验过程中，学生的推理过程、实验思路、实验操作和实验结果不是按照线性顺序一步步实现的，而是边做边想、边做边调整优化，彼此咬合、逐渐清晰完善的过程。
推理过程：在学生自主设计实验过程中，推理过程至关重要，既是培养学生科学探究能力的关键，也是设计性实验成功的保证(见图5)。整个推理过程是学生不断思考、完善，最终确定自变量为液体深度的过程。关于液体压强是否与方位有关、是否与液体密度有关等，不同的学生会有不同的思考，这些均可纳入他们的设计方案中。
图5 学生的推理过程示例
实验操作：设计性实验需要教师为学生准备丰富的材料(见图6)，包括：可乐瓶、透明塑料盒、玻璃液体压强演示瓶、打孔器、皮筋、橡皮膜、连通器管等，由学生在思考的过程中自由选择实验材料进行实验设计。
图6 丰富的实验材料
实验结果：在设计性实验中，学生最容易出现的问题就是“迷航”，即做着做着不知道该干什么了，这也是教师指导的重要方面。探究液体内部压力实验的目的是通过探究结果解释实验现象。因此，在实验设计过程中，教师是舵手，要帮助学生把握设计方向，最终得到实验结果，从而解释现象，即：液体内部各个位置都有压强，液体内部的压强随深度的增加而增加，与方位无关。因此，靠近底部的小孔射出的水柱射程远；不同方位的小孔，只要深度相同，水柱的射程一样。
设计性实验旨在让学生在设计过程中经历反复推理论证，体验物理学家研究物理现象的过程，探究物理现象背后的物理本质，从而形成物理概念，揭示物理规律，并为应用物理知识解释现象、解决问题奠定基础。
