科學(xué)探究視角下IYPT的過程分析及對高中物理探究式教學(xué)的啟示

陳晨

摘 要：本文從科學(xué)探究的視角出發(fā)，分析了IYPT的探究流程，并以“罐中罐冰箱”為例進(jìn)行具體分析和探究，從而得到對高中物理探究式教學(xué)的啟示，并對此提出了三點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：科學(xué)探究；IYPT；探究式教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-00012-4

1 引 言

IYPT（International Young Physicists Tournament）是國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽的簡稱，是當(dāng)前世界上最主要的高中物理團(tuán)體性對抗賽事，其主要目的是訓(xùn)練高中生針對物理實(shí)際問題的合作解決、發(fā)表觀點(diǎn)和辯論的能力。比賽采用“物理對抗”的答辯形式進(jìn)行。每一屆IYPT都會在開賽前一年提供17道新穎獨(dú)特的題目，其內(nèi)容大都來源于生活，沒有固定的答案，無法在短時(shí)間內(nèi)解決。每一道賽題都可以看成是一個微課題，對賽題的研究就是一個完整的科學(xué)探究過程。本文從IYPT的探究過程出發(fā)，通過探討IYPT賽題的探究過程并呈現(xiàn)具體的案例，找出其中的一些規(guī)律，讓一線高中物理教師從中受益，并給如今的高中物理探究式教學(xué)提供參考和借鑒。

2 科學(xué)探究視角下IYPT的探究過程探討

2.1 具有真實(shí)性、開放性、原始性、探究性的IYPT賽題

由于IYPT的別具風(fēng)格的比賽形式，賽題與傳統(tǒng)的題目大不相同。IYPT的賽題最大的特點(diǎn)是真實(shí)性高，開放性程度大，原始性強(qiáng)，內(nèi)容涉及力、電、光、聲、熱等方面的知識，基本覆蓋了中學(xué)所要學(xué)習(xí)的知識，具有較強(qiáng)的綜合性。例如，2014年第六題為：泡沫晶體——在含有肥皂水的液體表面上，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(guī)則圖案。提出一種方法，以取得一致大小的氣泡，并研究這種氣泡晶體的形成。這道題貼近生活，沒有固定的解法和答案，需要學(xué)生自主探究。IYPT的賽題更接近原始物理問題。原始物理問題為來自于自然界、社會生產(chǎn)生活中的未經(jīng)過加工的物理題目；而課堂中的物理習(xí)題大都是經(jīng)過加工后呈現(xiàn)給學(xué)生的抽象問題，兩者的關(guān)系如圖1所示。原始物理問題比較適合學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，它沒有固定的解題思路，需要學(xué)生有發(fā)散性的思維和豐富的想象力。在探究過程中，學(xué)生自主查閱相關(guān)資料，將實(shí)際問題經(jīng)過簡化、抽象、加工變成一般的抽象的物理問題，然后再進(jìn)行理論分析并建立物理模型，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證從而解出題目。學(xué)生的發(fā)散性思維得到訓(xùn)練，自主學(xué)習(xí)能力得到不斷增強(qiáng)，科學(xué)探究的能力得到不斷提升。更為重要的是，在探究過程中，學(xué)生學(xué)會了如何將科學(xué)探究的方法和所學(xué)到的知識有機(jī)結(jié)合起來去解決實(shí)際問題，并提升了自己的科學(xué)素養(yǎng)。

2.2 注重猜想假設(shè)，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的賽題探究模式

賽題的原始性、開放性和真實(shí)性決定了探究此類題目需要花費(fèi)一定的時(shí)間和精力，而在探究過程中，最關(guān)鍵的步驟就是猜想與假設(shè)。猜想不是瞎猜、亂猜，而是根據(jù)賽題提供的情境以及現(xiàn)有的理論知識提出合理的假設(shè)，猜想什么原因?qū)е铝藛栴}的出現(xiàn)，有哪些因素會對問題產(chǎn)生影響。例如，2014年IYPT的第16題：磁制動器——當(dāng)有強(qiáng)磁鐵從非鐵磁性金屬管降下來時(shí)，它會受到一個減速力，研究此現(xiàn)象。根據(jù)電磁學(xué)中學(xué)過的楞次定律的相關(guān)知識猜想：因?yàn)橐璧K磁通量的變化，所以，強(qiáng)磁鐵會受到一個向上的阻力從而使速度變慢，影響的因素可能是磁鐵的大小、鐵磁性、管子的長度、下落位置等。猜想、假設(shè)的目的就是將原始的物理問題抽象化，建立一個物理模型，便于運(yùn)用所學(xué)的理論進(jìn)行研究。但是，這樣就會造成一個問題，在抽象化過程中會忽略一些因素。因此，在理論分析中首先要對賽題進(jìn)行多因素分析，找出影響題目的所有因素并將其分類。例如，可以分為物體自身因素、過程因素、周圍環(huán)境因素和誤差因素。然后對因素進(jìn)行分析，列出主要因素，忽略次要因素，抓住問題的本質(zhì)，進(jìn)行深入探究，避免研究太過寬泛或膚淺。最后，再結(jié)合所學(xué)的理論知識加上大膽的想象，建立一個物理模型，將所涉及的因素包含進(jìn)去。

