將IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的理論思考與實踐探索

陳 晨 陸建隆

(1. 金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部,江蘇 南京 210000; 2. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210000)

將IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的理論思考與實踐探索

陳 晨1陸建隆2

(1. 金陵中學(xué)仙林分校中學(xué)部,江蘇 南京 210000; 2. 南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210000)

隨著IYPT在我國的迅猛發(fā)展,越來越多的中學(xué)開始關(guān)注IYPT這一賽事．本文在IYPT賽題的基礎(chǔ)上,提出了IYPT實驗并對其進行界定,分析了IYPT實驗與IYPT賽題、中學(xué)物理實驗的聯(lián)系與區(qū)別．在此基礎(chǔ)上提出了改編實驗的具體要求和方法,并以“環(huán)繞的光”為例進行分析,進而經(jīng)過改編使其成為適合中學(xué)物理教學(xué)的實驗．通過改編的實驗?zāi)苡行Т龠M中學(xué)物理教學(xué),進一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,提高學(xué)生的物理實驗素養(yǎng)．同時作為傳統(tǒng)物理實驗的重要補充,也可使IYPT實驗成為物理教師重要的教學(xué)資源．

IYPT賽題;IYPT實驗;中學(xué)物理實驗;中學(xué)物理教學(xué)；思考；探索

1 引言

國際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽(簡稱IYPT)是國際三大物理賽事之一,憑借其開放性的賽題和獨特的比賽風(fēng)格風(fēng)靡全世界．每年IYPT會有17道獨具特點的開放性賽題,這些賽題需要學(xué)生進行實驗探究和理論分析,最后以匯報的形式呈現(xiàn),這對培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和表達能力有積極的意義．而將IYPT賽題研究中的實驗融入中學(xué)物理教學(xué)對改善課堂教學(xué)、提高學(xué)生物理實驗素養(yǎng)都有重要的借鑒和參考價值．

2 IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的分析與探索

2.1 IYPT實驗的界定及其特征

IYPT實驗是基于IYPT賽題的探究性實驗,它不單是一個獨立實驗,而是針對某一個物理現(xiàn)象或者某一個物理問題解決的系列實驗．其實驗過程既不是專家學(xué)者設(shè)定的也不是由教師設(shè)定的,而是由學(xué)生根據(jù)研究需要自主設(shè)計的．此外,實驗中所需要的器材既有實驗室中的儀器、材料,也包含學(xué)生自己制作的實驗裝置,甚至還會用到大學(xué)實驗室中的實驗設(shè)備．

IYPT實驗最顯著的特征是多因素化．影響實驗結(jié)果的因素有很多,在這些影響因素中有的起主要作用,有的起次要作用,因此我們需要對所有可能的因素進行分類和分析,抓住主要因素,忽略次要因素．

例如，2015年第28屆IYPT第14道題——環(huán)繞的光(Circle of Light):當(dāng)一束激光照射在一根金屬絲上時,可以在垂直于金屬絲的屏幕上觀察到一個光圈,解釋這個現(xiàn)象并研究相關(guān)因素(When a laser beam is aimed at a wire, a circle of light can be observed on a screen perpendicular to the wire. Explain this phenomenon and investigate how it depends on the relevant parameters.)．在基于這道賽題的IYPT實驗中,影響光圈形成的因素有很多,主要的影響因素有光的波長和頻率、金屬絲的直徑以及入射角、入射點距光屏的距離等．對于每個影響因素都需要進行實驗探究,因此進行的實驗是多種多樣的．正是由于IYPT實驗的多因素化，導(dǎo)致了IYPT實驗不可能只有一個實驗,而是系列性實驗．

