基于IYPT培養學生物理學科核心素養的實踐與思考①

耿宜宏　楊國慶

(1. 江蘇省前黃高級中學,江蘇　常州　213161；2. 江蘇省常州市金壇區教師發展中心,江蘇　常州　213200)

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·名師論壇·

基于IYPT培養學生物理學科核心素養的實踐與思考①

耿宜宏1楊國慶2

(1. 江蘇省前黃高級中學,江蘇常州213161；2. 江蘇省常州市金壇區教師發展中心,江蘇常州213200)

名師簡介：耿宜宏，江蘇省物理特級教師,中學高級教師,江蘇省奧林匹克高級教練員.在二十多年的教學實踐中,注重教育教學經驗的積累,提煉了以問題為中心,充分體現以學生為主體、學生自主學習、合作學習、自主探究的教學模式,形成了“突出物理思想,強化思維過程,著眼學生發展,全面提高素質”的教學風格.參與或主持了多項國家級、省級課題研究,在省級以上期刊發表論文40多篇.曾榮獲常州市師德模范、優秀班主任、首屆學生最喜愛的班主任等稱號.

IYPT賽事可以很好地培養學生的物理學科核心素養,在審題過程中激發其好奇心,提升問題意識,在方案設計過程中培養科學思維能力,在實驗設計過程中培養探究能力,在理論模型與實驗結果對比過程中培養反思能力,在探究過程中培養意志品質和協作能力,在研究問題過程中培養工具使用能力,在討論和比賽的角色變換中培養把握規則和交流表達的能力.

IYPT；物理學科核心素養；實踐

1　IYPT簡介

簡稱為IYPT(International Youth Physical Tournament)的國際青年物理學家競賽由前蘇聯在1988年發起,由大學組織實施、中學生參與,是一項以團隊對抗為形式的物理競賽，每年舉辦一屆,目前已經舉行了28屆.參賽的學生們根據給定的17個開放性物理問題進行研究.賽題源于生活,具有很強的開放性和探究性.參賽者用半年到一年的時間,團隊合作進行實驗研究,解答題目.就基本知識、理論分析、實驗方案、結果討論等以辯論形式進行現場比賽.它以培養參賽者的創新意識、創新能力、協作精神和實踐能力為根本理念.

2　物理學科核心素養

核心素養指“學生在學校教育的學習場所習得的、以人類文化遺產與現代文化為基軸而編制的教育內容,與生存于生活世界的學習者在學習過程中所形成的作為關鍵能力的內核”,它是支撐“有文化教養的健全公民”形象的心智修煉或精神支柱.

《普通高中物理課程標準(實驗)》中明確了物理課程總目標：“學習終身發展必備的物理基礎知識和技能,了解這些知識與技能在生活、生產中的應用,關注科學技術的現狀及發展趨勢.學習科學探究方法,發展自主學習能力,養成良好的思維習慣,能運用物理知識和科學探究方法解決一些問題.發展好奇心與求知欲,發展科學探索興趣,有堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度與科學精神,有振興中華、科學服務于人類的社會責任感.了解科學與技術、經濟和社會的互動作用,認識人與自然、社會的關系,有可持續發展意識和全球觀念.”物理學科核心素養的要素可總結為：好奇心和發問、合作交流與表達、問題解決與創新；科學概念與原理、實驗探究能力、科學思維方法、環境調查研究、關注科技應用、科學評估與決策.

3利用IYPT培養學生物理學科核心素養的實踐

與課堂教學等傳統人才培養模式不同的是,IYPT不是用一張試卷來考察學生在有限時間里解決問題的能力.IYPT的研究方式與真正的科研方式相似,每一個課題研究要經歷這樣幾個步驟：審題、查閱資料、建立模型、理論推導、實驗驗證和得出結論,還要進行誤差分析和反思等,所以IYPT研究能激發學生的興趣,培養學生問題意識、創新發散思維能力、實驗探究能力、反思能力、意志品質和團隊合作能力等素養.

3.1在審題過程中激發學生的好奇心,提升學生問題意識

傳統物理問題通常將實際問題進行了人為加工、簡化與抽象,使之成為理想化的抽象問題,即研究理想的物理模型(如質點、繩子、桿、理想氣體等)、物理過程(如勻變速直線運動、勻速圓周運動、簡諧運動等)等特定對象.而IYPT的所有賽題均來源于日常生活、生產與工程技術,為未被加工或被加工成份甚少的實際問題,它能激發學生的好奇心,讓學生感到親切而又有趣.

學生根據自己的興趣和愛好選擇一個課題,選擇相同的課題的同學組成一個研究小組進行探究.選擇了一個課題其實是選擇了一系列問題,課題的研究過程實際上是伴隨著一系列問題的提出和解決的過程,問題引領著課題研究的方向.審題過程就是提出問題的過程,針對課題提出一些問題供大家討論和思考,每次活動時由課題主持人進行主題發言,提出問題解決的初步思路和方向,團隊討論交流.