然而，僅有猜想和假設(shè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須通過實(shí)驗(yàn)才能檢驗(yàn)理論假設(shè)是否成立。IYPT賽題的開放性程度高，每道賽題涉及的探究因素有很多。對于這些探究因素，有的只需從理論上進(jìn)行分析，有的則需要進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)，還有的需要進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。因此，在同一道賽題中，可能需要進(jìn)行兩個或兩個以上的不同性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，這不僅增加了實(shí)驗(yàn)數(shù)量，還對學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力提出了更高的要求。針對不同的假設(shè)，學(xué)生需要設(shè)計(jì)出不同的實(shí)驗(yàn)方案（包括實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)記錄、誤差分析等）；而在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)儀器需要自己設(shè)計(jì)并制作，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將得到的結(jié)果與假設(shè)相比較，檢驗(yàn)假設(shè)正確與否。通過這樣的過程培養(yǎng)學(xué)生的動手能力并提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能。

2.3 交流過程中科學(xué)思維的碰撞

IYPT以團(tuán)隊(duì)合作的形式比賽，每支隊(duì)伍由五名左右的成員組成，對賽題的研究要進(jìn)行分工合作。在賽題探究階段，隊(duì)員們對于同一道賽題會產(chǎn)生不同的想法，通過交換各自的想法來拓寬探究的思路。比賽的過程就是大家相互交流學(xué)習(xí)的過程，與他人分享自己對某道題目的研究，將自己的探究思路、過程和方法展現(xiàn)出來，在肯定他人研究成果的同時(shí)指出其研究中的不足之處并一起進(jìn)一步研究題目，有利于學(xué)生整體的科學(xué)素養(yǎng)的提升。

3 IYPT賽題“罐中罐冰箱”的案例分析

3.1 賽題的解讀

“罐中罐冰箱”為2014年IYPT的第七題：罐中罐冰箱（Pot-in-pot refrigerator）——“罐中罐冰箱”是一個利用蒸發(fā)冷卻的原理讓食物冷卻的裝置（如圖2所示）。它由一個大罐子和一個放置在其中的小罐子，以及填充在兩個罐子之間的濕的多孔材料構(gòu)成（例如，沙子）。怎樣才能使這樣一個裝置達(dá)到最佳的冷卻效果？

這道賽題與我們的日常生活聯(lián)系得十分緊密，生活中經(jīng)常要對食物進(jìn)行保鮮，最常用的方法就是利用降溫使食物不容易變質(zhì)。由題目可知，本題涉及熱學(xué)的相關(guān)知識，基本原理是蒸發(fā)吸熱，通過蒸發(fā)吸熱可以達(dá)到降溫的目的。而這種方法的效果如何，能否產(chǎn)生大幅度的降溫則是本題所要探究的內(nèi)容。閱讀題目可以找出以下關(guān)鍵詞，如表1所示。

3.2 猜想和假設(shè)階段

3.2.1 罐中罐冰箱的工作原理的猜想

本題主要運(yùn)用熱學(xué)方面的知識，根據(jù)學(xué)過的知識可以將罐中罐冰箱抽象成一個帶有夾層的散熱容器，食物裝在里邊的小罐子中。小罐子中產(chǎn)生的熱量主要有兩個來源：一個是食物自身散發(fā)的熱量，另一個是外界傳到罐子中的熱量。通過熱傳導(dǎo)，兩個罐子間的填充物將小罐子中的熱量帶出，填充物由于自身較濕會蒸發(fā)吸熱，從而將熱量傳遞到周圍的環(huán)境中，使內(nèi)部的小罐子達(dá)到降溫的效果。

3.2.2 影響因素的分析

本題的主要影響因素可以分為兩大類：裝置自身的因素和外部環(huán)境的因素（如表2）。

1）罐子的材質(zhì)和尺寸

罐子的材質(zhì)不同，散熱的效果也不一樣。有的材料導(dǎo)熱性能好，有的材料導(dǎo)熱性能差。且罐子的大小會通過改變散熱面積來影響降溫的效果。

2）填充物的種類

根據(jù)Q=cmΔT可知，在總熱量一定的情況下，一種物質(zhì)的比熱容越大，吸收熱量所需要的時(shí)間越短。對于題目而言，即降溫所需要的時(shí)間越少，降溫的效果越好。因此，需要探究不同種類的填充物，找出效果最好的一種。

