基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

張 群

（南京航空航天大學(xué)附屬高級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210007）

1 引言

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融合了多學(xué)科知識(shí)，讓學(xué)生在體驗(yàn)項(xiàng)目的過(guò)程中將不同知識(shí)融會(huì)貫通，對(duì)培養(yǎng)其核心素養(yǎng)、突出其主體性等都具有重要的作用.這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中并不是簡(jiǎn)單地將物理知識(shí)進(jìn)行堆砌，而是要結(jié)合物理學(xué)科的特點(diǎn)，用物理思維解決實(shí)際問(wèn)題，從而形成獨(dú)特的物理學(xué)習(xí)路徑.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，是指：學(xué)生圍繞某一特定的目標(biāo)或問(wèn)題，以學(xué)科原理或概念的應(yīng)用為中心，借助多種資源進(jìn)行研究、合作、設(shè)計(jì)等自主探究活動(dòng)，讓學(xué)生積極主動(dòng)地進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)最終形成成果或解決問(wèn)題.

對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)在高中課堂中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)恰好是應(yīng)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的很好載體.所謂對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)是指一類(lèi)具有競(jìng)賽性質(zhì)的物理小實(shí)驗(yàn)，將一些常規(guī)小實(shí)驗(yàn)游戲化、競(jìng)技化.在高中課堂開(kāi)展對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)，有利于活躍課堂氛圍，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)并利用物理概念解決問(wèn)題，從而促進(jìn)物理觀念的形成和物理核心素養(yǎng)的落實(shí).本文在文獻(xiàn)［1］基礎(chǔ)上簡(jiǎn)述對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)在新課程改革背景下的價(jià)值，給出7 個(gè)適合高中物理課堂開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)范例，通過(guò)范例解讀整理對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原則和應(yīng)用建議.

2 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)中的實(shí)施原則與方法

對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)作為面向高中生開(kāi)展的輔助教學(xué)活動(dòng)，在設(shè)計(jì)內(nèi)容時(shí)要充分考慮參與者的知識(shí)水平和接受能力，以達(dá)到促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的目的.根據(jù)對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的概念界定：一類(lèi)具有競(jìng)賽性質(zhì)的物理小實(shí)驗(yàn).在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)遵循知識(shí)性、可量化、生活化、合作性原則.

基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開(kāi)展離不開(kāi)對(duì)抗性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)所遵循的原則，在遵循上述4個(gè)原則的基礎(chǔ)上可按圖1所示的流程圖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā).

圖1 基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開(kāi)展路徑

2.1 知識(shí)性原則

對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)的開(kāi)展本質(zhì)是對(duì)課內(nèi)物理學(xué)習(xí)的補(bǔ)充，為物理觀念和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)提供一條有效路徑，因此知識(shí)性和科學(xué)性的原則應(yīng)當(dāng)作為首要關(guān)注點(diǎn).

案例1.自制測(cè)量?jī)x器.

問(wèn)題提出：?jiǎn)螖[一個(gè)重要作用就是測(cè)量時(shí)間，你能利用理論知識(shí)制作一個(gè)測(cè)時(shí)儀器來(lái)測(cè)量一段音樂(lè)的時(shí)間嗎？

圖2 自制測(cè)量?jī)x器實(shí)驗(yàn)器材

在本項(xiàng)目中需要學(xué)生知道單擺的周期公式，明確公式中各個(gè)物理量的含義，實(shí)驗(yàn)操作中誤差來(lái)源等相關(guān)知識(shí).

案例2.彈得更高的小球.

問(wèn)題提出：讓一個(gè)小球從2 m 處自由下落，與地面碰撞后最多反彈到原高度.那有沒(méi)有可能讓其反彈高度超過(guò)2 m 呢？

實(shí)驗(yàn)操作：本實(shí)驗(yàn)在高中物理中對(duì)應(yīng)“子母球”模型，從理論上可用動(dòng)量守恒和碰撞的知識(shí)解釋.當(dāng)杯子、水和小球下落時(shí)，3者處于完全失重狀態(tài)，互相之間沒(méi)有彈力作用.當(dāng)杯子落地時(shí)的瞬間，水和杯底發(fā)生第1 次碰撞使水獲得向上的速度，然后小球又和水發(fā)生碰撞，因此讓小球有可能獲得更大的速度.實(shí)驗(yàn)時(shí)，給每組1個(gè)紙杯、塑料杯，1個(gè)乒乓球和塑料球（圖3），提供足量的水.杯子的材質(zhì)、水量和下落時(shí)的姿態(tài)都會(huì)影響乒乓球最終彈起的高度.建議給1 min練習(xí)時(shí)間，正式比賽時(shí)每組2次機(jī)會(huì)，彈起高度最高組獲勝.