如2015年IYPT的賽題的第15題為移動的刷子：將刷子放置在振動的水平表面,刷子可能會開始移動,研究這一運動.

研究小組經過幾次討論，分別從理論和實驗兩方面提出了一系列問題.

對理論模型的思考：

(1) 對于題目中的振動是怎么理解的？是否考慮過水平振動？

(2) 刷子是否與振臺分離,對刷子的運動有沒有影響？

(3) 振臺方面的變量除了頻率、振幅和動摩擦因數還有什么要考慮的？

(4) 驅動力是如何形成的？

(5) 刷子受到的力是摩擦力，還是彈力，還是都有？是什么力使刷子運動？

(6) 振臺的振動周期與刷子的振動周期是否一致？

對實驗設計與操作的思考：

(1) 將刷子放在振動的水平面上時，手或其他因素可能影響刷子的運動,是否有更好一點的實驗方法將刷子更加平穩地放在振臺上？

(2) 如果一開始就將刷子放在振臺上,是否考慮過振臺加速時對刷子的影響？

(3) 在修整刷子時怎么樣才能調整好刷毛長度這個變量？

(4) 如何觀測刷子的軌跡？

(5)用高速攝像記錄刷子的軌跡,是否要垂直拍攝？

(6) 振臺不同部分的振幅不一定相同,是否考慮到別的更好的方案或器材？

通過一系列問題的思考,也就勾畫出大致的物理模型和實驗方案,在以后的探究過程中還會遇到更多的實際問題,同學們在討論中不斷解決.因此在審題過程中培養了同學們的問題意識.

3.2在方案設計過程中培養學生科學思維能力

科學思維能力是學生智力、能力在科學學習中的具體表現,是科學能力的核心.IYPT為培養學生科學思維能力提供了平臺.研究方案的設計是課題研究的必要步驟,IYPT課題來源于生活實際,雖然有些課題提供了一些參考資料,但如何研究？研究哪些參量？卻是要研究者自己設定,有的研究量還要自己定義說明,這些給學生的研究帶來了不小的挑戰.為此,學生在審題的基礎上進行研究方案設計討論.討論時他們先大膽地提出猜想,在紙上記錄自己的研究想法,需要什么器材？控制哪些變量？運用什么手段？然后再進行總結、討論,找出主要研究因素,確定研究方案,根據方案尋找實驗器材，并著手探究.

如2015年IYPT比賽中的第10題為葉哨：橫過一片草葉或一張紙條或其他類似的東西吹氣，從而發聲是可行的,研究這個現象.

審題中的變量分析：草葉與紙片的區別是什么？氣流相關因素(粘性、是否可壓縮、是否有旋)有哪些？如何研究音色(傅立葉變換)？聲音性質通過聲波的什么反映出來？紙片的表面粗糙程度有何影響?物理模型分析：重力對發聲有沒有影響？對抗彎剛度如何進行定義與計算？張力與抗彎剛度有何不同？如何測葉哨的振動圖像？實驗設計分析：噴嘴如何設計？如何測量氣體流速？如何測量紙片所受張力?如何知道吹出的是不穩定氣流?如何消除雜音？通過這樣不斷地思考,不斷地提煉,不斷地改進(如圖1),從而達到實驗與物理模型的統一,最終完成研究任務.通過討論和實踐使學生內化思維方法,培養科學思維能力,提升學習能力.

圖1　改變紙片張力的實驗裝置

3.3在實驗設計過程中培養學生探究能力

傳統的物理競賽試題一般都經過提煉、簡化,已給出了較清晰的物理圖像,待求的物理量也十分明確.對這樣的問題,學生只要弄清楚用到的概念、原理,然后沿著傳統的步驟,正確應用數學工具,一般是能夠達到求解目的的.與傳統物理競賽的這種閉卷考試、求解做題的方式截然不同,IYPT的所有賽題均要求學生對某些實際物理問題進行相關理論與實驗研究.課題的探究過程沒有先例可以參照,探究的過程就是一個創新的過程,從探究方案設計到探究實驗過程,以及探究過程中遇到的新問題都需要學生去面對、解決.

圖2　兩充氣球的實驗裝置

如2015年IYPT比賽中的第5題為雙氣球：兩個橡膠氣球被不完全充滿氣并被一個帶閥的塑料管連接(如圖2),會發現空氣由于初始氣球體積不同而流向不同方向.

研究這個現象的最終任務是判斷兩氣球在什么條件下能發生我們預見的流向.要解決這個問題,需要從理論和實驗兩方面進行探究.首先要建立模型，從理論上探究氣流流動的原因.對氣球作出假設,設定相關參量,從理論上探討影響氣流流向的因素.

