物理教學與研究性學習的有效整合

水火箭作為學校開展綜合實踐課程之研究性學習經久不衰，它適合不同學段的人群，從小學到大學都適合。水火箭除了其趣味性、觀賞性以外，還蘊含了很多的物理知識。

一、用水火箭引入物理概念

讓學生掌握好物理概念是物理教學的關鍵。教學實踐表明：物理概念的教學是物理教學中不易教也不易學的內容，目前中學生感到物理難學，其癥結之一就在于物理概念教學沒有搞好。在某些物理概念教學時，可以利用水火箭，對高度濃縮的物理概念進行“稀釋”，可以使物理概念不再那么抽象難懂，增加了學生學習物理的樂趣。比如，在反沖運動、豎直上拋、斜拋、彈道曲線等概念教學時可以通過發射水火箭來引入（為了安全，在課室里需要把水火箭拴在兩端固定的鋼絲上）。

二、用物理規律解釋和研究與水火箭有關的現象

在水火箭的制作和發射過程中，引導學生解釋所遇到的問題和現象，可以幫助學生制作性能更好的水火箭，把物理知識、規律的教學蘊含在課外探究活動中，這可以讓學生對物理知識活學活用，對物理知識的記憶和理解印象深刻。

1.越到后面加氣越困難

起飛前給火箭注入水后，用打氣筒注入空氣，可以看到氣泡越來越少，越來越小，越到后面加氣越困難。請學生解釋。學生經歷了打氣的整個過程，對原因的理解會十分深刻，尤其是打氣的同學。對于氣泡往上，是因為空氣的密度小于水的密度，氣泡越來越少，后面甚至沒有，是因為火箭里面的壓強變大了，火箭里面空氣分子間距離變小，分子間表現為斥力。打完氣可以叫學生摸一下打氣筒，發現打氣筒變熱，請學生用所學的物理知識解釋。學生會對絕熱壓縮（打氣的過程進行得很快，可以近似地看成是絕熱壓縮過程）過程中，體積減小，將使系統壓強增大，溫度上升，理解透徹，而不會像老師在課堂進行理論分析時那樣枯燥難懂。

2.為何起飛

在發射火箭后，讓學生解釋這是什么現象？做什么運動？為何火箭能飛出？相信學生即使不能回答正確，但是聽老師講解后，會對反沖現象、反沖運動、動量守恒定律終身難忘。看到火箭噴射完水和氣體后，還能繼續飛行，相信學生對慣性和牛頓第一定律的理解會更深入。

3.飛完后里面會有霧氣

發射完水火箭后，可以看到火箭內有一層霧氣，學生對此一般不留意或者發現了這一現象但是不知道為什么？教師此時可以回答學生，將發射前火箭中的氣體近似看作理想氣體，把發射時噴水的過程看作氣體的絕熱膨脹過程，絕熱膨脹過程中，氣體對水做功，一方面使水高速噴出，另一方面使瓶中少量的水溫度升高，發生汽化現象。

4.解釋“意外事故”

在發射水火箭過程中，經常發生“意外事故”，比如，向后飛行，變軌飛行，到一定高度一頭栽下，傾斜起飛突然變為豎直飛行，在學生遇到這些“意外事故”時，教師的適時引導，可以幫助他們改進火箭的設計，并學得物理知識。例如，某火箭發射中，原本為了飛得更遠，傾斜起飛水未噴完火箭突然變為豎直飛行，我讓學生解釋，一個學生發現是水裝得太多，火箭頭輕尾重，火箭離開發射架后，在箭尾重力作用下，箭身由傾斜變成豎直。學生還發現向后飛行、變軌飛行、到一定高度一頭栽下等意外事故多數是由于火箭的頭部質量太輕造成的，所以，需要給火箭頭部配重。

三、以水火箭為背景設置計算題復習物理知識

在物理教學中以水火箭的發射為背景，設置物理習題可以很好地幫助學生鞏固物理概念、熟練物理知識、活化物理規律、掌握物理方法，重要的是以學生親身經歷為背景可以訓練學生將生活中的實際問題建立物理模型的能力，以學生熟悉的場景為背景讓學生感到親切而樂學。

如，一個水火箭興趣小組設計出一枚水火箭，水火箭某次豎直起飛時噴出的水流量為0.0002立方米每秒，速度為20米/秒，啟動前水火箭（含水的質量，注入空氣質量不計）質量為1.4千克，水注入火箭的水總質量為0.4千克，阻力不計，則：（1）啟動后2秒末火箭的速度可達到多少？（2）把火箭的運動看成是勻變速直線運動，則2秒末火箭的加速度大小為多少？水火箭受到噴射水流的反作用力是多大？（3）水火箭上升的最大高度是多大？滯空時間是多少？（4）從發射到最高點重力做功多少？水對火箭做功多少？合外力做功多少？（5）火箭落地時速度為多大？（6）本次發射中火箭落地時與地面接觸時間為0.1秒，求地面對火箭的平均作用力是多大？（7）為了減輕火箭與地面撞擊產生的巨大沖力，對火箭造成巨大的損毀，請您為該興趣小組提供改進的建議，并闡述改進的理由。（8）請分析如何做才能提高火箭的飛行高度。

