物理教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)的有效整合

水火箭作為學(xué)校開展綜合實踐課程之研究性學(xué)習(xí)經(jīng)久不衰，它適合不同學(xué)段的人群，從小學(xué)到大學(xué)都適合。水火箭除了其趣味性、觀賞性以外，還蘊含了很多的物理知識。

一、用水火箭引入物理概念

讓學(xué)生掌握好物理概念是物理教學(xué)的關(guān)鍵。教學(xué)實踐表明：物理概念的教學(xué)是物理教學(xué)中不易教也不易學(xué)的內(nèi)容，目前中學(xué)生感到物理難學(xué)，其癥結(jié)之一就在于物理概念教學(xué)沒有搞好。在某些物理概念教學(xué)時，可以利用水火箭，對高度濃縮的物理概念進(jìn)行“稀釋”，可以使物理概念不再那么抽象難懂，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的樂趣。比如，在反沖運動、豎直上拋、斜拋、彈道曲線等概念教學(xué)時可以通過發(fā)射水火箭來引入（為了安全，在課室里需要把水火箭拴在兩端固定的鋼絲上）。

二、用物理規(guī)律解釋和研究與水火箭有關(guān)的現(xiàn)象

在水火箭的制作和發(fā)射過程中，引導(dǎo)學(xué)生解釋所遇到的問題和現(xiàn)象，可以幫助學(xué)生制作性能更好的水火箭，把物理知識、規(guī)律的教學(xué)蘊含在課外探究活動中，這可以讓學(xué)生對物理知識活學(xué)活用，對物理知識的記憶和理解印象深刻。

1.越到后面加氣越困難

起飛前給火箭注入水后，用打氣筒注入空氣，可以看到氣泡越來越少，越來越小，越到后面加氣越困難。請學(xué)生解釋。學(xué)生經(jīng)歷了打氣的整個過程，對原因的理解會十分深刻，尤其是打氣的同學(xué)。對于氣泡往上，是因為空氣的密度小于水的密度，氣泡越來越少，后面甚至沒有，是因為火箭里面的壓強(qiáng)變大了，火箭里面空氣分子間距離變小，分子間表現(xiàn)為斥力。打完氣可以叫學(xué)生摸一下打氣筒，發(fā)現(xiàn)打氣筒變熱，請學(xué)生用所學(xué)的物理知識解釋。學(xué)生會對絕熱壓縮（打氣的過程進(jìn)行得很快，可以近似地看成是絕熱壓縮過程）過程中，體積減小，將使系統(tǒng)壓強(qiáng)增大，溫度上升，理解透徹，而不會像老師在課堂進(jìn)行理論分析時那樣枯燥難懂。

2.為何起飛

在發(fā)射火箭后，讓學(xué)生解釋這是什么現(xiàn)象？做什么運動？為何火箭能飛出？相信學(xué)生即使不能回答正確，但是聽老師講解后，會對反沖現(xiàn)象、反沖運動、動量守恒定律終身難忘。看到火箭噴射完水和氣體后，還能繼續(xù)飛行，相信學(xué)生對慣性和牛頓第一定律的理解會更深入。

3.飛完后里面會有霧氣

發(fā)射完水火箭后，可以看到火箭內(nèi)有一層霧氣，學(xué)生對此一般不留意或者發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象但是不知道為什么？教師此時可以回答學(xué)生，將發(fā)射前火箭中的氣體近似看作理想氣體，把發(fā)射時噴水的過程看作氣體的絕熱膨脹過程，絕熱膨脹過程中，氣體對水做功，一方面使水高速噴出，另一方面使瓶中少量的水溫度升高，發(fā)生汽化現(xiàn)象。

4.解釋“意外事故”

在發(fā)射水火箭過程中，經(jīng)常發(fā)生“意外事故”，比如，向后飛行，變軌飛行，到一定高度一頭栽下，傾斜起飛突然變?yōu)樨Q直飛行，在學(xué)生遇到這些“意外事故”時，教師的適時引導(dǎo)，可以幫助他們改進(jìn)火箭的設(shè)計，并學(xué)得物理知識。例如，某火箭發(fā)射中，原本為了飛得更遠(yuǎn)，傾斜起飛水未噴完火箭突然變?yōu)樨Q直飛行，我讓學(xué)生解釋，一個學(xué)生發(fā)現(xiàn)是水裝得太多，火箭頭輕尾重，火箭離開發(fā)射架后，在箭尾重力作用下，箭身由傾斜變成豎直。學(xué)生還發(fā)現(xiàn)向后飛行、變軌飛行、到一定高度一頭栽下等意外事故多數(shù)是由于火箭的頭部質(zhì)量太輕造成的，所以，需要給火箭頭部配重。