實驗探究過程要解決的問題很多,如：如何測量氣球體積？如何測氣球內氣體壓強？如何設計圖表找出相關量與氣體流向的關系？如何通過實驗與理論對比,進行誤差分析？

圖3、4展示了學生的探究情況,學生在探究過程中自學了流體力學等相關的知識,在實踐中自制實驗器材,設計實驗,學會解決問題的一些方法,體會了探究的艱辛,體驗到了成就感.

圖3　用DIS測氣體的壓強

圖4　氣球內部的壓強隨半徑的變化關系——實驗值和理論值對比

3.4在理論模型與實驗結果對比過程中培養學生反思能力

IYPT的探究是開放的,沒有固定的結果,研究者可以根據自己的研究在不同的方向或層面上給出相應的結論,但對于探究的結果,除了實事求是外,學生還要有反思的意識和能力,反思結果要有充分的依據,要考慮方案的進一步優化.

如2014年IYPT比賽中的第5題為載重的鐵環：給圓環的內部負載一個輕小重物,給環一個初始推動,研究這個環的運動.

這個課題研究小組通過理論探究得出環的運動有三種情景：滾動、跳動和滑動.實驗中運用高速攝像機慢放很容易觀察到滾動和跳動兩種情景,但滑動情景卻始終觀察不到.研究小組再一次反思理論模型,進一步討論理論模型是否正確或完善,得出的結論與一開始的結論是一致的,這就激發學生進一步反思,通過多次實驗終于設計出證明滑動存在的方法：在環邊附一塊強磁鐵,在環邊上吸有少量的鐵屑,鐵屑上沾上墨汁,給環一個初速度,讓環在白紙上滾動,于是在紙上留下鐵屑的黑跡,測量相聯的兩個黑跡點之間的距離與其周長比較,就可以知道環在滾動過程中是否存在滑動了.

3.5在探究過程中培養學生意志品質和團隊協作能力

IYPT所有的課題研究都是通過小組合作來完成的,合作的形式根據課題的內容、進展等因素而改變.研究初期主要是在小組內討論,建立模型、進行理論分析時主要是與高校學長、校內的老師,甚至是大學的教授討論,在PPT匯報成果時與不同組的同學討論,最后在比賽時與對手討論等.討論中讓學生養成善于傾聽、尊重他人、尊重知識和不懼權威等素養,培養學生學會合作和團隊協作能力.

如2015年IYPT第6題為馬格努斯滑翔機(Magnus glider),影響滑翔機飛行的因素很多,探究過程中要運用控制變量法.但如何控制以相同的速度發射出去,是實驗中的一個難題.研究小組經過大量實驗,反復修改和測試,最終設計出既可以控制發射速度的大小,又可以控制發射方向的發射器,為實驗順利進行提供了條件.實驗數據的處理更是團隊合作的結果,研究小組先進行多次實驗,選擇若干組實驗視頻,運用視頻跟蹤分析軟件Tracker進行跟蹤,獲得滑翔機飛行的軌跡相關數據,再用數據處理軟件Mathematica進行分析,最后通過編程得出運動軌跡方程,與理論模型進行比對,得出結論.其中的數據獲取和錄入花了研究小組三位同學的一個星期的時間,沒有堅強的毅力和團隊的合作精神是很難完成這一任務的.面對困難與挫折,能保持清醒的頭腦和頑強的意志,團結一致,保持隊伍的戰斗力,最后獲得成功,這正是IYPT精神所在.

3.6在研究問題過程中培養學生工具使用能力

IYPT問題來源于生活,涉及到的知識也是多方面的,有物理學的,也有化學的,包含力學、光學、熱學、電磁學、工程力學、材料力學等,每年的課題內容也是包羅萬象,文獻的檢索、梳理為課題研究所必需,在IYPT網站雖然也提供了相關問題的背景材料,但也要學生去查找、理解,轉化為自己的知識,才能運用到理論模型中.

在研究工具的使用上,除了常見的PPT、Excel、Photoshop等辦公、圖形處理軟件外,學生還學會了視頻跟蹤分析軟件Tracker、音頻編輯軟件Cool Edit Pro、仿真實驗軟件等的應用,甚至還要學會編程來解決相關問題.

硬件方面的工具除了原來使用過的數字實驗系統、示波器、電壓和電流表等常見的工具外,還有如攝像機、數字萬用表、紅外溫度計、烙鐵和車床等等.