通過本例可以讓學生系統地復習高中物理中的動量守恒定律、豎直上拋、自由落體運動的規律、牛頓第二定律、動能定理、機械能守恒定律、受力分析、動量定理等重要的物理知識和物理規律。此外，還可以針對給水火箭注入氣體以及起飛后噴水的過程設計習題，復習熱學中的重要知識。

四、用物理知識指導水火箭的制作

引導學生利用物理知識思考水火箭的設計、改進、發射。比如，為了防止水火箭變軌亂飛，為了讓水火箭飛得更遠，要平衡箭身，在水火箭的頭部配重，但是要配重多少，就需要利用控制變量法，讓火箭的結構、裝水量、氣壓等一樣，學生經過實踐，反復發射找到頭部的最佳配重。首先，水火箭頂部應為尖的，以便于減小空氣阻力。其次，瓶體形狀應接近流線型，這樣便于氣流的通過。最后，還要借助尾翼來平衡飛行中水火箭的平衡，以掌控方向。

為了增加水火箭的氣壓，提高出水速度可以在可樂瓶口處裝個鐵環用螺母和螺釘旋緊，可以增加橡皮塞和瓶口間的摩擦力。

五、利用物理方法指導水火箭的發射

發射水火箭時，氣壓與射程成正比。這是因為氣壓越大，噴水的力越大，水火箭的沖量越大，水火箭做反沖運動。質量越大，所需提供的動量就越大，當質量一定時，速度越大動量越大。但是，在發射水量太大時，水火箭中的水未噴完，氣壓減小就停止了加速，水火箭的重量增加，受重力影響水火箭提前墜落了。而提高速度的方法是提高單位時間內的噴水量。要達到最好的狀態同樣要利用控制變量法來研究，還有氣壓、裝水量度這三者與飛行距離之間的關系。讓發射角不變，找到水火箭內的氣壓與水量適當時，才能飛得更遠更高。

發射角對水火箭的射程有明顯的影響，理論分析如下：當發射仰角太小時，水火箭向上的分力太小，使其爬升高度小，受水火箭重力的影響，會很快落地，造成射程短；但是如果角度太大時，其向上分力雖大，但水平向前分力太小，行成射得高，射不遠的情形。所以，在水火箭的發射角度方面，必須考慮向上分力及向前分力適中、各種外界因素的影響以及發射仰角。要看發射角度與飛行距離之間的關系，讓氣壓與水量為最佳狀態的量，改變發射角，多試驗幾次，即可找到最佳發射角。

六、對物理教學與綜合實踐活動的思考

綜合實踐活動的開設是新課程改革的一大亮點，包括研究性學習、社區服務與社會實踐、勞動與技術教育、信息技術教育等四個方面。綜合實踐活動對于提升學生的綜合能力十分重要，綜合實踐課程強調學生通過實踐，增強探究和創新意識，學習科學研究的方法，發展綜合運用知識的能力。增進學校與社會的密切聯系，培養學生的社會責任感。在課程的實施過程中，加強信息技術教育，培養學生利用信息技術的意識和能力。了解必要的通用技術和職業分工，形成初步技術能力。

但在實際教學實踐中，綜合實踐活動與各學科教學互相割裂，沒有有效整合，由于學科教學任務繁重，綜合實踐活動不用考核，往往開設較少，存在敷衍應付，效果不佳。綜合實踐課程和其他學科之間既有其相對獨立性，又存在緊密的聯系。其實，綜合實踐活動課程與各學科之間在培養學生的能力、教育目標上是一致的，完全可以將綜合實踐活動與各學科領域進行整合，形成一個有機整體。正如綜合實踐課程標準中所說：“綜合實踐活動與各學科領域存在以下三方面的聯系：第一，學科領域的知識可能在綜合實踐活動中延伸、綜合、重組與提升；第二，綜合實踐活動中所發現的問題、所獲得的知識技能可以在各學科領域的教學中拓展和加深；第三，在某些情況，綜合實踐活動也可以和某些學科教學打通進行。因此，妥善處理綜合實踐活動與各學科領域的關系，既是一個意義重大的課題，又是一個富有創造性和藝術性的課題。”

物理教學與綜合實踐活動研究性學習的整合中要注意兩個方面的問題。第一，研究性學習應著重學生興趣。學習興趣是學習動機的重要組成部分，是推動學生學習的強大動力。有了對物理課題的強烈興趣，學生積極主動、自主探究地學習物理知識便是水到渠成的事情了。第二，物理教學與綜合實踐活動研究性學習的整合要因地制宜地展開。不是每一節物理課、每一個物理知識點都要開展課題式的研究性學習。而是選取、開發一些比較有代表性的綜合實踐研究性學習活動，用知識指導實踐，深化和活用物理規律，習得學習方法和物理學科的思想與方法，激發學生的學習物理的興趣。

將綜合實踐課程和高中物理教學進行有效的整合，可以激發學對物理的興趣，培養學生熱愛科學的情操，提高物理課堂的教學效果，培養學生的綜合能力，重要的是可使綜合實踐活動常態化。

（作者單位：廣東中山市東升鎮高級中學）