指向關(guān)鍵能力的初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)開發(fā)與實(shí)施
——以“制作太陽能動(dòng)力小車”為例

程建軍 申 潔

（蘇州市振華中學(xué)校，江蘇 蘇州 215006）

物理學(xué)科關(guān)鍵能力是指在應(yīng)對(duì)現(xiàn)實(shí)情境時(shí)表現(xiàn)為解決問題的能力，是在經(jīng)歷學(xué)科學(xué)習(xí)的過程中逐步形成的，屬于適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備能力.[1]江蘇義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力研究項(xiàng)目組于2018年出版的《義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)·關(guān)鍵能力測評(píng)與教學(xué)（初中物理）》構(gòu)建了初中物理核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的框架，包含概括理解、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)踐應(yīng)用和求實(shí)創(chuàng)新4個(gè)方面，并細(xì)化了初中物理學(xué)科中的關(guān)鍵能力，同時(shí)制定了各個(gè)關(guān)鍵能力表現(xiàn)水平的描述量表.

綜合實(shí)踐活動(dòng)是蘇科版初中物理教材的特色內(nèi)容，通過關(guān)注社會(huì)、生活和科技，以物理知識(shí)和原理為主，同時(shí)綜合其它學(xué)科，促使學(xué)生經(jīng)歷較為完整的探究過程，獲得開放性的技術(shù)訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提高學(xué)生的實(shí)踐能力，提升學(xué)生的科技素養(yǎng).[2]因此，在初中物理教學(xué)中有效開展綜合實(shí)踐活動(dòng)，是促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力發(fā)展的重要途徑之一.

本文以初中物理能量相關(guān)知識(shí)為背景，設(shè)計(jì)一個(gè)“制作太陽能動(dòng)力小車”為主題的綜合實(shí)踐活動(dòng)，通過開展“做中學(xué)”、“學(xué)中創(chuàng)”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，并運(yùn)用設(shè)計(jì)思維引導(dǎo)學(xué)生將創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品，探尋綜合實(shí)踐活動(dòng)的有效實(shí)施路徑，培養(yǎng)和提升學(xué)生的關(guān)鍵能力.

能量相關(guān)知識(shí)是初中物理教學(xué)的重難點(diǎn)內(nèi)容，與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用兩部分內(nèi)容密切相關(guān)，與很多學(xué)科有關(guān)聯(lián)，和生產(chǎn)、生活息息相關(guān).這部分內(nèi)容對(duì)于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他科學(xué)技術(shù)，都是十分重要的.為此，筆者開發(fā)了“制作太陽能動(dòng)力小車”的綜合實(shí)踐活動(dòng)，以確定主題、實(shí)驗(yàn)探究、作品設(shè)計(jì)、動(dòng)手制作、展示評(píng)價(jià)和拓展延伸為實(shí)施路徑開展項(xiàng)目活動(dòng)，在實(shí)踐中提升學(xué)生的關(guān)鍵能力.

1 確定活動(dòng)主題與實(shí)驗(yàn)探究階段——培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力

能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已成為人類當(dāng)下面臨的重大問題，新能源利用迫在眉睫.有人預(yù)測到2050年有望實(shí)現(xiàn)可再生能源供電全球，其中太陽能將占7成.太陽能利用將是破解能源危機(jī)及環(huán)境問題的有效途徑之一.因此，通過播放太陽能飛機(jī)、輪船、汽車和月球車等視頻，啟發(fā)學(xué)生對(duì)太陽能提供動(dòng)力的認(rèn)識(shí)，明確本次活動(dòng)的主題：設(shè)計(jì)制作一個(gè)太陽能動(dòng)力小車，比一比哪個(gè)動(dòng)力最足，誰設(shè)計(jì)的小車最具有創(chuàng)意.

對(duì)太陽能電池的認(rèn)識(shí)是本次活動(dòng)的主要任務(wù)之一，教師可以簡要介紹太陽能電池是如何將光能轉(zhuǎn)化為電能的，然后組織學(xué)生開展如何讓太陽能電池產(chǎn)生更多的電能的探究性活動(dòng)（如圖1），告知學(xué)生通過測量開路電壓和短路電流來衡量太陽能電池的性能.引發(fā)學(xué)生對(duì)太陽能電池電壓和電流大小影響因素進(jìn)行猜想，學(xué)生很快會(huì)想到光照強(qiáng)度、光照面積、光照角度等影響因素.教師再利用數(shù)字化光線傳感器測量光線垂直入射在一塊太陽能電池時(shí)，光源到太陽能電池板不同距離的光照強(qiáng)度，使學(xué)生對(duì)光照強(qiáng)度有直觀的認(rèn)識(shí)，而探究活動(dòng)中只要改變光源到太陽能電池板的距離就可以改變光照強(qiáng)度.具體實(shí)驗(yàn)探究過程如下.

