开展物理“微科技”项目的探索实践

戴加成 凌一洲,2

(1.江苏省南菁高级中学,江苏 江阴 214437; 2. 江苏大学,江苏 镇江 212013)

江苏省南菁高级中学从2013年起开始“微科技”课程的探索实践,2017年被省教育厅确定为“江苏省微科技课程基地”.“微科技”课程概念的提出基于中学教育在创新人才培养中的基础性地位,本着立足长远、去除教育功利化的目的,从基础教育本身的特点出发,探索高中阶段培养学生科技素养和创新能力的有效途径.依托基地建设,我校师生做出了开展物理“微科技”项目的探索.

1 物理“微科技”项目的特点

物理“微科技”项目是指“微科技”课程的学生创新实践项目,它基于学生兴趣,贴近学生实际,源于课堂学习,注重创新实践.与部分中学生依托高校和科研院所实验资源完成的“高精尖”项目比,“微科技”项目具有小切口、低成本、易开发等特点(见表1).

表1 物理“微科技”项目的特点

2 物理“微科技”项目的选题来源

物理“微科技”项目的选题紧密围绕教材,源于自然生成的实际问题,主要有质疑现有答案、追踪异常现象、自制教具学具、联系生活实际等类型.

2.1 质疑现有答案

案例1.一道物理试题对教材中的比热容实验做了改进:将装有等质量水和煤油的2根试管放入盛有水的烧杯中,用酒精灯水浴加热,用温度计分别测量水和煤油的温度.试题的答案与教材实验结果相同,即煤油升温速度比水快.但凌一洲同学在南菁高中就读时,觉得实验条件已经发生了变化,增加了很多不确定因素,因此对答案提出质疑.他通过实验验证发现,在试题水浴加热的条件下,导热系数对升温快慢的影响不可忽略,由于水的导热系数远大于煤油的导热系数,所以实际情况为水升温比煤油快,标准答案是错误的.他将这一发现撰写成论文,发表于《中学物理教学参考》.[1]

其实,不少实验试题在设计之初并没有经过实验验证,可能会受许多非理想因素的影响,存在错误或不足.学生在做这些试题时,可能会产生直觉上的别扭、不对劲,进而对答案提出不同的意见.此时,教师应该鼓励学生的大胆质疑,与学生擦出思维的火花,将有价值的质疑转化为具有研究价值的“微科技”项目.

2.2 追踪异常现象

案例2.在江苏省高中物理名师讲坛“气体的等温变化”一课中,[2]授课教师多次改变注射器容积V,用压强传感器测量注射器内气体压强p,最后用采集的数据绘制p-V-1图像.按照预期,p-V-1图像应该是一条直线,但实际上,当V-1增大到一定程度时,数据点明显脱离了直线.面对这一异常现象,教师带领学生继续探究,发现了装置中的系统误差——连接管的容积V0未被计算,并最终将图像修正为p-(V+V0)-1的图像.

异常现象是实验课上经常出现的突发情况,其原因不一定是实验者的操作不当,还可能是实验中存在实验者未知的规律,或实验条件超出了规律适用的范围.因此,异常现象不一定是实验失败的标志,而可能是即时生成的项目选题,供师生继续追踪探究.

2.3 自制教具学具

案例3.许多高中物理实验都涉及物体的运动规律,浙江省一位高中生受到传统频闪摄影和打点计时器的启发,设计了一种能够实时呈现物体运动细节的教(学)具——多功能光影计时装置.该装置由紫色频闪光源、两个无极调速滑台和支架等构成,巧妙地将光影留迹应用于运动计时,可以应用于各种运动的定量研究,实验现象清晰直观(见图1,a～e分别为自由落体、平抛运动、简谐运动、以地面为参考系的飞机投弹、以飞机为参考系的飞机投弹).

图1 多功能光影计时装置的应用效果

物理是一门以实验为基础的学科.运动学实验的核心是记录物体在各时刻的位置,案例3装置的设计者紧紧抓住这个核心,灵活运用所学知识,研究出了记录物体在各时刻的位置的新方法,并根据这个新方法设计了新仪器,不失为“微科技”项目的良好选题.这种教(学)具虽然不能发现新的物理规律,但整合了多种传统仪器的精髓(创造性强),结构和实施方式为首创(新颖性强),能够很好地演示、验证某种物理原理(实用性强),因此同样具有价值.

2.4 应用生活实际

案例4.面对饮用水安全监测这一社会热点问题,福建省一位高中生用激光笔、内侧带镜面的玻璃小水槽、CCD摄像头、电脑等制作了新型水质监测装置(见图2),用于家庭实时全面监测水质污染程度.该装置的创新点之一是运用了微小放大法,没有直接测量光束在水中的折射角,而是先让光束在水槽内壁镜面进行9次全反射再测量,以此把精度提高到1%.该装置获得了全国青少年科技创新大赛二等奖.

图2 新型水质监测装置的结构示意图

如今,越来越多高中生开始尝试生活题材的低成本发明创造,此时物理“微科技”项目可以为学生建立起理论与实际、物理与生活的桥梁.在发明创造的过程中巧妙地应用课堂所学的物理思想和物理原理,能很大程度地提高作品的科学性和技术含量.

3 物理“微科技”项目的开展

物理“微科技”项目的开展分为立项(分析论证)、实施(设计探究)、总结(产生成果)等3个阶段,采用学生自主实践与教师有效指导相结合的方式进行,教师充当项目实施的参与者和促进者.

在项目立项阶段,教师要鼓励学生围绕教材所学内容提出感兴趣的问题,引导学生将问题进一步构思形成选题,并根据自己的经验指导学生进行分析论证,主要包括:项目选题是否空洞、所需时间是否过长、所需材料成本是否过高、所需知识是否过深、项目预期成果是否有价值等.

在项目实施阶段,教师要指导学生尽可能地使用所学知识解决问题,尽可能地用身边已有的材料满足实验或制作的要求,使物理知识情境化,转化为学生的能力.同时,对于动态生成的各种问题,教师要引导学生进行组内和组间讨论,吸纳建议,不断完善.[3]此外,要加强对学生学术道德的监督,及时指出选择性忽视不利数据等常见问题.

在项目总结阶段,教师要促进学生反思、感悟,使项目成果内化为素养.要指导学生选择合适的方式呈现项目成果,除了撰写研究报告外,还有发表论文、申请专利、参加科技竞赛等.对于有继续研究潜力的项目,教师要帮助进一步深化主题、明确方向.

除了上述共性外,不同选题的项目在开展时的重点也各不相同(见表2),应该得到个性化的实施.

表2 不同选题的项目在各阶段的重点

续表

4 物理“微科技”项目的育人作用

在开展“微科技”项目的过程中,学生通过思考、实践和总结,提炼和提升原有的物理概念和物理规律,“物理观念”素养得到培育.学生基于事实证据进行推理假设,总结不同物理现象中的内在联系,对已有答案提出大胆质疑,“科学思维”素养得到培育.学生自主提出项目选题,设计实验验证,寻找证据解释现象,进行组间组内的交流讨论,“科学探究”素养得到培育.学生以认真严谨的态度对待实验,将物理原理、物理思想灵活应用于生活实际,“科学态度与责任”素养得到培育.