基于項目式學習的對抗性物理實驗的開發與應用

張 群

（南京航空航天大學附屬高級中學，江蘇 南京 210007）

1 引言

項目式學習融合了多學科知識，讓學生在體驗項目的過程中將不同知識融會貫通，對培養其核心素養、突出其主體性等都具有重要的作用.這就要求學生在學習過程中并不是簡單地將物理知識進行堆砌，而是要結合物理學科的特點，用物理思維解決實際問題，從而形成獨特的物理學習路徑.項目式學習是以建構主義理論為指導，是指：學生圍繞某一特定的目標或問題，以學科原理或概念的應用為中心，借助多種資源進行研究、合作、設計等自主探究活動，讓學生積極主動地進行知識建構最終形成成果或解決問題.

對抗性物理實驗在高中課堂中的應用與開發恰好是應用項目式學習的很好載體.所謂對抗性物理實驗是指一類具有競賽性質的物理小實驗，將一些常規小實驗游戲化、競技化.在高中課堂開展對抗性物理實驗，有利于活躍課堂氛圍，引導學生從現實問題中發現并利用物理概念解決問題，從而促進物理觀念的形成和物理核心素養的落實.本文在文獻［1］基礎上簡述對抗性物理實驗在新課程改革背景下的價值，給出7 個適合高中物理課堂開展的實驗范例，通過范例解讀整理對抗性物理實驗的設計原則和應用建議.

2 項目式學習在對抗性物理實驗開發中的實施原則與方法

對抗性物理實驗作為面向高中生開展的輔助教學活動，在設計內容時要充分考慮參與者的知識水平和接受能力，以達到促進學生科學素養發展的目的.根據對抗性物理實驗的概念界定：一類具有競賽性質的物理小實驗.在設計實驗時應遵循知識性、可量化、生活化、合作性原則.

基于項目學習的對抗性物理實驗活動的開展離不開對抗性實驗開發所遵循的原則，在遵循上述4個原則的基礎上可按圖1所示的流程圖進行實驗的開發.

圖1 基于項目學習的對抗性物理實驗活動的開展路徑

2.1 知識性原則

對抗性物理實驗活動的開展本質是對課內物理學習的補充，為物理觀念和科學探究能力的培養提供一條有效路徑，因此知識性和科學性的原則應當作為首要關注點.

案例1.自制測量儀器.

問題提出：單擺一個重要作用就是測量時間，你能利用理論知識制作一個測時儀器來測量一段音樂的時間嗎？

圖2 自制測量儀器實驗器材

在本項目中需要學生知道單擺的周期公式，明確公式中各個物理量的含義，實驗操作中誤差來源等相關知識.

案例2.彈得更高的小球.

問題提出：讓一個小球從2 m 處自由下落，與地面碰撞后最多反彈到原高度.那有沒有可能讓其反彈高度超過2 m 呢？

實驗操作：本實驗在高中物理中對應“子母球”模型，從理論上可用動量守恒和碰撞的知識解釋.當杯子、水和小球下落時，3者處于完全失重狀態，互相之間沒有彈力作用.當杯子落地時的瞬間，水和杯底發生第1 次碰撞使水獲得向上的速度，然后小球又和水發生碰撞，因此讓小球有可能獲得更大的速度.實驗時，給每組1個紙杯、塑料杯，1個乒乓球和塑料球（圖3），提供足量的水.杯子的材質、水量和下落時的姿態都會影響乒乓球最終彈起的高度.建議給1 min練習時間，正式比賽時每組2次機會，彈起高度最高組獲勝.

圖3 彈得更高的小球實驗器材

在本項目中，學生需要聯想到課內“子母球”的模型來考慮使用什么材質的杯子，杯子里放大概多少水等問題.

2.2 可量化原則

由于對抗性物理實驗的競賽性質，小組在每個項目比拼后要按照完成情況排名得分.這就需要實驗結果能定量表示，便于比較.這也可以排除裁判的主觀因素影響，使得比賽結果更公開、公平.

案例3.巧疊木塊.

管棚灌漿孔封孔應采用“機械壓漿封孔法”或“壓力灌漿封孔法”，用濃漿（0.5：1）全孔一次性封孔。封孔壓力為該孔最大灌漿壓力。如該段灌漿結束為最濃一級水灰比（0.6:1）時，可不進行置換濃漿，直接封孔。

問題提出：5 個尺寸一樣的木塊按圖4 方式疊放，最上面的比最下方木塊最多能伸出多少距離呢？

圖4 巧疊木塊實驗示意圖

2.3 生活化原則

家庭、學校及生活環境中的各類物品、器具、材料種類繁多且容易獲取.運用這些東西設計對抗性物理實驗，可以貼近學生的生活實際，使學生感到熟悉和親切，也能體會到理論知識和生活實際的關系.

案例4.硬幣碗.

