基于中學生科創(chuàng)培養(yǎng)物理尖子生的幾點思考

唐勇 林震蒼 王學光

摘? ?要：文章論述了如何基于中學生科創(chuàng)來培養(yǎng)物理尖子生，嘗試通過科創(chuàng)項目來鍛煉學生的創(chuàng)新思維，培育他們科學探究的基本素養(yǎng)，并從“創(chuàng)意激發(fā)”“資源支持”和“成果檢驗”三個維度解析了中學生科創(chuàng)流程，通過科創(chuàng)讓學生體驗差異化思考，鍛煉學生的實踐能力，學以致用，知行合一。

關鍵詞：中學生科創(chuàng);頭腦風暴;創(chuàng)新思維培養(yǎng)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0074-3

21世紀呼喚創(chuàng)新型人才，誰擁有更多的創(chuàng)新人才，誰才能贏得未來，而人才的培養(yǎng)源于我們的教育。

本文利用中學生科創(chuàng)這個突破口來培養(yǎng)物理尖子生，給他們“開知識小灶”和“補思維短板”。

接下來以一道省級科創(chuàng)項目為例來解讀如何通過科創(chuàng)培養(yǎng)物理尖子生：

裝載水杯的小車，自斜坡頂端下滑，在碰到障礙物后，如何讓杯中水溢出最少（水杯不能加遮蓋）？

1? ? 貴在真實

中學生科創(chuàng)，貴在真實地鍛煉學生的創(chuàng)新能力，而不是苛求拿出“超水平”的作品。

我們拿到科創(chuàng)課題后，沒有去簡單地指定學生參加這個活動，也沒有幫學生去做作品，而是將這次活動舉辦成校際科創(chuàng)比賽，凡是有興趣的學生都可參與。報名結果令人驚喜，愿意參與科創(chuàng)的學生有數十位之多，中學生對探索未知的熱情，確實超乎想象。

2? ? “頭腦風暴”

拿到課題之后，我們科創(chuàng)指導老師迅速構思了一兩個設計方案。但是我們并不打算透露想法給科創(chuàng)小組的成員，老師提前透露想法很容易影響到學生自己的判斷，會違背舉辦科創(chuàng)比賽的初衷。在科創(chuàng)訓練中，學生需要避免“思維固化”，老師更多扮演的是“引導者”的角色——我們傾向于采用“頭腦風暴”的方式來激發(fā)科創(chuàng)小組的想象力和創(chuàng)造力。

“頭腦風暴”是一種近似于無限制的自由聯(lián)想和討論，這種自由而熱烈的討論很容易點燃討論者的智慧火花。教學方法中的“小組討論”就比較像輕度的“頭腦風暴”。采用“頭腦風暴”法教學時，師生都應力求真誠和寬容，圍繞問題本身進行思考和討論，避免狡辯乃至詭辯。一個良好的“頭腦風暴”氛圍會激發(fā)學生的思考，也會鍛煉他們交流與合作的能力。

拿到科創(chuàng)課題后，科創(chuàng)小組成員首先討論了這個問題的“探究本質”，他們經過激烈的辯論，最終達成一致觀點：這道題考查的知識是“慣性”和“能量轉化”。自斜坡頂端滑下時，小車整體的重力勢能轉化為小車的動能，當小車撞到障礙物從運動狀態(tài)變成靜止狀態(tài)時，車上搭載的水由于具有慣性，會繼續(xù)保持運動，從杯中灑出而導致?lián)p失。

從科學原理來看，這個課題比較簡單。但是真正實踐起來，就會發(fā)現想要讓水完全沒有損失，是需要精心設計的?？苿?chuàng)小組提出了好幾種設計方案，奇思妙想，創(chuàng)意頻出，有一兩種方案更是突破常規(guī)，獨樹一幟。

設計方案甲：給小車增加緩沖裝備。這個設計方案是最先被提出的，而且支持的人數是最多的，指導老師們第一時間想到的也是這種方案。

設計方案乙：減少杯中水的質量。這個設計方案乍聽比較離譜，因為課題要求的是減少水的損失，結果方案設計者卻主動減少了水的質量。但是學生的理由是符合科學道理的：慣性的大小和物體的質量有關，減少水的質量可以減少水的慣性。聽了學生的解釋之后。老師們雖然心里犯嘀咕，但是也鼓勵他把這個方案做出來，然后進行實驗驗證。在創(chuàng)新思維的培養(yǎng)過程中，指導老師要盡量保護學生的創(chuàng)意，不能輕易否定學生的想法。我們要的不是一個想法，我們要的是一個懂得思考和喜歡思考的人。

設計方案丙：用一根擺線將水杯懸空吊起來。這個方案是一個初三學生提出來的，他曾做過水杯做圓周甩動而水不會灑落的實驗，所以自然而然地將這種創(chuàng)意用到了設計之中。聽完他的設計，我們指導老師不禁相視一笑，心里都認定這種方案很可能是最佳方案。但是我們依然鼓勵他先做出模型，然后進行驗證實驗。