三、以水火箭為背景設(shè)置計算題復(fù)習(xí)物理知識

在物理教學(xué)中以水火箭的發(fā)射為背景，設(shè)置物理習(xí)題可以很好地幫助學(xué)生鞏固物理概念、熟練物理知識、活化物理規(guī)律、掌握物理方法，重要的是以學(xué)生親身經(jīng)歷為背景可以訓(xùn)練學(xué)生將生活中的實際問題建立物理模型的能力，以學(xué)生熟悉的場景為背景讓學(xué)生感到親切而樂學(xué)。

如，一個水火箭興趣小組設(shè)計出一枚水火箭，水火箭某次豎直起飛時噴出的水流量為0.0002立方米每秒，速度為20米/秒，啟動前水火箭（含水的質(zhì)量，注入空氣質(zhì)量不計）質(zhì)量為1.4千克，水注入火箭的水總質(zhì)量為0.4千克，阻力不計，則：（1）啟動后2秒末火箭的速度可達(dá)到多少？（2）把火箭的運動看成是勻變速直線運動，則2秒末火箭的加速度大小為多少？水火箭受到噴射水流的反作用力是多大？（3）水火箭上升的最大高度是多大？滯空時間是多少？（4）從發(fā)射到最高點重力做功多少？水對火箭做功多少？合外力做功多少？（5）火箭落地時速度為多大？（6）本次發(fā)射中火箭落地時與地面接觸時間為0.1秒，求地面對火箭的平均作用力是多大？（7）為了減輕火箭與地面撞擊產(chǎn)生的巨大沖力，對火箭造成巨大的損毀，請您為該興趣小組提供改進(jìn)的建議，并闡述改進(jìn)的理由。（8）請分析如何做才能提高火箭的飛行高度。

通過本例可以讓學(xué)生系統(tǒng)地復(fù)習(xí)高中物理中的動量守恒定律、豎直上拋、自由落體運動的規(guī)律、牛頓第二定律、動能定理、機(jī)械能守恒定律、受力分析、動量定理等重要的物理知識和物理規(guī)律。此外，還可以針對給水火箭注入氣體以及起飛后噴水的過程設(shè)計習(xí)題，復(fù)習(xí)熱學(xué)中的重要知識。

四、用物理知識指導(dǎo)水火箭的制作

引導(dǎo)學(xué)生利用物理知識思考水火箭的設(shè)計、改進(jìn)、發(fā)射。比如，為了防止水火箭變軌亂飛，為了讓水火箭飛得更遠(yuǎn)，要平衡箭身，在水火箭的頭部配重，但是要配重多少，就需要利用控制變量法，讓火箭的結(jié)構(gòu)、裝水量、氣壓等一樣，學(xué)生經(jīng)過實踐，反復(fù)發(fā)射找到頭部的最佳配重。首先，水火箭頂部應(yīng)為尖的，以便于減小空氣阻力。其次，瓶體形狀應(yīng)接近流線型，這樣便于氣流的通過。最后，還要借助尾翼來平衡飛行中水火箭的平衡，以掌控方向。

為了增加水火箭的氣壓，提高出水速度可以在可樂瓶口處裝個鐵環(huán)用螺母和螺釘旋緊，可以增加橡皮塞和瓶口間的摩擦力。

五、利用物理方法指導(dǎo)水火箭的發(fā)射

發(fā)射水火箭時，氣壓與射程成正比。這是因為氣壓越大，噴水的力越大，水火箭的沖量越大，水火箭做反沖運動。質(zhì)量越大，所需提供的動量就越大，當(dāng)質(zhì)量一定時，速度越大動量越大。但是，在發(fā)射水量太大時，水火箭中的水未噴完，氣壓減小就停止了加速，水火箭的重量增加，受重力影響水火箭提前墜落了。而提高速度的方法是提高單位時間內(nèi)的噴水量。要達(dá)到最好的狀態(tài)同樣要利用控制變量法來研究，還有氣壓、裝水量度這三者與飛行距離之間的關(guān)系。讓發(fā)射角不變，找到水火箭內(nèi)的氣壓與水量適當(dāng)時，才能飛得更遠(yuǎn)更高。