圖3 彈得更高的小球?qū)嶒?yàn)器材

在本項(xiàng)目中，學(xué)生需要聯(lián)想到課內(nèi)“子母球”的模型來(lái)考慮使用什么材質(zhì)的杯子，杯子里放大概多少水等問(wèn)題.

2.2 可量化原則

由于對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的競(jìng)賽性質(zhì)，小組在每個(gè)項(xiàng)目比拼后要按照完成情況排名得分.這就需要實(shí)驗(yàn)結(jié)果能定量表示，便于比較.這也可以排除裁判的主觀因素影響，使得比賽結(jié)果更公開(kāi)、公平.

案例3.巧疊木塊.

管棚灌漿孔封孔應(yīng)采用“機(jī)械壓漿封孔法”或“壓力灌漿封孔法”，用濃漿（0.5：1）全孔一次性封孔。封孔壓力為該孔最大灌漿壓力。如該段灌漿結(jié)束為最濃一級(jí)水灰比（0.6:1）時(shí)，可不進(jìn)行置換濃漿，直接封孔。

問(wèn)題提出：5 個(gè)尺寸一樣的木塊按圖4 方式疊放，最上面的比最下方木塊最多能伸出多少距離呢？

圖4 巧疊木塊實(shí)驗(yàn)示意圖

2.3 生活化原則

家庭、學(xué)校及生活環(huán)境中的各類(lèi)物品、器具、材料種類(lèi)繁多且容易獲取.運(yùn)用這些東西設(shè)計(jì)對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)，可以貼近學(xué)生的生活實(shí)際，使學(xué)生感到熟悉和親切，也能體會(huì)到理論知識(shí)和生活實(shí)際的關(guān)系.

案例4.硬幣碗.

問(wèn)題提出：如圖5，生活中的碗都是中間凹進(jìn)去的，現(xiàn)在一個(gè)一元硬幣也能作為容器裝水，你能裝多少水呢？

圖5 硬幣碗實(shí)驗(yàn)器

實(shí)驗(yàn)操作：液體表面層分子由于距離較大使得分子間引力大于斥力，宏觀上會(huì)有使液體表面收縮的效果，就像一張繃緊的膜.給每組配一個(gè)膠頭滴管和硬幣，小組成員逐滴將水滴在硬幣上，裁判在邊上仔細(xì)觀察液體從硬幣上溢出前的滴數(shù)，數(shù)量最多的一組獲勝.

案例5.扎不破的袋子.

問(wèn)題提出：一個(gè)氣球很容易被一支尖銳的鉛筆扎破，那一個(gè)裝水的塑料袋呢，你最多能扎幾支鉛筆依然保證其不漏水？

實(shí)驗(yàn)操作：如圖6，高分子聚合物制作的塑料袋柔軟度高、拉伸性強(qiáng)，在被鉛筆戳穿的瞬間會(huì)迅速包裹住鉛筆，在水張力的共同作用下，不會(huì)有水從縫隙中漏出.比賽時(shí)，給每組相同規(guī)格的塑料袋，足量的水和削尖的鉛筆，將筆逐根插入直到有水溢出，由于操作技巧的差異，每組插入的鉛筆數(shù)量有差異，數(shù)量多組獲勝.

圖6 扎不破的袋子效果圖

以上項(xiàng)目例子中的塑料袋、杯子、乒乓球和硬幣等，這些器材在生活隨處可見(jiàn)，成本很低，學(xué)生可以隨時(shí)取材進(jìn)行操作.在項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生利用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，既能體會(huì)到理論知識(shí)和生活實(shí)際的差異，也能感受“從生活走向物理”的理念.

2.4 合作化原則

課內(nèi)的一些物理實(shí)驗(yàn)可以由學(xué)生單獨(dú)完成甚至由教師演示完成，但對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)是小組與小組的比拼，需要讓全組學(xué)生通力合作.在操作時(shí)可能物理成績(jī)較好的學(xué)生不敵物理基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，因?yàn)樵擁?xiàng)目對(duì)學(xué)生的思維敏捷程度要求較高，學(xué)困生如果在這一項(xiàng)目中取得勝利，可能會(huì)重新審視自己學(xué)習(xí)物理的能力，提升自我效能感，對(duì)相應(yīng)概念的學(xué)習(xí)也會(huì)提起興趣.這將是一個(gè)良性循環(huán)的開(kāi)端.

