將IYPT實驗融入中學物理教學的理論思考與實踐探索

陳 晨 陸建隆

(1. 金陵中學仙林分校中學部,江蘇 南京 210000; 2. 南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210000)

將IYPT實驗融入中學物理教學的理論思考與實踐探索

陳 晨1陸建隆2

(1. 金陵中學仙林分校中學部,江蘇 南京 210000; 2. 南京師范大學教師教育學院,江蘇 南京 210000)

隨著IYPT在我國的迅猛發展,越來越多的中學開始關注IYPT這一賽事．本文在IYPT賽題的基礎上,提出了IYPT實驗并對其進行界定,分析了IYPT實驗與IYPT賽題、中學物理實驗的聯系與區別．在此基礎上提出了改編實驗的具體要求和方法,并以“環繞的光”為例進行分析,進而經過改編使其成為適合中學物理教學的實驗．通過改編的實驗能有效促進中學物理教學,進一步激發學習興趣,提高學生的物理實驗素養．同時作為傳統物理實驗的重要補充,也可使IYPT實驗成為物理教師重要的教學資源．

IYPT賽題;IYPT實驗;中學物理實驗;中學物理教學；思考；探索

1 引言

國際青年物理學家錦標賽(簡稱IYPT)是國際三大物理賽事之一,憑借其開放性的賽題和獨特的比賽風格風靡全世界．每年IYPT會有17道獨具特點的開放性賽題,這些賽題需要學生進行實驗探究和理論分析,最后以匯報的形式呈現,這對培養學生的實驗技能和表達能力有積極的意義．而將IYPT賽題研究中的實驗融入中學物理教學對改善課堂教學、提高學生物理實驗素養都有重要的借鑒和參考價值．

2 IYPT實驗融入中學物理教學的分析與探索

2.1 IYPT實驗的界定及其特征

IYPT實驗是基于IYPT賽題的探究性實驗,它不單是一個獨立實驗,而是針對某一個物理現象或者某一個物理問題解決的系列實驗．其實驗過程既不是專家學者設定的也不是由教師設定的,而是由學生根據研究需要自主設計的．此外,實驗中所需要的器材既有實驗室中的儀器、材料,也包含學生自己制作的實驗裝置,甚至還會用到大學實驗室中的實驗設備．

IYPT實驗最顯著的特征是多因素化．影響實驗結果的因素有很多,在這些影響因素中有的起主要作用,有的起次要作用,因此我們需要對所有可能的因素進行分類和分析,抓住主要因素,忽略次要因素．

例如，2015年第28屆IYPT第14道題——環繞的光(Circle of Light):當一束激光照射在一根金屬絲上時,可以在垂直于金屬絲的屏幕上觀察到一個光圈,解釋這個現象并研究相關因素(When a laser beam is aimed at a wire, a circle of light can be observed on a screen perpendicular to the wire. Explain this phenomenon and investigate how it depends on the relevant parameters.)．在基于這道賽題的IYPT實驗中,影響光圈形成的因素有很多,主要的影響因素有光的波長和頻率、金屬絲的直徑以及入射角、入射點距光屏的距離等．對于每個影響因素都需要進行實驗探究,因此進行的實驗是多種多樣的．正是由于IYPT實驗的多因素化，導致了IYPT實驗不可能只有一個實驗,而是系列性實驗．

2.2 IYPT實驗與IYPT賽題、中學物理實驗的聯系與區別

相比于IYPT賽題,IYPT實驗最大的不同就是去掉了理論研究部分．由于賽題具有極強的探究性,所以研究IYPT賽題普遍會采用大學物理的相關知識,在理論上對學生提出了較高的要求．而IYPT實驗僅僅是實驗部分,并不涉及太多的理論知識,強調的是實驗操作以及數據的獲得與處理．因此,IYPT實驗本身就是IYPT賽題研究的一部分,實驗現象的展示、實驗探究及實驗數據的獲得,最后跟理論進行比對并驗證作出誤差分析,從而完成整個賽題的探究任務．

