依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽開展課后自主實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)*

潘振東

(東北師范大學(xué)教育學(xué)部 吉林 長(zhǎng)春 130024；東北師范大學(xué)附屬中學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130021)

樊娟娟

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院 吉林 長(zhǎng)春 130118)

高中物理實(shí)驗(yàn)可以分為演示實(shí)驗(yàn)、分組實(shí)驗(yàn)和課后自主實(shí)驗(yàn)[1]．演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)統(tǒng)稱為課內(nèi)實(shí)驗(yàn)，是物理課堂教學(xué)的重要組成部分．如何在演示實(shí)驗(yàn)和分組實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)是教師和學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)．然而受應(yīng)試教育影響，高中生學(xué)業(yè)繁重，教師對(duì)課后自主實(shí)驗(yàn)的重視程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，學(xué)生不能有效進(jìn)行課后自主實(shí)驗(yàn)，甚至出現(xiàn)個(gè)別學(xué)校從不布置課后實(shí)驗(yàn)，通過課后自主實(shí)驗(yàn)去培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)更無從談起．其實(shí)課后自主實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要且有效的途徑，在引導(dǎo)學(xué)生開展自主實(shí)驗(yàn)的過程中既能培養(yǎng)學(xué)生物理觀念、思維能力、探究能力，又能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)態(tài)度和責(zé)任的提升．為了落實(shí)并發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，我們依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽有效開展課后自主實(shí)驗(yàn)．

中國(guó)高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽CYPT (即China Young Physicists′ Tournament)參考國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽IYPT(International Young Physicists′

Tournament)的模式進(jìn)行，是最高級(jí)別高中生競(jìng)賽，也是IYPT中國(guó)國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)的選拔賽[2]．與注重考查學(xué)生的解題能力和基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奈锢韸W林匹克競(jìng)賽不同，CYPT每年17道賽題，題目均為開放性問題，貼近生活，沒有具體的解題技巧和固定答案．賽題具有真實(shí)性、開放性、趣味性和復(fù)雜性[3]．參賽學(xué)生圍繞賽題進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作研究，然后就其物理知識(shí)、理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、結(jié)果討論等展開辯論性比賽[4]．

CYPT是能真正實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要載體．教師可以借助高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽的模式，把當(dāng)年CYPT的賽題作為課后自主實(shí)驗(yàn)的研究題目，將學(xué)生以4～5人為單位劃分成多個(gè)研究性學(xué)習(xí)小組，開展班級(jí)物理創(chuàng)新競(jìng)賽．小組同學(xué)合理利用課外時(shí)間，合作設(shè)計(jì)小實(shí)驗(yàn)．在共同解決問題時(shí)，需要經(jīng)歷完整的科學(xué)探究的過程，經(jīng)歷問題的分析、實(shí)驗(yàn)器材的制作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、團(tuán)隊(duì)的協(xié)作、觀點(diǎn)的表達(dá)與探討，這些實(shí)踐恰恰是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的綜合體現(xiàn)[5]．因此，依托物理創(chuàng)新競(jìng)賽開展的課后自主實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)．

1 依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽 培養(yǎng)學(xué)生物理觀念

目前大部分高中生對(duì)于物理概念和規(guī)律的理解僅僅停留在記住、會(huì)解題的層次，物理創(chuàng)新競(jìng)賽將物理知識(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系起來，幫助學(xué)生全面、深刻、準(zhǔn)確地掌握和應(yīng)用物理概念和規(guī)律．貼近實(shí)際的賽題讓學(xué)生充分地體會(huì)到物理不再是抽象的理論和枯燥的公式，而是非常有趣的．物理創(chuàng)新競(jìng)賽不僅有助于學(xué)生更好地理解物理知識(shí)，從物理學(xué)視角形成物質(zhì)觀、能量觀、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀，更能引導(dǎo)學(xué)生從物理學(xué)的視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題．

例如2021年第15題：反彈膠囊——落在堅(jiān)硬表面上的圓球即便具有一個(gè)初始的旋轉(zhuǎn)速度，也永遠(yuǎn)不會(huì)反彈到釋放高度；膠囊狀物體(例如Tic Tac 薄荷糖)卻可能反彈超過初始高度．探究這個(gè)現(xiàn)象．

與傳統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)相比，該實(shí)驗(yàn)更貼近生活，簡(jiǎn)單易操作．學(xué)生通過分析膠囊狀物體的受力情況和運(yùn)動(dòng)過程，構(gòu)建力和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)體系，對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式——平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)有更直觀的理解，增強(qiáng)知識(shí)應(yīng)用意識(shí)．學(xué)生要思考膠囊為何反彈超過初始高度，通過理論分析，將碎片化的能量和能量守恒的知識(shí)凝練成整體．學(xué)生對(duì)能量守恒有更清晰的認(rèn)識(shí)，能量包括動(dòng)能和勢(shì)能，其中動(dòng)能等于平動(dòng)動(dòng)能加轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，勢(shì)能等于重力勢(shì)能加彈性勢(shì)能．膠囊下落與堅(jiān)硬表面發(fā)生碰撞的過程，表面和膠囊均發(fā)生彈性形變，膠囊受彈力和摩擦力作用，表面對(duì)膠囊的作用力改變了膠囊的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．

2 依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師往往更注重學(xué)生知識(shí)的獲取和提升，容易忽視思維能力的培養(yǎng)．中國(guó)科學(xué)院院士陳佳洱說：“物理學(xué)不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西——一種理性的思維方式、人生的哲學(xué)和人生的道路．”恩格斯也曾把思維比作“地球上最美的花朵”，足見思維的重要性．學(xué)生解決賽題問題的過程就是認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，培養(yǎng)科學(xué)思維的過程．物理創(chuàng)新競(jìng)賽是培養(yǎng)科學(xué)思維的有效途徑．