3.7在討論和比賽的角色變換中培養學生把握游戲規則和交流表達的能力

任何一種比賽都有一定的比賽規則,參賽者只有把握好比賽規則才能贏得最后的勝利.在IYPT比賽中每一個代表隊都要擔任不同的角色,而不同的角色必須遵守相應的規則.如作為正方,應該在規定的時間內表達清楚,盡可能用足時間.而作為反方只能針對正方的報告提問和討論,不得提及自己的研究過程,否則被視為違規而被扣分,因此反方常有“有話不能說”的感覺.反方還要針對正方報告，指出其優點的同時,更應該找出其實驗或理論中存在的問題進行有理有節的討論,而不是辯論,是雙方有問題討論,而非讓對方無話可說等,這些都是賽手所必須掌握的規則.評論方既要關注正方的陳述報告,又要關注正、反方討論過程中表現,在評論方提問環節提出雙方未討論清楚的問題,或者未涉及到的有爭議的問題,在評論方報告中必須指出正、反方的優缺點,同時還可以提出自己對這一課題中有關問題的看法.

表達交流能力是IYPT探究活動中最重要的能力之一,是IYPT比賽中獨有的要求,也是這項比賽最吸引人的特色.在探究活動中如何表達自己的想法,讓他人理解和接受你的觀點？在比賽中如何與對方選手交流自己的想法？如何抓住對方存在的問題,切中對方的要害？既需要敏感的洞察力,又要有簡明的語言表達能力,只有這樣才能表達出自己的觀點,贏得對方和評委的認可.

4　反思

4.1IYPT項目是對課堂教學的延續

課堂教學是學生學習的主陣地,是學校培養創新性人才、提高學生科學核心素養的主要渠道.因此,學生的科學核心素養的培養主要還是由日常課堂教學完成,社團活動以及其它研究性學習等課外活動是課堂教育功能的延續.教師應該在課堂教學中不斷強化核心素養的意識,與社團活動等有機結合,讓課本知識在活動中得到進一步應用,核心素養得到進一步的強化.IYPT是實現這一目的的最佳選擇,它能為學生提供探究學習的資源,也為學生提供了充分思考的時間與空間,把所學知識靈活地運用到實際的課題研究中去.教師應敢于放手,相信學生的學習能力,給學生更多的機會.

4.2IYPT研究為教師成長提供了有利的平臺

IYPT對教師提出了較高的要求,教師參與活動的方式有兩種,一種是做學生的導師,當學生在研究過程中遇到困難時能給予適當的知識和方法的指導；另一種參與方式是做學生的同伴,與學生一起討論、一起做實驗.筆者常以后一種方式參與課題研究過程,有時充當同伴,有時充當反方和評論方,在不斷的交流中,課題也深深地吸引了教師本身,激發了教師的探究興趣.為了設計實驗和建立模型,教師也需翻閱大量的參考資料,嘗試各種實驗方案.教師本身也要不斷學習,才能參與課題組的討論.隨著課題研究步步深入,自身的指導能力也在提高,在提高了學生能力的同時也完善了自己.

4.3學校應為學生提供系統的指導

IYPT是一個學術性很強的活動,高中一、二年級的學生研究能力還遠遠沒有達到自己開展小組研究的能力,特別是剛接觸課題研究時需要了解IYPT的規則,更需要了解、掌握研究方法和技能.例如如何自主學習？如何進行探究？如何寫實驗研究報告？如何進行團隊對抗？如何表達自己的觀點？如何理解對方的觀點,并能從中找出其優點和不足之處？這給我們物理教學提供了很好的校本化的教學資源.從2014年起我們開發了校本課程——《IYPT課題研究指導》,課程包括IYPT發展史、IYPT比賽規則、實驗研究報告的撰寫、實驗數據的測量與誤差分析、模型的建立、基本實驗測量工具的使用、數據處理軟件的使用等.在此基礎上還準備了開展實驗系列校本課程,讓更多的學生了解物理,對物理感興趣,更重要的是提升學生的核心素養,讓學生終生受益.

[1] 董耀.IYPT與IPhO的比較[J].物理之友,2014,30(4).

[2] 張一馳.依托JSYPT培養高中生物理創新能力初探[J].物理之友,2015,31(3).

[3] 吳志山.在IYPT選修活動課中提升學生科學素養[J].物理教學,2015,(3).

[4] 胡衛平,林崇德.青少年的科學思維能力研究[J].教育研究,2003,(12).

[5] 辛濤,姜宇,劉霞.我國義務教育階段學生核心素養模型的構建[J].北京師范大學學報(社會科學版),2013,(1).

[6] 李川勇,王慧田,宋峰,劉玉斌,孫騫.中國大學生物理學術競賽及其對培養學生綜合能力的作用[J].大學物理,2012,(5).

[7] 耿宜宏.基于JSYPT轉變學生學習方式的實踐與思考[J].物理教師,2015,(6).

①本文為2014年江蘇省實驗教學研究課題“依托JSYPT項目實驗培養創新人才的實踐研究”的成果之一.