相比于中學物理實驗,IYPT最大的特點是實驗的開放性,主要體現在如下兩點： (1) 設計實驗方案的自主性,不同的學生設計的實驗方案各不相同.由于IYPT實驗的多因素,因此每個學生研究的因素不一樣,即使研究相同的因素,所進行的實驗操作也是因人而異的,而且記錄的實驗數據也各不相同； (2) 實驗的綜合性強,由于研究的因素多所以實驗數量相對較多,這也決定了實驗對應的理論知識更加廣泛,不僅僅局限于課本上某一節的內容,很可能是某一章或者某一個分支的內容(如力學、光學等),故而實驗的操作難度會更大．此外,所用的實驗器材也相對較多,不僅有實驗室中的器材,還會有很多日常生活中的物品(如坐凳、掃帚、旅行箱等),甚至還要借助大學的實驗器材．

通過上述分析我們發現,IYPT實驗既不同于IYPT賽題,也不同于傳統意義上的中學物理實驗,它是從IYPT賽題過渡變成中學物理實驗的中間態(如圖1)．如果在IYPT實驗的基礎上加上理論分析和理論實驗對比分析的部分,IYPT實驗就變成了完整的IYPT賽題．如果將IYPT實驗分解成一個個子實驗而分別用在不同的教學內容上,給出一定的實驗步驟,避免使用一些學生沒有接觸過的實驗器材,IYPT實驗就能變成我們傳統的物理實驗．將IYPT實驗從研究IYPT賽題的實驗改編成中學物理實驗,有利于促進我們的物理教學,進而成為物理課堂教學的一個嶄新亮點．

IYPT實驗跟IYPT賽題和中學物理實驗之間的關系

2.3 IYPT實驗融入中學物理教學的功能分析

由于IYPT實驗是一個系列實驗,并且每個實驗的作用各不相同,因此每個實驗融入中學物理教學中的作用和功能各不相同．

2.3.1 演示實驗與新課導入

IYPT實驗通常會有預實驗和針對某一影響因素的探究實驗.預實驗是為了呈現物理現象,一般只是作定性分析,而不做定量研究,可以作為演示實驗在課堂引入環節進行展示,以便引起學生的好奇心并且激發他們的學習興趣．這些實驗容易使學生迅速進入到課堂之中,開始對新知識的迫切學習.教師可以在課堂的結尾階段，讓學生結合所學的知識解釋先前的演示實驗,既達到鞏固提高的目的,又可以讓課堂教學首尾呼應了起來.

2.3.2 探究實驗與小組合作

IYPT最主要的組成部分是針對某一影響因素的探究實驗,對不同的影響因素進行研究需要不同的實驗,其中一些與教學內容切合度高的探究實驗可以作為課堂的探究實驗,或者專門作為實驗內容進行實驗教學,讓學生分組完成實驗探究,使IYPT實驗成為課堂教學的一種有效載體．學生通過實驗探究得出實驗結論并嘗試進行分析,教師在此基礎上引導學生進行總結,從而歸納得到物理概念或者物理定律、規律,完成好教學任務．

2.3.3 擴展實驗與課后延伸

此外,IYPT實驗中還有一些實驗可以讓學生課后嘗試進行拓展性研究．這些實驗的綜合性比較強,涉及的因素不止一個,對物理知識和物理實驗器材的要求較高,需要一定的時間和場所才能進行研究,屬于課堂教學的課后、課外延伸及擴展,鼓勵對物理感興趣的學生自己去嘗試和研究．通過對不同的實驗進行分層次教學,針對不同類型的學生進行因材施教,從而促進每一個學生的成長、發展．

2.4 IYPT實驗融入中學物理教學的基本要求與方法

雖然每個IYPT實驗是一個系列實驗,但并不是所有的實驗都適用于中學物理教學,而且將IYPT實驗直接引入到課堂中也是不可取的,必須在原有基礎上進行適當的改編使其成為適用于中學物理教學的實驗．