圖1 學(xué)生分組探究

實(shí)驗(yàn)以家用“220 V 275 W”浴霸燈作為光源，用萬用表分別按圖2（A）和圖2（B）接線，首先按測量光照強(qiáng)度時(shí)的距離值，分別測量開路電壓值和短路電流值；然后控制距離相等光線垂直入射到太陽能電池，測量不同面積時(shí)開路電壓值和短路電流值；最后控制距離相等和光照面積相等，改變光照角度，測量開路電壓值和短路電流值，如表1、表2、表3是其中一組學(xué)生測量的數(shù)據(jù)記錄.

圖2 測量太陽能電池的開路電壓、短路電流示意圖

表1 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照強(qiáng)度變化關(guān)系

表2 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照面積變化關(guān)系

表3 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照角度變化關(guān)系

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的比較與分析，學(xué)生很容易得出太陽能電池產(chǎn)生的電能與光照強(qiáng)度、面積、角度都有關(guān)，為后面太陽能動(dòng)力小車的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備.

該階段明確了活動(dòng)的主題，圍繞主題開展太陽能電池的探究活動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)解決了制作太陽能動(dòng)力小車的供電問題，學(xué)生經(jīng)歷探究過程、分析探究結(jié)果、內(nèi)化探究方法和體驗(yàn)探究的愉悅，在解決問題的同時(shí)提升了實(shí)驗(yàn)探究能力.

2 作品設(shè)計(jì)階段——培養(yǎng)觀察與建模能力

作品設(shè)計(jì)階段是作品制作之前不可缺少的過程，小組成員通過頭腦風(fēng)暴，將眾多想法匯集，提升形成具體的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而建構(gòu)模型，設(shè)計(jì)出作品的圖紙.如關(guān)于小車動(dòng)力系統(tǒng)問題，針對(duì)前面的實(shí)驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)太陽能電池輸出的電流比較小，怎樣提高小車的動(dòng)力？有的同學(xué)建議選擇面積大的太陽能電池，有的想到將太陽能電池并聯(lián)起來，還有同學(xué)通過觀察齒輪傳動(dòng)裝置，是否可以利用杠桿原理增大動(dòng)力，方法如圖3（a）和圖3（b），將齒輪傳動(dòng)建構(gòu)看成所學(xué)的杠桿模型.根據(jù)杠桿原理可得F1·d=F2·r，F(xiàn)3·R=F4·d，（r為小齒輪的半徑，R為大齒輪的半徑，d為齒輪軸的半徑且相等，F(xiàn)2與F3是相互作用力）可以推導(dǎo)出F4：F1=R：r，從而將電動(dòng)機(jī)提供的動(dòng)力F1增大為小車輸出的動(dòng)力F4.這些想法匯集起來后，就有效解決了太陽能動(dòng)力小車的動(dòng)力系統(tǒng)問題.

圖3

還有小車電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、輪胎選擇都離不開生活中的觀察和物理模型的建構(gòu)，學(xué)生通過觀察，從物理現(xiàn)象中獲取有用的信息，并與相關(guān)知識(shí)建立聯(lián)系，構(gòu)建出恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停Ｄ芰Φ玫搅擞行в?xùn)練和提高.

3 作品制作、測試與優(yōu)化階段——培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐能力

作品制作是學(xué)生根據(jù)小組的設(shè)計(jì)方案，選擇合適的材料和工具，動(dòng)手操作將自己的創(chuàng)意或方案付諸現(xiàn)實(shí)，最后轉(zhuǎn)化成物品或作品的過程.太陽能動(dòng)力小車制作過程會(huì)涉及到小車結(jié)構(gòu)搭建、動(dòng)力系統(tǒng)安裝、輪胎選擇、電路連接等步驟，為了活動(dòng)順利進(jìn)行，教師提供了一些必要的材料給各活動(dòng)小組，如太陽能電池、電動(dòng)機(jī)、齒輪、車軸、雪糕棒、導(dǎo)線等，小組也可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需求從生活物品中選擇合適的材料進(jìn)行制作，鼓勵(lì)他們將所學(xué)的能量、力學(xué)和電學(xué)知識(shí)應(yīng)用到小車制作當(dāng)中.

作品制作后要進(jìn)行測試與優(yōu)化，作品測試優(yōu)化是指通過評(píng)估、測試對(duì)作品出現(xiàn)的問題進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)檢測調(diào)試，不斷優(yōu)化作品.因此，這個(gè)階段要給學(xué)生充分的時(shí)間和空間，學(xué)生可以利用課余時(shí)間在家里或者學(xué)校創(chuàng)客空間進(jìn)行作品的制作，教師適時(shí)給與指導(dǎo)和鼓勵(lì)，反復(fù)改進(jìn)，完成產(chǎn)品原型（圖4為學(xué)生制作的小車原型）.學(xué)生在材料選擇、工具使用、動(dòng)手制作和產(chǎn)品測試中鍛煉了動(dòng)手實(shí)踐能力.