2.2 IYPT實驗與IYPT賽題、中學(xué)物理實驗的聯(lián)系與區(qū)別

相比于IYPT賽題,IYPT實驗最大的不同就是去掉了理論研究部分．由于賽題具有極強的探究性,所以研究IYPT賽題普遍會采用大學(xué)物理的相關(guān)知識,在理論上對學(xué)生提出了較高的要求．而IYPT實驗僅僅是實驗部分,并不涉及太多的理論知識,強調(diào)的是實驗操作以及數(shù)據(jù)的獲得與處理．因此,IYPT實驗本身就是IYPT賽題研究的一部分,實驗現(xiàn)象的展示、實驗探究及實驗數(shù)據(jù)的獲得,最后跟理論進行比對并驗證作出誤差分析,從而完成整個賽題的探究任務(wù)．

相比于中學(xué)物理實驗,IYPT最大的特點是實驗的開放性,主要體現(xiàn)在如下兩點： (1) 設(shè)計實驗方案的自主性,不同的學(xué)生設(shè)計的實驗方案各不相同.由于IYPT實驗的多因素,因此每個學(xué)生研究的因素不一樣,即使研究相同的因素,所進行的實驗操作也是因人而異的,而且記錄的實驗數(shù)據(jù)也各不相同； (2) 實驗的綜合性強,由于研究的因素多所以實驗數(shù)量相對較多,這也決定了實驗對應(yīng)的理論知識更加廣泛,不僅僅局限于課本上某一節(jié)的內(nèi)容,很可能是某一章或者某一個分支的內(nèi)容(如力學(xué)、光學(xué)等),故而實驗的操作難度會更大．此外,所用的實驗器材也相對較多,不僅有實驗室中的器材,還會有很多日常生活中的物品(如坐凳、掃帚、旅行箱等),甚至還要借助大學(xué)的實驗器材．

通過上述分析我們發(fā)現(xiàn),IYPT實驗既不同于IYPT賽題,也不同于傳統(tǒng)意義上的中學(xué)物理實驗,它是從IYPT賽題過渡變成中學(xué)物理實驗的中間態(tài)(如圖1)．如果在IYPT實驗的基礎(chǔ)上加上理論分析和理論實驗對比分析的部分,IYPT實驗就變成了完整的IYPT賽題．如果將IYPT實驗分解成一個個子實驗而分別用在不同的教學(xué)內(nèi)容上,給出一定的實驗步驟,避免使用一些學(xué)生沒有接觸過的實驗器材,IYPT實驗就能變成我們傳統(tǒng)的物理實驗．將IYPT實驗從研究IYPT賽題的實驗改編成中學(xué)物理實驗,有利于促進我們的物理教學(xué),進而成為物理課堂教學(xué)的一個嶄新亮點．

IYPT實驗跟IYPT賽題和中學(xué)物理實驗之間的關(guān)系

2.3 IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的功能分析

由于IYPT實驗是一個系列實驗,并且每個實驗的作用各不相同,因此每個實驗融入中學(xué)物理教學(xué)中的作用和功能各不相同．

2.3.1 演示實驗與新課導(dǎo)入

IYPT實驗通常會有預(yù)實驗和針對某一影響因素的探究實驗.預(yù)實驗是為了呈現(xiàn)物理現(xiàn)象,一般只是作定性分析,而不做定量研究,可以作為演示實驗在課堂引入環(huán)節(jié)進行展示,以便引起學(xué)生的好奇心并且激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣．這些實驗容易使學(xué)生迅速進入到課堂之中,開始對新知識的迫切學(xué)習(xí).教師可以在課堂的結(jié)尾階段，讓學(xué)生結(jié)合所學(xué)的知識解釋先前的演示實驗,既達到鞏固提高的目的,又可以讓課堂教學(xué)首尾呼應(yīng)了起來.