2.4.1 所選IYPT實驗必須與教學內容和教學目標相一致

將IYPT實驗改編為中學物理實驗主要目的是為了更好地完成教學目標,使學生能夠更有效地掌握所學內容,因此改編的實驗一定要與我們的教學內容和教學目標相一致,否則不利于最大化地發揮IYPT實驗的教育教學價值．例如，2014年27屆IYPT中的第16題——磁制動器(Magnetic brakes):當有強磁鐵從非鐵磁性金屬管降下來時,它會受到一個減速力,請研究此現象(When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon.)．基于這道賽題的IYPT實驗與人教版選修3-2教材中的楞次定律一節的教學內容十分相符,選用鐵球和塑料球這兩種不同材質的小球分別讓其下落,使學生產生認知沖突,以便自然地引出本節課的教學內容,并在學完后嘗試讓學生運用所學知識進行解釋,使其更加深刻地理解楞次定律,從而達到鞏固提高的效果,完成既定的教學目標．

2.4.2 細化每一個IYPT子實驗的教學功能

由于IYPT實驗是研究某一物理問題或者物理現象的系列實驗,因此會有一系列子實驗,這些子實驗的教學功能各不相同,有些可以作為演示實驗,有些可以讓學生分組實驗,有些則是拓展研究．例如，在上文中提及的磁制動器實驗中,預實驗可作為學習楞次定律前的演示實驗,用于激發學生的興趣,引出所學內容．而對下落速度的探究，則可以讓學生進行分組實驗,利用打點計時器測出磁鐵下落的速度,研究磁鐵最后下落的速度是否勻速,從而驗證楞次定律,達到較好的學習效果．而磁感應強度對下落速度影響的探究可以作為拓展性研究讓學生課后進行．

2.4.3 IYPT實驗引入中學物理教學要適合學生的操作

雖然IYPT實驗基本上與我們的中學物理教學內容相關,能夠吸引學生,但是有些實驗的過程較為繁瑣,數據不容易測量,某些實驗所需要的器材又可能是大學的實驗器材,超出了中學生的認知范圍,對測量出來的數據學生也可能不理解其中的物理意義,這些實驗不適合引入中學物理教學之中．因此我們改編的IYPT實驗要簡潔可行,所需器材應該是學生較為常見且容易操作的．例如，2015年第28屆第9題——氣墊船(Hovercraft):用一張CD片(光盤)和一個氣球做一個簡單的氣墊船,氣球充滿氣并且與CD片用一根管子連接．氣球向下放氣可以讓CD片上升高于地面從而減小摩擦,研究的相關因素是如何出現“小摩擦力”情形的持續時間(A simple model hovercraft can be built using a CD and a balloon filled with air attached via a tube. Exiting air can lift the device making it float over a surface with low friction. Investigate how the relevant parameters influence the time of the ‘low-friction’ state.)．實驗中所需的器材十分簡單,光盤、氣球、膠水、秒表、打氣筒、連接器等．學生很容易做出模型,向氣球中吹入不同量的氣體,并記錄“氣墊船”運動的時間,從而得出兩者間的聯系．這樣的實驗更容易讓學生接受,他們也更容易在腦海中形成簡單的物理圖像,對滑動摩擦力也有一個更加深入的理解．

3 以“環繞的光”為案例的相關分析

這里我們以上面提到的“環繞的光”為例,探討如何將IYPT實驗改編成課堂教學中可使用的中學物理實驗．光圈形成的主要原因是，當用一束激光照射圓柱體時,其反射光、折射光(柱體透明時)、衍射光(柱體較細時)的疊加形成了以入射點為頂點的空間圓錐形光面(空間光錐),并且在垂直于柱體軸線方向的觀察平面上投影成一圈光環(如圖2所示)．涉及到的物理知識有光的反射、折射和衍射,進行簡單的理論分析可知光環的半徑(R)與入射角度(θ)、入射點到觀察平面的距離(L)有關,用公式表示即為R=Ltanθ．通過分析，我們可以將光環實驗分為以下幾個方向進行研究:產生光環現象的預實驗、探究光環的半徑與入射角度的關系、探究光環半徑與入射點到接收屏距離的關系，以及對光強分布的研究、折射對光環形成的影響等．這樣，其每一個實驗便可對應于高中光學的內容而改編成中學物理實驗了．