發(fā)射角對水火箭的射程有明顯的影響，理論分析如下：當(dāng)發(fā)射仰角太小時，水火箭向上的分力太小，使其爬升高度小，受水火箭重力的影響，會很快落地，造成射程短；但是如果角度太大時，其向上分力雖大，但水平向前分力太小，行成射得高，射不遠(yuǎn)的情形。所以，在水火箭的發(fā)射角度方面，必須考慮向上分力及向前分力適中、各種外界因素的影響以及發(fā)射仰角。要看發(fā)射角度與飛行距離之間的關(guān)系，讓氣壓與水量為最佳狀態(tài)的量，改變發(fā)射角，多試驗幾次，即可找到最佳發(fā)射角。

六、對物理教學(xué)與綜合實踐活動的思考

綜合實踐活動的開設(shè)是新課程改革的一大亮點，包括研究性學(xué)習(xí)、社區(qū)服務(wù)與社會實踐、勞動與技術(shù)教育、信息技術(shù)教育等四個方面。綜合實踐活動對于提升學(xué)生的綜合能力十分重要，綜合實踐課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生通過實踐，增強(qiáng)探究和創(chuàng)新意識，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，發(fā)展綜合運用知識的能力。增進(jìn)學(xué)校與社會的密切聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感。在課程的實施過程中，加強(qiáng)信息技術(shù)教育，培養(yǎng)學(xué)生利用信息技術(shù)的意識和能力。了解必要的通用技術(shù)和職業(yè)分工，形成初步技術(shù)能力。

但在實際教學(xué)實踐中，綜合實踐活動與各學(xué)科教學(xué)互相割裂，沒有有效整合，由于學(xué)科教學(xué)任務(wù)繁重，綜合實踐活動不用考核，往往開設(shè)較少，存在敷衍應(yīng)付，效果不佳。綜合實踐課程和其他學(xué)科之間既有其相對獨立性，又存在緊密的聯(lián)系。其實，綜合實踐活動課程與各學(xué)科之間在培養(yǎng)學(xué)生的能力、教育目標(biāo)上是一致的，完全可以將綜合實踐活動與各學(xué)科領(lǐng)域進(jìn)行整合，形成一個有機(jī)整體。正如綜合實踐課程標(biāo)準(zhǔn)中所說：“綜合實踐活動與各學(xué)科領(lǐng)域存在以下三方面的聯(lián)系：第一，學(xué)科領(lǐng)域的知識可能在綜合實踐活動中延伸、綜合、重組與提升；第二，綜合實踐活動中所發(fā)現(xiàn)的問題、所獲得的知識技能可以在各學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)中拓展和加深；第三，在某些情況，綜合實踐活動也可以和某些學(xué)科教學(xué)打通進(jìn)行。因此，妥善處理綜合實踐活動與各學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)系，既是一個意義重大的課題，又是一個富有創(chuàng)造性和藝術(shù)性的課題?！?/p>

物理教學(xué)與綜合實踐活動研究性學(xué)習(xí)的整合中要注意兩個方面的問題。第一，研究性學(xué)習(xí)應(yīng)著重學(xué)生興趣。學(xué)習(xí)興趣是學(xué)習(xí)動機(jī)的重要組成部分，是推動學(xué)生學(xué)習(xí)的強(qiáng)大動力。有了對物理課題的強(qiáng)烈興趣，學(xué)生積極主動、自主探究地學(xué)習(xí)物理知識便是水到渠成的事情了。第二，物理教學(xué)與綜合實踐活動研究性學(xué)習(xí)的整合要因地制宜地展開。不是每一節(jié)物理課、每一個物理知識點都要開展課題式的研究性學(xué)習(xí)。而是選取、開發(fā)一些比較有代表性的綜合實踐研究性學(xué)習(xí)活動，用知識指導(dǎo)實踐，深化和活用物理規(guī)律，習(xí)得學(xué)習(xí)方法和物理學(xué)科的思想與方法，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)物理的興趣。

將綜合實踐課程和高中物理教學(xué)進(jìn)行有效的整合，可以激發(fā)學(xué)對物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生熱愛科學(xué)的情操，提高物理課堂的教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力，重要的是可使綜合實踐活動常態(tài)化。

（作者單位：廣東中山市東升鎮(zhèn)高級中學(xué)）