圖4 學(xué)生制作的小車原型

4 活動(dòng)交流與評(píng)價(jià)階段——培養(yǎng)反思與評(píng)價(jià)能力

各小組完成太陽能動(dòng)力小車設(shè)計(jì)和制作后，便進(jìn)入活動(dòng)交流與評(píng)價(jià)階段，各小組通過海報(bào)、PPT或短視頻方式分享自己的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)方案、實(shí)現(xiàn)過程、遇到的困難和解決辦法（如圖5）.小組間可以互相提問，獲得作品優(yōu)化的建議.同時(shí)組織一場太陽能動(dòng)力小車?yán)Υ筚悾锰柲苘嚑恳d重車廂，在車廂里裝入石塊、鐵塊等物體以增加配重，比一比哪個(gè)小組的小車能夠牽引的載重車質(zhì)量最大，以此測試小車的動(dòng)力大小.在天氣晴朗條件下，也可以組織學(xué)生到廣場上進(jìn)行一次太陽能小車賽車比賽，測量小車在陽光照射下行駛20 m所用的時(shí)間來比較各小組小車的性能.分享和比賽結(jié)束后，以小組自評(píng)、互評(píng)及教師評(píng)價(jià)等方式，對(duì)小組活動(dòng)的綜合情況，如太陽能動(dòng)力小車設(shè)計(jì)、性能、外觀以及器材、資源的利用和時(shí)間的管理、團(tuán)隊(duì)合作等方面進(jìn)行評(píng)估.

圖5 小組活動(dòng)展示

該階段是學(xué)生對(duì)自己或他人在解決問題過程的思路、方法和結(jié)果等方面，進(jìn)行全面、合理、客觀的評(píng)價(jià)，發(fā)揮評(píng)價(jià)引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的功能，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成反思的習(xí)慣，讓學(xué)生學(xué)會(huì)在反思中找問題，在問題中求改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制作最優(yōu)化.不同小組展示了不一樣的作品，表述不一樣的創(chuàng)意和講述不一樣的經(jīng)歷，是分享知識(shí)和創(chuàng)意的過程，加強(qiáng)了學(xué)生間的交流，學(xué)生在樂于分享觀點(diǎn)的同時(shí)，也增強(qiáng)了創(chuàng)造的信心，提升了語言表達(dá)能力和批判性思維能力.

5 拓展延伸階段——培養(yǎng)遷移與創(chuàng)新能力

在前面活動(dòng)的基礎(chǔ)上，有的小組提出了太陽能動(dòng)力車如果在實(shí)際生活中應(yīng)用，還需要安裝充電電池，否則陰雨天氣沒有陽光，汽車就動(dòng)不了.有學(xué)生想到了太陽能電池直接給汽車供電，動(dòng)力會(huì)不足等問題，于是就在原來制作小車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，安裝了充電電池，在有陽光的時(shí)候太陽能電池能夠?qū)Τ潆婋姵爻潆姡沙潆婋姵卦俳o動(dòng)力系統(tǒng)供電，這與實(shí)際電動(dòng)汽車原理基本一致.有的小組在太陽能小車上安裝了傳感器，利用所學(xué)的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障、燈光感應(yīng)和太陽能電板可翻折等功能，這將是今后太陽能無人汽車的雛形.還有的小組聯(lián)想到太陽能電池除了在汽車上使用，能否在學(xué)校屋頂上安裝能根據(jù)太陽光自動(dòng)調(diào)節(jié)照射角度的太陽能電池，制造一個(gè)綠色環(huán)保型供電系統(tǒng)給學(xué)校供電的設(shè)想.這些都是活動(dòng)的自然拓展與延伸，學(xué)生能將在活動(dòng)中學(xué)習(xí)到的知識(shí)自然運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)和生活中，將學(xué)習(xí)與生活相聯(lián)系，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)習(xí)的積極性和潛能，培養(yǎng)了知識(shí)遷移和創(chuàng)新能力，使得高階思維的形成與提升就在實(shí)踐中跨越，在迭代中進(jìn)階.

6 結(jié)束語

在初中物理教學(xué)中開展綜合實(shí)踐活動(dòng)是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的一個(gè)重要途徑，太陽能動(dòng)力小車活動(dòng)為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、觀察與建模、設(shè)計(jì)與操作、反思與評(píng)價(jià)、遷移與創(chuàng)新等關(guān)鍵能力提供了有效的載體，同時(shí)活動(dòng)的開展有助于學(xué)生對(duì)能源合理利用、能量轉(zhuǎn)化、電路設(shè)計(jì)、杠桿原理、電動(dòng)機(jī)原理等知識(shí)進(jìn)行融會(huì)貫通，在團(tuán)隊(duì)環(huán)境中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、建模和協(xié)作，通過解決真實(shí)生活中的問題促進(jìn)高階思維能力的形成.因此，作為一線物理教師應(yīng)重視物理教學(xué)中綜合實(shí)踐活動(dòng)的開發(fā)與實(shí)施，通過綜合實(shí)踐活動(dòng)促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)，掌握科學(xué)探究的基本方法，形成正確的物理觀念和科學(xué)態(tài)度，以提升核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力.