3）蒸發(fā)面積

根據(jù)熱力學(xué)中蒸發(fā)速度的公式可知，蒸發(fā)的面積越大，蒸發(fā)速度越快，所需要的時(shí)間越少。蒸發(fā)的面積又與罐子的尺寸和形狀有關(guān)。

4）濕度和空氣流速

濕度越大，表明蒸發(fā)面上方的空氣中水蒸氣的含量越高，越不利于蒸發(fā)。若空氣加速流動，則有利于帶走水蒸氣，從而減小濕度，加快蒸發(fā)，縮短蒸發(fā)的時(shí)間。

3.3 設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)

1）實(shí)驗(yàn)器材

需要用到的實(shí)驗(yàn)器材有玻璃燒杯、瓦盆、陶瓷盆、不銹鋼杯、塑料盆、鐵盆、泥土、沙子、酒精、水、濕紙、溫度計(jì)、濕度計(jì)、手表、電風(fēng)扇等。

2）實(shí)驗(yàn)過程

教師事先準(zhǔn)備好可能用到的實(shí)驗(yàn)器材，將學(xué)生分成幾個小組。每個小組選取一個因素進(jìn)行探究，要求制定出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，包括實(shí)驗(yàn)器材的選擇、實(shí)驗(yàn)的探究步驟、數(shù)據(jù)記錄以及最后得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在實(shí)驗(yàn)中，提醒學(xué)生使用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，對每一個探究因素，都應(yīng)該有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)記錄。這里僅以探究罐子的材質(zhì)與降溫效果的關(guān)系為例進(jìn)行說明。教師給學(xué)生提供不同物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，學(xué)生參考物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，決定內(nèi)、外罐選用什么材料，設(shè)計(jì)出較合理的組合進(jìn)行探究實(shí)驗(yàn)（如表3），從而提高探究的質(zhì)量和效率。

3）數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)探究中需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，如表3所示。測出初始溫度、末溫度和所需時(shí)間，在分析時(shí)，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些必要的處理。教師可以啟發(fā)學(xué)生通過某一個物理量來表示制冷效果。例如，比較相同時(shí)間內(nèi)的ΔT，或者比較相同的ΔT所需要的時(shí)間t。

4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

對所有的因素進(jìn)行探究后，根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析，學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)的總結(jié)論。結(jié)論可以是定性的，也可以是定量的。可以通過表格的形式展現(xiàn)（如表4），并且需要指出不足和改進(jìn)之處。

3.4 賽題總結(jié)

這是一道非常適合學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的題目。上面給出了對賽題進(jìn)行科學(xué)探究的一個完整過程，并且已經(jīng)根據(jù)中學(xué)的實(shí)際教學(xué)情況做了一定的改動。本題主要運(yùn)用了熱學(xué)中的蒸發(fā)吸熱原理。因此，中學(xué)教師可以將賽題稍作修改用于物理熱學(xué)的相關(guān)教學(xué)。運(yùn)用科學(xué)探究的方法進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生體會科學(xué)探究的過程，可以提高學(xué)生的科學(xué)探究能力和物理素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。

4 IYPT過程分析對高中物理探究式教學(xué)的啟示

4.1 整合賽題資源，聯(lián)系實(shí)際教學(xué)，激發(fā)探究興趣，提升學(xué)習(xí)能力

高中的物理知識涉及面廣，不易理解，傳統(tǒng)的講授式教學(xué)讓學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較吃力。若是能讓學(xué)生通過科學(xué)探究自主學(xué)習(xí)知識，并與實(shí)際生活相聯(lián)系，可以降低學(xué)習(xí)的難度，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。IYPT作為面對中學(xué)生的一項(xiàng)物理賽事，其賽題與高中物理內(nèi)容聯(lián)系緊密，具有生活性和探究性，有利于學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)，能激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維。因此，在平時(shí)的物理教學(xué)中，教師可以適當(dāng)?shù)匾靡恍┡c所教內(nèi)容相關(guān)的IYPT賽題，組織學(xué)生進(jìn)行交流討論，讓學(xué)生自主探究。例如，在講到熱傳導(dǎo)的相關(guān)知識時(shí)，教師可以引用上面“罐中罐冰箱”的例子，讓學(xué)生思考“降溫的效果與哪些因素有關(guān)”，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)探究方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果自主設(shè)計(jì)一個罐中罐冰箱。最后，讓學(xué)生進(jìn)行展示、相互交流，提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