2.3.2 探究實驗與小組合作

IYPT最主要的組成部分是針對某一影響因素的探究實驗,對不同的影響因素進行研究需要不同的實驗,其中一些與教學(xué)內(nèi)容切合度高的探究實驗可以作為課堂的探究實驗,或者專門作為實驗內(nèi)容進行實驗教學(xué),讓學(xué)生分組完成實驗探究,使IYPT實驗成為課堂教學(xué)的一種有效載體．學(xué)生通過實驗探究得出實驗結(jié)論并嘗試進行分析,教師在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生進行總結(jié),從而歸納得到物理概念或者物理定律、規(guī)律,完成好教學(xué)任務(wù)．

2.3.3 擴展實驗與課后延伸

此外,IYPT實驗中還有一些實驗可以讓學(xué)生課后嘗試進行拓展性研究．這些實驗的綜合性比較強,涉及的因素不止一個,對物理知識和物理實驗器材的要求較高,需要一定的時間和場所才能進行研究,屬于課堂教學(xué)的課后、課外延伸及擴展,鼓勵對物理感興趣的學(xué)生自己去嘗試和研究．通過對不同的實驗進行分層次教學(xué),針對不同類型的學(xué)生進行因材施教,從而促進每一個學(xué)生的成長、發(fā)展．

2.4 IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的基本要求與方法

雖然每個IYPT實驗是一個系列實驗,但并不是所有的實驗都適用于中學(xué)物理教學(xué),而且將IYPT實驗直接引入到課堂中也是不可取的,必須在原有基礎(chǔ)上進行適當(dāng)?shù)母木幨蛊涑蔀檫m用于中學(xué)物理教學(xué)的實驗．

2.4.1 所選IYPT實驗必須與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)相一致

將IYPT實驗改編為中學(xué)物理實驗主要目的是為了更好地完成教學(xué)目標(biāo),使學(xué)生能夠更有效地掌握所學(xué)內(nèi)容,因此改編的實驗一定要與我們的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)相一致,否則不利于最大化地發(fā)揮IYPT實驗的教育教學(xué)價值．例如，2014年27屆IYPT中的第16題——磁制動器(Magnetic brakes):當(dāng)有強磁鐵從非鐵磁性金屬管降下來時,它會受到一個減速力,請研究此現(xiàn)象(When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon.)．基于這道賽題的IYPT實驗與人教版選修3-2教材中的楞次定律一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容十分相符,選用鐵球和塑料球這兩種不同材質(zhì)的小球分別讓其下落,使學(xué)生產(chǎn)生認知沖突,以便自然地引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容,并在學(xué)完后嘗試讓學(xué)生運用所學(xué)知識進行解釋,使其更加深刻地理解楞次定律,從而達到鞏固提高的效果,完成既定的教學(xué)目標(biāo)．

2.4.2 細化每一個IYPT子實驗的教學(xué)功能

由于IYPT實驗是研究某一物理問題或者物理現(xiàn)象的系列實驗,因此會有一系列子實驗,這些子實驗的教學(xué)功能各不相同,有些可以作為演示實驗,有些可以讓學(xué)生分組實驗,有些則是拓展研究．例如，在上文中提及的磁制動器實驗中,預(yù)實驗可作為學(xué)習(xí)楞次定律前的演示實驗,用于激發(fā)學(xué)生的興趣,引出所學(xué)內(nèi)容．而對下落速度的探究，則可以讓學(xué)生進行分組實驗,利用打點計時器測出磁鐵下落的速度,研究磁鐵最后下落的速度是否勻速,從而驗證楞次定律,達到較好的學(xué)習(xí)效果．而磁感應(yīng)強度對下落速度影響的探究可以作為拓展性研究讓學(xué)生課后進行．