案例6.鋁箔紙取火.

問(wèn)題提出：古人有鉆木取火的智慧，我們能不能利用若干節(jié)電池快速將鋁箔紙點(diǎn)燃實(shí)現(xiàn)取火呢？

實(shí)驗(yàn)操作：利用電流熱效應(yīng)，讓鋁箔局部快速升溫達(dá)到燃點(diǎn).比賽時(shí)，給每組4 節(jié)干電池、一張鋁箔紙，兩根導(dǎo)線（圖7），學(xué)生需對(duì)鋁箔紙適當(dāng)裁剪實(shí)現(xiàn)目的，由于操作的差異導(dǎo)致每組點(diǎn)火時(shí)間有先后，點(diǎn)火最快的一組獲勝.

圖7 鋁箔紙取火

案例7.拍攝水下的物體.

問(wèn)題提出：在一個(gè)陽(yáng)光晴朗的午后用手機(jī)對(duì)著清澈的湖面拍攝，很難拍清水下景物，這是因?yàn)楹娴姆瓷涔庥绊懥顺上裥Ч?，如何盡量拍清水下景物呢？

實(shí)驗(yàn)操作：照相機(jī)作為一個(gè)精密光學(xué)儀器包含了很多光學(xué)知識(shí)，生活中為了避免有害反光對(duì)成像的影響，可在鏡頭前加一個(gè)偏振片.現(xiàn)所有組學(xué)生準(zhǔn)備相同的手機(jī)，每組提供一個(gè)手機(jī)用的偏振片以及若干不同顏色的濾光片（也可以視情況增加一些手機(jī)外加鏡頭）.在水槽底部放上一個(gè)玩具（模型），水槽注水沒(méi)過(guò)玩具5 cm 左右，水槽可置于前排學(xué)生課桌上.用亮度較高的光源，從較高位置斜射向水面.每組限時(shí)2 min拍攝，選取最滿(mǎn)意的一張照片，用于各個(gè)小組之間的評(píng)比.（學(xué)生拍攝時(shí)可以輕微振動(dòng)課桌，模擬湖面出現(xiàn)的波紋.）

綜合以上原則和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們可在高中階段開(kāi)展若干次項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)，每次用1節(jié)課時(shí)間.在項(xiàng)目篩選環(huán)節(jié)，有實(shí)驗(yàn)不符合對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的幾個(gè)原則時(shí)不能輕易舍棄，要對(duì)標(biāo)原則找出其缺陷然后進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)學(xué)生的智慧來(lái)開(kāi)發(fā)出更多有創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)對(duì)抗項(xiàng)目.

3 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在對(duì)抗性實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)施中的反思

基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》的精神，為了促進(jìn)物理觀念的形成，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)讓學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過(guò)程，創(chuàng)設(shè)必要的情境，讓學(xué)生經(jīng)歷概括和抽象的過(guò)程，尋找事物的本質(zhì)特征，形成概念.這就需將物理知識(shí)和實(shí)踐情境相關(guān)聯(lián)，在教學(xué)中對(duì)教材再創(chuàng)造，選擇與學(xué)生聯(lián)系密切的生活實(shí)例在課堂中用物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析.對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)作為一種游戲式的教學(xué)方式是對(duì)常規(guī)課堂的補(bǔ)充，其能把物理知識(shí)和實(shí)踐情境主動(dòng)結(jié)合起來(lái)，強(qiáng)化學(xué)生以物理學(xué)視角解釋和解決實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)機(jī)與能力.

通過(guò)對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生將會(huì)在游戲中鍛煉科學(xué)思維，在游戲中培養(yǎng)科學(xué)探究意識(shí)，體會(huì)將課內(nèi)知識(shí)運(yùn)用于生活實(shí)際的過(guò)程.在討論點(diǎn)評(píng)環(huán)節(jié)，教師也應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生有所思、有所得，總結(jié)游戲背后的物理規(guī)律、物理思維方法.另一方面，對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)不是一蹴而就的，教師可以安排學(xué)生“玩”實(shí)驗(yàn)之余嘗試開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn).開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是利用理論知識(shí)的過(guò)程，同時(shí)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有積極價(jià)值.總之，以問(wèn)題為導(dǎo)向的對(duì)抗性物理實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用是為了將所學(xué)的物理知識(shí)和方法用于分析、解決現(xiàn)實(shí)生活中的各種實(shí)際問(wèn)題.在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中進(jìn)一步提高探究能力，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí).以游戲競(jìng)技的形式開(kāi)展，能讓所有能力層次的學(xué)生參與其中，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成.