光環形成的示意圖

3.1 產生光環的預實驗

預實驗中的光環圖3

預實驗的主要作用是產生實驗現象,使學生對整個實驗有一個大致的了解．光環的預實驗則是產生光環這一現象(如圖3所示)．學生在之前只學習過二維空間光的反射,幾乎沒有涉及過三維空間光的反射．因此光環的預實驗比較適合作為演示實驗,在高中學生剛開始學習選修3-4光學時,教師就可以進行實驗展示.為了讓現象更為明顯,可以向空氣中噴些水,以便顯示光路,讓學生看到空氣中的光錐,激起他們的好奇心和學習興趣,讓學生更好地理解在三維空間中光的反射原理．

3.2 探究光環半徑與入射角度關系的實驗

這個實驗可以在高中學生學習完全反射和激光的知識后作為分組實驗進行,從中可以培養學生的實驗操作技能．由于這兩節教學內容學生比較容易接受,引入該實驗不會影響教學進度,而且能有利于學生加深對反射定律和激光特征的理解．教師可讓學生在實驗室中進行分組實驗,準備好實驗所需的器材,包括激光筆、金屬絲、直尺、量角器等．在實驗前教師要說明實驗的目的,實驗的大體流程以及需要記錄的數據等,要求學生測量在30°、45°、60°下光環的半徑,進行實驗驗證,并將實驗數據填寫在表1中．

表1 入射角度與光環半徑關系的實驗數據記錄

3.3 探究光環半徑與入射點到接收屏距離關系的實驗

與探究光環半徑與入射角度關系的實驗一樣,這個實驗也可以作為學生分組實驗在實驗室中進行．教師同樣要在實驗前說明相關情況,保持入射角度不變,改變入射點到接收屏的距離,分別測量不同距離下光環的半徑,將測量的數據記錄到表2中．

表2 入射角度與光環半徑關系的實驗數據記錄

3.4 光強分布的實驗研究

之所以要研究光強的分布,主要是為了研究衍射對光圈形成的影響,可作為光的衍射教學的擴展性實驗,讓學生利用DIS進行實驗,通過軟件得到光強分布圖,間接驗證衍射是光環形成的原因之一,進一步理解教材上所示的明暗條紋的形成原因,從而幫助學生更好地掌握光的衍射知識．

我們發現基于一個賽題的IYPT實驗可以拆分成幾個子實驗而用于不同的教學內容之中．對于上述實驗中的探究光環半徑與入射角度關系和探究光環半徑與入射點到接收屏距離關系的實驗,在進行分組實驗后需要學生撰寫實驗報告,進行實驗驗證和誤差分析．當然,涉及這道賽題的實驗還有很多,例如對光環做頻譜分析,但因超出了中學階段的學習要求,沒有引入到我們的實驗之中．所以，不是IYPT實驗中所有的實驗都可以改編成中學物理實驗,必須要有選擇地加以改編,有的適合演示,有的適合學生分組探究,有的則適合作為拓展性研究,但這些做法都必須基于中學物理教學的層面以及中學生的認知水平．