2.4.3 IYPT實驗引入中學(xué)物理教學(xué)要適合學(xué)生的操作

雖然IYPT實驗基本上與我們的中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容相關(guān),能夠吸引學(xué)生,但是有些實驗的過程較為繁瑣,數(shù)據(jù)不容易測量,某些實驗所需要的器材又可能是大學(xué)的實驗器材,超出了中學(xué)生的認知范圍,對測量出來的數(shù)據(jù)學(xué)生也可能不理解其中的物理意義,這些實驗不適合引入中學(xué)物理教學(xué)之中．因此我們改編的IYPT實驗要簡潔可行,所需器材應(yīng)該是學(xué)生較為常見且容易操作的．例如，2015年第28屆第9題——氣墊船(Hovercraft):用一張CD片(光盤)和一個氣球做一個簡單的氣墊船,氣球充滿氣并且與CD片用一根管子連接．氣球向下放氣可以讓CD片上升高于地面從而減小摩擦,研究的相關(guān)因素是如何出現(xiàn)“小摩擦力”情形的持續(xù)時間(A simple model hovercraft can be built using a CD and a balloon filled with air attached via a tube. Exiting air can lift the device making it float over a surface with low friction. Investigate how the relevant parameters influence the time of the ‘low-friction’ state.)．實驗中所需的器材十分簡單,光盤、氣球、膠水、秒表、打氣筒、連接器等．學(xué)生很容易做出模型,向氣球中吹入不同量的氣體,并記錄“氣墊船”運動的時間,從而得出兩者間的聯(lián)系．這樣的實驗更容易讓學(xué)生接受,他們也更容易在腦海中形成簡單的物理圖像,對滑動摩擦力也有一個更加深入的理解．

3 以“環(huán)繞的光”為案例的相關(guān)分析

這里我們以上面提到的“環(huán)繞的光”為例,探討如何將IYPT實驗改編成課堂教學(xué)中可使用的中學(xué)物理實驗．光圈形成的主要原因是，當(dāng)用一束激光照射圓柱體時,其反射光、折射光(柱體透明時)、衍射光(柱體較細時)的疊加形成了以入射點為頂點的空間圓錐形光面(空間光錐),并且在垂直于柱體軸線方向的觀察平面上投影成一圈光環(huán)(如圖2所示)．涉及到的物理知識有光的反射、折射和衍射,進行簡單的理論分析可知光環(huán)的半徑(R)與入射角度(θ)、入射點到觀察平面的距離(L)有關(guān),用公式表示即為R=Ltanθ．通過分析，我們可以將光環(huán)實驗分為以下幾個方向進行研究:產(chǎn)生光環(huán)現(xiàn)象的預(yù)實驗、探究光環(huán)的半徑與入射角度的關(guān)系、探究光環(huán)半徑與入射點到接收屏距離的關(guān)系，以及對光強分布的研究、折射對光環(huán)形成的影響等．這樣，其每一個實驗便可對應(yīng)于高中光學(xué)的內(nèi)容而改編成中學(xué)物理實驗了．

光環(huán)形成的示意圖

3.1 產(chǎn)生光環(huán)的預(yù)實驗

預(yù)實驗中的光環(huán)圖3

預(yù)實驗的主要作用是產(chǎn)生實驗現(xiàn)象,使學(xué)生對整個實驗有一個大致的了解．光環(huán)的預(yù)實驗則是產(chǎn)生光環(huán)這一現(xiàn)象(如圖3所示)．學(xué)生在之前只學(xué)習(xí)過二維空間光的反射,幾乎沒有涉及過三維空間光的反射．因此光環(huán)的預(yù)實驗比較適合作為演示實驗,在高中學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)選修3-4光學(xué)時,教師就可以進行實驗展示.為了讓現(xiàn)象更為明顯,可以向空氣中噴些水,以便顯示光路,讓學(xué)生看到空氣中的光錐,激起他們的好奇心和學(xué)習(xí)興趣,讓學(xué)生更好地理解在三維空間中光的反射原理．

3.2 探究光環(huán)半徑與入射角度關(guān)系的實驗

這個實驗可以在高中學(xué)生學(xué)習(xí)完全反射和激光的知識后作為分組實驗進行,從中可以培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作技能．由于這兩節(jié)教學(xué)內(nèi)容學(xué)生比較容易接受,引入該實驗不會影響教學(xué)進度,而且能有利于學(xué)生加深對反射定律和激光特征的理解．教師可讓學(xué)生在實驗室中進行分組實驗,準(zhǔn)備好實驗所需的器材,包括激光筆、金屬絲、直尺、量角器等．在實驗前教師要說明實驗的目的,實驗的大體流程以及需要記錄的數(shù)據(jù)等,要求學(xué)生測量在30°、45°、60°下光環(huán)的半徑,進行實驗驗證,并將實驗數(shù)據(jù)填寫在表1中．