例如2020年第13題：摩擦振子——一個(gè)大塊的物體被放置在兩個(gè)相同的平行水平圓柱體上．兩個(gè)圓柱各自以相同的角速度旋轉(zhuǎn)，但方向相反．研究物體在圓柱體上的運(yùn)動(dòng)如何依賴于相關(guān)參數(shù)．

首先對(duì)摩擦振子做模型構(gòu)建，把摩擦振子抽象簡(jiǎn)化為兩個(gè)圓盤上面放置一根棒．根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，棒做往復(fù)性的振動(dòng)，學(xué)生猜測(cè)當(dāng)棒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，棒的運(yùn)動(dòng)可能是簡(jiǎn)諧振動(dòng)．對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行受力分析，明確摩擦力的產(chǎn)生條件、作用點(diǎn)、方向和大小，得到棒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，從而理論證明棒的運(yùn)動(dòng)是標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)．進(jìn)一步利用位移傳感器描述棒的振動(dòng)圖像證明理論分析的正確性．隨后在研究影響簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)振幅、頻率的因素時(shí)，小組同學(xué)間自由質(zhì)疑、相互討論、達(dá)成一致，確定影響棒運(yùn)動(dòng)的參數(shù)可能有棒與圓盤的材質(zhì)、棒與圓盤接觸面的粗糙程度、棒放置的初始位置、兩圓盤軸間距、圓盤角速度大小等．最后根據(jù)分析設(shè)計(jì)具體實(shí)驗(yàn)方案，鼓勵(lì)學(xué)生自主思考.競(jìng)賽成為學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造力的舞臺(tái)，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的一小步推動(dòng)創(chuàng)新思維發(fā)展的一大步．

3 依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究

實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行科學(xué)探究的最佳途徑，探究實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)中占據(jù)至關(guān)重要的地位．然而目前高中階段學(xué)生科學(xué)探究的機(jī)會(huì)很少，將所學(xué)物理知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐生活的機(jī)會(huì)更少，在進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí),學(xué)生常常按照課本中設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)器材，根據(jù)規(guī)定的步驟完成實(shí)驗(yàn)，科學(xué)探究能力很難得到提高．借助物理創(chuàng)新競(jìng)賽，學(xué)生獨(dú)立自主地制定探究計(jì)劃開展科學(xué)探究．實(shí)驗(yàn)的趣味性、生活化、可操作性激發(fā)了學(xué)生的探究興趣，實(shí)驗(yàn)結(jié)論的不唯一性讓學(xué)生有更大的探究空間，探究意識(shí)和探究能力大大提升．

例如2020年第10題：畫出來的導(dǎo)線——用鉛筆在紙上畫的線可以導(dǎo)電．研究這種導(dǎo)線特性．

4 依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽 培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任是物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，揭示了物理學(xué)習(xí)更高層次的價(jià)值追求,對(duì)社會(huì)和個(gè)人的發(fā)展都有重要意義[6]．借助物理創(chuàng)新競(jìng)賽，通過創(chuàng)設(shè)良好情境，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展．物理創(chuàng)新競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)器材往往比較常見，操作較為簡(jiǎn)單．例如2021年賽題“同步蠟燭”“不可逆轉(zhuǎn)的浮沉子”“保險(xiǎn)絲”“吉他弦”“海綿”“手提直升機(jī)”等等，都可以選擇日常生活用品作為實(shí)驗(yàn)材料．在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方面也不需要大型的測(cè)試儀器，可以用現(xiàn)成的軟件，例如Phyphox，Tracker，Matlab等．鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的物品、可回收資源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感．學(xué)生自己動(dòng)手搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)探究方案的過程可以培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度．團(tuán)隊(duì)合作的過程讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到高度統(tǒng)一的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神與良好的交流溝通能力是任何一個(gè)團(tuán)隊(duì)取得勝利的必要條件．辯論性的比賽讓學(xué)生養(yǎng)成尊重規(guī)則、善于傾聽、尊重他人、尊重知識(shí)、敢于質(zhì)疑、善于交流的習(xí)慣．在角色變換中，作為正方，不僅要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、清楚地陳述觀點(diǎn)，還要做到面對(duì)反方挑戰(zhàn)隨機(jī)應(yīng)變．作為反方指出正方優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，更需要敏銳的洞察力，找到對(duì)方的不足，有理有節(jié)地質(zhì)疑．而評(píng)論方則需要統(tǒng)攬全局，客觀評(píng)論正反方的觀點(diǎn)．

學(xué)生人人參與班級(jí)物理創(chuàng)新競(jìng)賽，經(jīng)過層層選拔，部分學(xué)生又陸續(xù)參加了吉林省高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽(JYPT)、中國(guó)高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽(CYPT)、國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽(IYPT)．通過物理創(chuàng)新競(jìng)賽，學(xué)生磨煉了意志，拓寬了視野，學(xué)會(huì)了堅(jiān)持不懈，交流溝通能力、創(chuàng)新能力、協(xié)同合作意識(shí)得到了有效提升．

總之，我們依托高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽開展課后自主實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)．基于物理創(chuàng)新競(jìng)賽模式的課后自主實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析解決實(shí)際物理問題的能力，有助于學(xué)生形成物質(zhì)觀、能量觀、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，增強(qiáng)學(xué)生模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的意識(shí)和能力．在解決賽題問題的過程中，學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究的完整過程，探究能力得到有效提升，也逐漸形成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實(shí)事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感．因此，高中生物理創(chuàng)新競(jìng)賽是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的有效途徑和重要載體．