開展物理“微科技”項目的探索實踐

戴加成 凌一洲,2

(1.江蘇省南菁高級中學,江蘇 江陰 214437; 2. 江蘇大學,江蘇 鎮江 212013)

江蘇省南菁高級中學從2013年起開始“微科技”課程的探索實踐,2017年被省教育廳確定為“江蘇省微科技課程基地”.“微科技”課程概念的提出基于中學教育在創新人才培養中的基礎性地位,本著立足長遠、去除教育功利化的目的,從基礎教育本身的特點出發,探索高中階段培養學生科技素養和創新能力的有效途徑.依托基地建設,我校師生做出了開展物理“微科技”項目的探索.

1 物理“微科技”項目的特點

物理“微科技”項目是指“微科技”課程的學生創新實踐項目,它基于學生興趣,貼近學生實際,源于課堂學習,注重創新實踐.與部分中學生依托高校和科研院所實驗資源完成的“高精尖”項目比,“微科技”項目具有小切口、低成本、易開發等特點(見表1).

表1 物理“微科技”項目的特點

2 物理“微科技”項目的選題來源

物理“微科技”項目的選題緊密圍繞教材,源于自然生成的實際問題,主要有質疑現有答案、追蹤異常現象、自制教具學具、聯系生活實際等類型.

2.1 質疑現有答案

案例1.一道物理試題對教材中的比熱容實驗做了改進:將裝有等質量水和煤油的2根試管放入盛有水的燒杯中,用酒精燈水浴加熱,用溫度計分別測量水和煤油的溫度.試題的答案與教材實驗結果相同,即煤油升溫速度比水快.但凌一洲同學在南菁高中就讀時,覺得實驗條件已經發生了變化,增加了很多不確定因素,因此對答案提出質疑.他通過實驗驗證發現,在試題水浴加熱的條件下,導熱系數對升溫快慢的影響不可忽略,由于水的導熱系數遠大于煤油的導熱系數,所以實際情況為水升溫比煤油快,標準答案是錯誤的.他將這一發現撰寫成論文,發表于《中學物理教學參考》.[1]

其實,不少實驗試題在設計之初并沒有經過實驗驗證,可能會受許多非理想因素的影響,存在錯誤或不足.學生在做這些試題時,可能會產生直覺上的別扭、不對勁,進而對答案提出不同的意見.此時,教師應該鼓勵學生的大膽質疑,與學生擦出思維的火花,將有價值的質疑轉化為具有研究價值的“微科技”項目.

2.2 追蹤異常現象

案例2.在江蘇省高中物理名師講壇“氣體的等溫變化”一課中,[2]授課教師多次改變注射器容積V,用壓強傳感器測量注射器內氣體壓強p,最后用采集的數據繪制p-V-1圖像.按照預期,p-V-1圖像應該是一條直線,但實際上,當V-1增大到一定程度時,數據點明顯脫離了直線.面對這一異常現象,教師帶領學生繼續探究,發現了裝置中的系統誤差——連接管的容積V0未被計算,并最終將圖像修正為p-(V+V0)-1的圖像.

異常現象是實驗課上經常出現的突發情況,其原因不一定是實驗者的操作不當,還可能是實驗中存在實驗者未知的規律,或實驗條件超出了規律適用的范圍.因此,異常現象不一定是實驗失敗的標志,而可能是即時生成的項目選題,供師生繼續追蹤探究.

2.3 自制教具學具

案例3.許多高中物理實驗都涉及物體的運動規律,浙江省一位高中生受到傳統頻閃攝影和打點計時器的啟發,設計了一種能夠實時呈現物體運動細節的教(學)具——多功能光影計時裝置.該裝置由紫色頻閃光源、兩個無極調速滑臺和支架等構成,巧妙地將光影留跡應用于運動計時,可以應用于各種運動的定量研究,實驗現象清晰直觀(見圖1,a～e分別為自由落體、平拋運動、簡諧運動、以地面為參考系的飛機投彈、以飛機為參考系的飛機投彈).

圖1 多功能光影計時裝置的應用效果

物理是一門以實驗為基礎的學科.運動學實驗的核心是記錄物體在各時刻的位置,案例3裝置的設計者緊緊抓住這個核心,靈活運用所學知識,研究出了記錄物體在各時刻的位置的新方法,并根據這個新方法設計了新儀器,不失為“微科技”項目的良好選題.這種教(學)具雖然不能發現新的物理規律,但整合了多種傳統儀器的精髓(創造性強),結構和實施方式為首創(新穎性強),能夠很好地演示、驗證某種物理原理(實用性強),因此同樣具有價值.

2.4 應用生活實際

案例4.面對飲用水安全監測這一社會熱點問題,福建省一位高中生用激光筆、內側帶鏡面的玻璃小水槽、CCD攝像頭、電腦等制作了新型水質監測裝置(見圖2),用于家庭實時全面監測水質污染程度.該裝置的創新點之一是運用了微小放大法,沒有直接測量光束在水中的折射角,而是先讓光束在水槽內壁鏡面進行9次全反射再測量,以此把精度提高到1%.該裝置獲得了全國青少年科技創新大賽二等獎.

圖2 新型水質監測裝置的結構示意圖

如今,越來越多高中生開始嘗試生活題材的低成本發明創造,此時物理“微科技”項目可以為學生建立起理論與實際、物理與生活的橋梁.在發明創造的過程中巧妙地應用課堂所學的物理思想和物理原理,能很大程度地提高作品的科學性和技術含量.

3 物理“微科技”項目的開展

物理“微科技”項目的開展分為立項(分析論證)、實施(設計探究)、總結(產生成果)等3個階段,采用學生自主實踐與教師有效指導相結合的方式進行,教師充當項目實施的參與者和促進者.

在項目立項階段,教師要鼓勵學生圍繞教材所學內容提出感興趣的問題,引導學生將問題進一步構思形成選題,并根據自己的經驗指導學生進行分析論證,主要包括:項目選題是否空洞、所需時間是否過長、所需材料成本是否過高、所需知識是否過深、項目預期成果是否有價值等.

在項目實施階段,教師要指導學生盡可能地使用所學知識解決問題,盡可能地用身邊已有的材料滿足實驗或制作的要求,使物理知識情境化,轉化為學生的能力.同時,對于動態生成的各種問題,教師要引導學生進行組內和組間討論,吸納建議,不斷完善.[3]此外,要加強對學生學術道德的監督,及時指出選擇性忽視不利數據等常見問題.

在項目總結階段,教師要促進學生反思、感悟,使項目成果內化為素養.要指導學生選擇合適的方式呈現項目成果,除了撰寫研究報告外,還有發表論文、申請專利、參加科技競賽等.對于有繼續研究潛力的項目,教師要幫助進一步深化主題、明確方向.

除了上述共性外,不同選題的項目在開展時的重點也各不相同(見表2),應該得到個性化的實施.

表2 不同選題的項目在各階段的重點

續表

4 物理“微科技”項目的育人作用

在開展“微科技”項目的過程中,學生通過思考、實踐和總結,提煉和提升原有的物理概念和物理規律,“物理觀念”素養得到培育.學生基于事實證據進行推理假設,總結不同物理現象中的內在聯系,對已有答案提出大膽質疑,“科學思維”素養得到培育.學生自主提出項目選題,設計實驗驗證,尋找證據解釋現象,進行組間組內的交流討論,“科學探究”素養得到培育.學生以認真嚴謹的態度對待實驗,將物理原理、物理思想靈活應用于生活實際,“科學態度與責任”素養得到培育.