表1 入射角度與光環(huán)半徑關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)記錄

3.3 探究光環(huán)半徑與入射點到接收屏距離關(guān)系的實驗

與探究光環(huán)半徑與入射角度關(guān)系的實驗一樣,這個實驗也可以作為學(xué)生分組實驗在實驗室中進行．教師同樣要在實驗前說明相關(guān)情況,保持入射角度不變,改變?nèi)肷潼c到接收屏的距離,分別測量不同距離下光環(huán)的半徑,將測量的數(shù)據(jù)記錄到表2中．

表2 入射角度與光環(huán)半徑關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)記錄

3.4 光強分布的實驗研究

之所以要研究光強的分布,主要是為了研究衍射對光圈形成的影響,可作為光的衍射教學(xué)的擴展性實驗,讓學(xué)生利用DIS進行實驗,通過軟件得到光強分布圖,間接驗證衍射是光環(huán)形成的原因之一,進一步理解教材上所示的明暗條紋的形成原因,從而幫助學(xué)生更好地掌握光的衍射知識．

我們發(fā)現(xiàn)基于一個賽題的IYPT實驗可以拆分成幾個子實驗而用于不同的教學(xué)內(nèi)容之中．對于上述實驗中的探究光環(huán)半徑與入射角度關(guān)系和探究光環(huán)半徑與入射點到接收屏距離關(guān)系的實驗,在進行分組實驗后需要學(xué)生撰寫實驗報告,進行實驗驗證和誤差分析．當(dāng)然,涉及這道賽題的實驗還有很多,例如對光環(huán)做頻譜分析,但因超出了中學(xué)階段的學(xué)習(xí)要求,沒有引入到我們的實驗之中．所以，不是IYPT實驗中所有的實驗都可以改編成中學(xué)物理實驗,必須要有選擇地加以改編,有的適合演示,有的適合學(xué)生分組探究,有的則適合作為拓展性研究,但這些做法都必須基于中學(xué)物理教學(xué)的層面以及中學(xué)生的認知水平．

4 IYPT實驗融入中學(xué)物理教學(xué)的重要性認識

4.1 IYPT實驗是物理教師重要的教學(xué)資源

IYPT從1988年舉辦至今已有近29年了,按照每年17道題計算一共有493道賽題,而每一道賽題就對應(yīng)著一個IYPT的系列實驗,這是一個巨大的物理實驗資源庫．IYPT實驗中不同的實驗有不同的用處,預(yù)實驗可以作為演示實驗在課堂導(dǎo)入中使用;對某一因素研究的實驗可以作為課堂中的探究活動讓學(xué)生進行分組實驗;還有一些實驗可以作為擴展性實驗,讓學(xué)有余力的學(xué)生進行課后的研究．此外,IYPT實驗大都與實際生活相聯(lián)系,有不少實驗場景學(xué)生還是相對熟悉的，符合學(xué)生的學(xué)習(xí)心理,也有利于師生一起達成教學(xué)目標(biāo)．例如2016年IYPT賽題中的第8題——磁列車(Magnetic Train):將兩個按鈕磁鐵連接到一個柱狀電池的兩端,將其放置在一個銅線圈內(nèi)部并使磁鐵接觸線圈,此時“小火車”開始移動．試解釋這一現(xiàn)象并研究相關(guān)參數(shù)是如何影響列車的速度和功率的．基于這道賽題的IYPT實驗原理與高中生學(xué)習(xí)的安培力知識有關(guān),因此教師在介紹安培力時可以將該實驗中的預(yù)實驗作為演示實驗,使學(xué)生產(chǎn)生好奇并思考“小火車”為什么會動,從而引出安培力概念的教學(xué)．最后在這堂課結(jié)尾時，請學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識解釋“小火車”移動的原因,做到了首尾呼應(yīng)．