4 IYPT實驗融入中學物理教學的重要性認識

4.1 IYPT實驗是物理教師重要的教學資源

IYPT從1988年舉辦至今已有近29年了,按照每年17道題計算一共有493道賽題,而每一道賽題就對應著一個IYPT的系列實驗,這是一個巨大的物理實驗資源庫．IYPT實驗中不同的實驗有不同的用處,預實驗可以作為演示實驗在課堂導入中使用;對某一因素研究的實驗可以作為課堂中的探究活動讓學生進行分組實驗;還有一些實驗可以作為擴展性實驗,讓學有余力的學生進行課后的研究．此外,IYPT實驗大都與實際生活相聯系,有不少實驗場景學生還是相對熟悉的，符合學生的學習心理,也有利于師生一起達成教學目標．例如2016年IYPT賽題中的第8題——磁列車(Magnetic Train):將兩個按鈕磁鐵連接到一個柱狀電池的兩端,將其放置在一個銅線圈內部并使磁鐵接觸線圈,此時“小火車”開始移動．試解釋這一現象并研究相關參數是如何影響列車的速度和功率的．基于這道賽題的IYPT實驗原理與高中生學習的安培力知識有關,因此教師在介紹安培力時可以將該實驗中的預實驗作為演示實驗,使學生產生好奇并思考“小火車”為什么會動,從而引出安培力概念的教學．最后在這堂課結尾時，請學生結合所學知識解釋“小火車”移動的原因,做到了首尾呼應．

4.2 IYPT實驗更易吸引學生并激發學習興趣

現今的中學物理實驗較多還是以驗證性實驗為主,而探究性實驗相對較少．驗證性實驗是對某一定理或定律進行實驗操作,以驗證它正確與否的實驗．例如歐姆定律、機械能守恒定律實驗等．在進行這些實驗前，教師通常會介紹實驗的具體操作流程、所需使用的實驗器材,學生只需要規范操作即可．這類實驗確實可以提高學生對儀器的使用及操作技能,但是學生還缺乏對實驗探究的自主性,久而久之會讓學生失去對物理實驗的濃厚興趣．而IYPT實驗由于其貼近生活,就容易吸引學生．以上述的磁列車為例,用兩個紐扣磁鐵和一節電池組成了一個“小火車”,學生肯定會問這樣的“火車”能跑嗎?經過嘗試發現“小火車”不僅能在線圈內部跑,在線圈上也可以跑,他們的興趣和好奇心就一下子被激發起來了．在后續的實驗中,學生會發現“小火車”的運動速度和磁鐵的磁場強弱、電流及線圈的疏密程度等因素都有關,教師借此可以讓學生進行分組實驗,每組選取一個因素進行探究,最后學生便知曉了安培力跟磁場、電流等的關系,這跟我們的教學內容和教學目標是相一致的.

4.3 IYPT實驗有利于培養學生的物理實驗素養

IYPT實驗具有很強的探究性,又沒有固定的探究思路,對于每一個影響因素都可以進行探究．例如2014年第27屆IYPT賽題中的第6題泡沫晶體(Bubble crystal):在含有肥皂水的液體表面,漂浮著大量非常小的、相似的氣泡．氣泡會自動排列成一個類似晶格的規則圖案．題中提出了一種方法,以便取得大小一致的氣泡,并研究這種氣泡晶體的形成．由于這道賽題的IYPT實驗現象十分貼近實際生活,人們平時在用肥皂水洗衣服時通常會產生泡泡,但是對于泡泡是怎么樣形成的，以及在水面上是如何排列的卻很少有人思考、研究過，這樣的實驗跟一般的中學實驗確有很大的不同.由于這類IYPT實驗,探究方式不固定,實驗器材來源廣泛,既有實驗室中的器材,也有隨手可取的日常生活用品,學生通過這些實驗活動會意識到物理學跟實際生產生活密切相關,可以運用物理知識解決實際問題,而在此過程中,學生也能學到不同的實驗研究方法(如控制變量法、放大法、等效替代法等等).久而久之,學生們不僅能在物理實驗技能方面得到加強,更重要的是促進學生逐步具備運用物理實驗解決實際問題的科學意識,進而使他們在物理實驗意識、物理實驗方法和物理實驗技能3個方面有效地提升自己的物理實驗素養．

1 陳晨,陸建隆.IYPT賽題解決中的多因素分析及對高中物理實驗教學的啟示[J].物理教師,2014(10):93-96.

2 陳晨.三維空間中光反射的趣味實驗探究[J].物理教師,2015(8):45-47.

3 陳晨,王峰,陸建隆.IYPT模式融入高中物理課堂教學的思考與實踐探索——以電動勢教學為例[J].物理教師,2016(5):1-8.

2016-10-17)