設計方案?。航o小車安裝摩擦系數很大的車輪，讓小車慢速滑動。這個設計方案最令人意想不到。我們事后采訪了很多參賽者，絕大部分參賽者都在小車緩沖和水杯保護上動腦筋。而直接讓小車以超慢速滑行的設計方案，出乎了我們指導老師的意料，也出乎了很多參賽者的意料。所以，我們也鼓勵學生做出模型來。而且令我們驚喜的是，當指導老師“友善”地提醒學生摩擦系數很大的小車輪不好找時，學生的解決方法非常有創(chuàng)意：在普通車輪上粘貼不同粘度的雙面膠，從而獲得不同摩擦系數的車輪。學生提出創(chuàng)意并能自主解決不足之處，這本身就是一種思維提升。

3? ? 資源支持

經過數輪“頭腦風暴”，科創(chuàng)小組最終確定了四種設計方案，但是方案終究是方案，是紙面上的東西，我們需要學生把方案落實為成果。而在制作模型的過程中，學生需要很多資源支持，比如，需要科創(chuàng)老師提供電腦給學生查資料，需要科創(chuàng)老師給他們提供木板、鋸子、膠水等必備用品，開放通用技術教室給科創(chuàng)小組作場地。同時，也需要學生自己從生活中發(fā)掘材料，比如海綿、氣泡墊、棉花和雙面膠等。沒有資源支持，學生很難有好的作品。就像一顆好的種子，沒有好的土壤和好的環(huán)境，也很難成長為棟梁之材。

4? ? 搭建平臺，檢驗成果

經過兩個星期左右的精心準備，科創(chuàng)小組成員分別制作好了實驗模型，并在指導老師的見證下，依次展開無防護器具的小車碰撞實驗和使用了防護措施的小車碰撞實驗，并收集了各次小車碰撞實驗的數據。實驗數據如表1所示。

表1? 無防護器具的小車碰撞實驗數據

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方案甲：緩沖型設計。小車模型分別在30°、45°角的斜坡（斜坡長度：100 cm;材質：木板）上進行數次實驗。實驗數據如表2所示。

表2? 緩沖型設計實驗數據

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通過表2數據可知緩沖型設計在斜坡角度較小時，對水杯中的水有一定的保護作用，但是角度變大后，保護效果很弱，海綿的形變會帶動小車前后搖晃，水量損失較大。

方案乙：減少車上杯中水的質量和體積。小車模型分別在30°、45°角的斜坡上各進行數次實驗。實驗數據如表3所示。

表3? ?減少杯中水的質量實驗數據

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實驗結果分析：減少杯中水的質量這種實驗設計無法保護杯中的水，水量損失非常大。

方案丙：水杯懸掛式設計。該方案小車模型（如圖1所示）由于采用了水杯懸掛設計，重復前述實驗步驟，撞擊到障礙物后，水杯不會靜止而是進入擺動狀態(tài)，進而將水的動能轉化為重力勢能。該方案碰撞實驗數據如表4所示。

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圖1? 水杯懸掛式實驗裝置圖

表4? 水杯懸掛式小車模型實驗數據

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實驗結果分析：杯子中的水幾乎沒有任何損失。取得了非常好的保護效果。

方案?。涸龃筌囕喣Σ亮υO計。該小組在進行實驗時，不斷根據斜坡的角度調整車輪上的雙面膠的粘度，進而改變小車車輪的摩擦系數，操作的復雜度比其他設計都大。重復前面實驗步驟，結果顯示：在角度較小的斜坡下，車上的水量損失較少，但是車容易卡在斜坡上靜止不動。在斜坡角度偏大時，水量損失依然比較多。 具體碰撞實驗數據如表5所示。

表5? 增大車輪摩擦力小車實驗數據

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經過這次科創(chuàng)訓練，無論實驗結果如何，科創(chuàng)小組成員的探究能力都得到了一定的提高。而且指導老師也切身感受到科創(chuàng)對學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)作用?！奥槿鸽m小，五臟俱全”，一次小型的科創(chuàng)讓學生們完整地體驗了科學探究過程。

5? ? 心得體會

在進行科創(chuàng)教學時，指導老師應盡量做到如下幾點：第一，讓學生保持足夠的獨立性，讓學生有足夠的獨立思考和獨立實踐的時間。第二，鼓勵學生交流和協(xié)作，現代的科研工作往往都是幾人協(xié)作乃至幾百人的協(xié)作，“閉門造車”式的科研已經不太適應時代的要求。所以在進行科創(chuàng)教學時，指導老師應該有意識地培養(yǎng)學生交流和協(xié)作的能力。第三，學校和指導老師要積極配合學生，提供必要的研究資源。我們的學生是不缺創(chuàng)意的，但如果不重視科創(chuàng)，便會導致學生的創(chuàng)意往往只停留在紙面上，最后束之高閣。

中學生科創(chuàng)訓練能讓學生享受主動探究的樂趣?？茖W的高峰布滿荊棘，非熱愛和堅持不足以攀登。

參考文獻：

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[3]宋海峰.物理尖子生是怎樣“煉”成的[J].物理教師，2012，32（2）：16-17.

（欄目編輯? ? 李富強）