問題提出：如圖5，生活中的碗都是中間凹進去的，現在一個一元硬幣也能作為容器裝水，你能裝多少水呢？

圖5 硬幣碗實驗器

實驗操作：液體表面層分子由于距離較大使得分子間引力大于斥力，宏觀上會有使液體表面收縮的效果，就像一張繃緊的膜.給每組配一個膠頭滴管和硬幣，小組成員逐滴將水滴在硬幣上，裁判在邊上仔細觀察液體從硬幣上溢出前的滴數，數量最多的一組獲勝.

案例5.扎不破的袋子.

問題提出：一個氣球很容易被一支尖銳的鉛筆扎破，那一個裝水的塑料袋呢，你最多能扎幾支鉛筆依然保證其不漏水？

實驗操作：如圖6，高分子聚合物制作的塑料袋柔軟度高、拉伸性強，在被鉛筆戳穿的瞬間會迅速包裹住鉛筆，在水張力的共同作用下，不會有水從縫隙中漏出.比賽時，給每組相同規格的塑料袋，足量的水和削尖的鉛筆，將筆逐根插入直到有水溢出，由于操作技巧的差異，每組插入的鉛筆數量有差異，數量多組獲勝.

圖6 扎不破的袋子效果圖

以上項目例子中的塑料袋、杯子、乒乓球和硬幣等，這些器材在生活隨處可見，成本很低，學生可以隨時取材進行操作.在項目實驗過程中，學生利用理論知識解決實際問題，既能體會到理論知識和生活實際的差異，也能感受“從生活走向物理”的理念.

2.4 合作化原則

課內的一些物理實驗可以由學生單獨完成甚至由教師演示完成，但對抗性物理實驗是小組與小組的比拼，需要讓全組學生通力合作.在操作時可能物理成績較好的學生不敵物理基礎較弱的學生，因為該項目對學生的思維敏捷程度要求較高，學困生如果在這一項目中取得勝利，可能會重新審視自己學習物理的能力，提升自我效能感，對相應概念的學習也會提起興趣.這將是一個良性循環的開端.

案例6.鋁箔紙取火.

問題提出：古人有鉆木取火的智慧，我們能不能利用若干節電池快速將鋁箔紙點燃實現取火呢？

實驗操作：利用電流熱效應，讓鋁箔局部快速升溫達到燃點.比賽時，給每組4 節干電池、一張鋁箔紙，兩根導線（圖7），學生需對鋁箔紙適當裁剪實現目的，由于操作的差異導致每組點火時間有先后，點火最快的一組獲勝.

圖7 鋁箔紙取火

案例7.拍攝水下的物體.

問題提出：在一個陽光晴朗的午后用手機對著清澈的湖面拍攝，很難拍清水下景物，這是因為湖面的反射光影響了成像效果，如何盡量拍清水下景物呢？

實驗操作：照相機作為一個精密光學儀器包含了很多光學知識，生活中為了避免有害反光對成像的影響，可在鏡頭前加一個偏振片.現所有組學生準備相同的手機，每組提供一個手機用的偏振片以及若干不同顏色的濾光片（也可以視情況增加一些手機外加鏡頭）.在水槽底部放上一個玩具（模型），水槽注水沒過玩具5 cm 左右，水槽可置于前排學生課桌上.用亮度較高的光源，從較高位置斜射向水面.每組限時2 min拍攝，選取最滿意的一張照片，用于各個小組之間的評比.（學生拍攝時可以輕微振動課桌，模擬湖面出現的波紋.）

綜合以上原則和實踐經驗，我們可在高中階段開展若干次項目學習活動，每次用1節課時間.在項目篩選環節，有實驗不符合對抗性物理實驗的幾個原則時不能輕易舍棄，要對標原則找出其缺陷然后進行改進，通過學生的智慧來開發出更多有創意的實驗對抗項目.

3 項目式學習在對抗性實驗開發實施中的反思

基于《普通高中物理課程標準（2017版）》的精神，為了促進物理觀念的形成，在教學過程中，應讓學生經歷物理概念的建構過程，創設必要的情境，讓學生經歷概括和抽象的過程，尋找事物的本質特征，形成概念.這就需將物理知識和實踐情境相關聯，在教學中對教材再創造，選擇與學生聯系密切的生活實例在課堂中用物理學知識進行分析.對抗性物理實驗作為一種游戲式的教學方式是對常規課堂的補充，其能把物理知識和實踐情境主動結合起來，強化學生以物理學視角解釋和解決實際問題的動機與能力.

通過對抗性物理實驗，學生將會在游戲中鍛煉科學思維，在游戲中培養科學探究意識，體會將課內知識運用于生活實際的過程.在討論點評環節，教師也應該指導學生有所思、有所得，總結游戲背后的物理規律、物理思維方法.另一方面，對抗性物理實驗的開發不是一蹴而就的，教師可以安排學生“玩”實驗之余嘗試開發實驗.開發實驗的過程是利用理論知識的過程，同時對學生創新能力的培養有積極價值.總之，以問題為導向的對抗性物理實驗的開發與應用是為了將所學的物理知識和方法用于分析、解決現實生活中的各種實際問題.在解決實際問題的過程中進一步提高探究能力，增強實踐意識.以游戲競技的形式開展，能讓所有能力層次的學生參與其中，養成科學態度，促進核心素養的形成.