4.2 提倡問題驅(qū)動式的教學(xué)模式，提高教師探究式教學(xué)水平

探究式教學(xué)需要以問題為平臺，教師在教學(xué)中提出問題，引導(dǎo)、提示學(xué)生進(jìn)行合理的猜想與假設(shè)，使學(xué)生自主、有效地學(xué)習(xí)物理知識，從而完成教學(xué)目標(biāo)。然而，雖然現(xiàn)在高度重視探究式教學(xué)，但是效果并不明顯。并且，教師對探究式教學(xué)的理念并不是十分清楚，未能領(lǐng)會探究式教學(xué)的精髓，只是滿足于探究式教學(xué)的形式和流程，不能最大化地發(fā)揮探究式課堂的優(yōu)勢。學(xué)生的學(xué)習(xí)自主性不強(qiáng)，這都會直接影響教學(xué)效果。因此，教師可以借鑒IYPT賽題的探究模式，將所要教學(xué)的內(nèi)容以課題探究的方式向?qū)W生提出，將課題分成若干個子課題，每個子課題就相當(dāng)于一個小問題，讓學(xué)生以小組合作的形式對一個小問題進(jìn)行探究，提高探究效率。

例如，在學(xué)習(xí)碰撞時(shí)，教師可以提出這樣一個問題：兩個運(yùn)動的小球在水平面上相撞，請?zhí)骄績汕蛳嘧睬昂蟛蛔兊奈锢砹恳约八裱奈锢硪?guī)律。教師先引導(dǎo)學(xué)生對問題進(jìn)行分析，在碰撞時(shí)涉及到的物理量只有兩個，即小球的速度和質(zhì)量。質(zhì)量一般情況下不發(fā)生變化，而速度在碰撞前后會發(fā)生改變。因此，不變的物理量可能既包含質(zhì)量又包含速度，猜想不變量可能是mv、mv2、等。而兩個小球碰撞的形式大致有以下幾種：①兩球都在同一條直線上運(yùn)動，這種情況又可以分為兩種，即相向運(yùn)動和追擊運(yùn)動；②兩球不在同一條直線上運(yùn)動，運(yùn)動速度間有夾角，也分為相向碰撞和追擊碰撞。對于上述四種現(xiàn)象，可以將學(xué)生分為四組進(jìn)行探究，每組研究一種情況。讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選取所需要的實(shí)驗(yàn)器材，做好數(shù)據(jù)的記錄。最后，教師將這幾種情況綜合起來，引出動量這個物理量，得到動量守恒定律。教師還可以進(jìn)一步追問：若水平面不平，有坡度，物體的碰撞還遵循動量守恒定律嗎？讓學(xué)生課后自己探究，激發(fā)學(xué)生的興趣。

4.3 課外探究與課堂教學(xué)相結(jié)合，開發(fā)探究式物理作業(yè)

探究性不僅要體現(xiàn)在課堂教學(xué)中，還要與課后作業(yè)相結(jié)合。然而，在現(xiàn)實(shí)中，探究式教學(xué)受到高度重視，探究式作業(yè)卻似乎被忽略，沒有很好地進(jìn)行開發(fā)與研究。通過探究作業(yè)，教師可以了解學(xué)生的理論水平、提出問題的能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、撰寫小論文的能力等。例如，在學(xué)習(xí)沖量時(shí)，可以設(shè)計(jì)如下探究性題目。先創(chuàng)設(shè)情境：一只普通的未經(jīng)加工的雞蛋從高處落到地上很容易摔碎，若落在海綿上則不易損壞。然后，通過小問題的形式引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行探究（例如，雞蛋落在什么樣的物體上不會損壞，學(xué)生可能會猜想海綿、泡沫等）。接著要求學(xué)生自己從不同的高度、嘗試?yán)貌煌奈矬w進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察雞蛋是否損壞。然后，對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，學(xué)生會想到用沖量定理的知識解決，得出結(jié)論。最后，根據(jù)這個結(jié)論，啟發(fā)學(xué)生思考，這個結(jié)論對我們有什么幫助，從而跳出物理范圍，將其與實(shí)際生活相聯(lián)系，并鼓勵學(xué)生將其以小論文的形式呈現(xiàn)出來。通過這樣的探究作業(yè)，學(xué)生不再局限于枯燥的傳統(tǒng)物理習(xí)題，而是借助探究作業(yè)的平臺充分發(fā)揮自己的實(shí)踐才能，并能提高自己的動手能力和寫作技能，為自身的全面發(fā)展打下一個堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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