4.2 IYPT實驗更易吸引學(xué)生并激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

現(xiàn)今的中學(xué)物理實驗較多還是以驗證性實驗為主,而探究性實驗相對較少．驗證性實驗是對某一定理或定律進行實驗操作,以驗證它正確與否的實驗．例如歐姆定律、機械能守恒定律實驗等．在進行這些實驗前，教師通常會介紹實驗的具體操作流程、所需使用的實驗器材,學(xué)生只需要規(guī)范操作即可．這類實驗確實可以提高學(xué)生對儀器的使用及操作技能,但是學(xué)生還缺乏對實驗探究的自主性,久而久之會讓學(xué)生失去對物理實驗的濃厚興趣．而IYPT實驗由于其貼近生活,就容易吸引學(xué)生．以上述的磁列車為例,用兩個紐扣磁鐵和一節(jié)電池組成了一個“小火車”,學(xué)生肯定會問這樣的“火車”能跑嗎?經(jīng)過嘗試發(fā)現(xiàn)“小火車”不僅能在線圈內(nèi)部跑,在線圈上也可以跑,他們的興趣和好奇心就一下子被激發(fā)起來了．在后續(xù)的實驗中,學(xué)生會發(fā)現(xiàn)“小火車”的運動速度和磁鐵的磁場強弱、電流及線圈的疏密程度等因素都有關(guān),教師借此可以讓學(xué)生進行分組實驗,每組選取一個因素進行探究,最后學(xué)生便知曉了安培力跟磁場、電流等的關(guān)系,這跟我們的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)是相一致的.

4.3 IYPT實驗有利于培養(yǎng)學(xué)生的物理實驗素養(yǎng)

IYPT實驗具有很強的探究性,又沒有固定的探究思路,對于每一個影響因素都可以進行探究．例如2014年第27屆IYPT賽題中的第6題泡沫晶體(Bubble crystal):在含有肥皂水的液體表面,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．題中提出了一種方法,以便取得大小一致的氣泡,并研究這種氣泡晶體的形成．由于這道賽題的IYPT實驗現(xiàn)象十分貼近實際生活,人們平時在用肥皂水洗衣服時通常會產(chǎn)生泡泡,但是對于泡泡是怎么樣形成的，以及在水面上是如何排列的卻很少有人思考、研究過，這樣的實驗跟一般的中學(xué)實驗確有很大的不同.由于這類IYPT實驗,探究方式不固定,實驗器材來源廣泛,既有實驗室中的器材,也有隨手可取的日常生活用品,學(xué)生通過這些實驗活動會意識到物理學(xué)跟實際生產(chǎn)生活密切相關(guān),可以運用物理知識解決實際問題,而在此過程中,學(xué)生也能學(xué)到不同的實驗研究方法(如控制變量法、放大法、等效替代法等等).久而久之,學(xué)生們不僅能在物理實驗技能方面得到加強,更重要的是促進學(xué)生逐步具備運用物理實驗解決實際問題的科學(xué)意識,進而使他們在物理實驗意識、物理實驗方法和物理實驗技能3個方面有效地提升自己的物理實驗素養(yǎng)．

1 陳晨,陸建隆.IYPT賽題解決中的多因素分析及對高中物理實驗教學(xué)的啟示[J].物理教師,2014(10):93-96.

2 陳晨.三維空間中光反射的趣味實驗探究[J].物理教師,2015(8):45-47.

3 陳晨,王峰,陸建隆.IYPT模式融入高中物理課堂教學(xué)的思考與實踐探索——以電動勢教學(xué)為例[J].物理教師,2016(5):1-8.

2016-10-17)