再论“物理综合实践活动”设置的意义与实施策略

(南京师范大学物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

1 引言

2004年苏科版初中物理教材中开始编入综合实践活动，2012、2013年通过教育部教材修订审查。物理综合实践活动已成为苏科版初中物理教材的一大特色，不少学校的物理教师在实践中取得丰硕的成果和经验，并得到广大中学师生的认可。

在《物理之友》2015年第1期，我发表了《在物理课程中设置综合实践活动的意义和教学建议》一文，经过多年来的学习和吸取老师们的实践经验，我又有一些新的认识。

2 物理综合实践活动设置的意义

物理综合实践活动以物理课程为基点，有两个基本的特征：综合和实践。为什么要强调综合和实践的要素？这是出于对科学本质和教育本质统一的思考。从科学视角看：(1) 科学的本源是综合的，科学是以多样统一的自然界为研究对象的探究活动，也就说明自然界或物质世界的原型都是以综合形态呈现的。(2) 科学的价值是综合的，科学的知识和方法应用于技术，与技术融合，推动社会发展；科学知识和方法向其他学科迁移、融合，形成交叉的新兴学科；科学的思想和精神与人文精神融合，促进精神文明的发展。(3) 科学发展的走向既高度分化，又高度融合，综合是当今时代高科技发展的一个重要趋势。(4) 科学是不断发展的，实践是科学探究的基石，实践是检验科学理论的唯一标准。从教育视角看，教育的本质是促进人的发展，提高受教育者的科学素养是教育的核心目标，其中，综合素养和实践素养是影响人长远发展的重要方面。

从现实的意义来看，为了拓宽物理课程的视野、发展学生的个性特长和优化物理课程的探究性学习结构，有必要在教材中设置物理综合实践活动，为学生提供更加开放的学习平台。另外，在我国基础教育课程体系中设置了综合实践活动课程，反映了在课程结构上的突破。我们希望通过在物理课程中设置物理综合实践活动，对我国综合实践活动课程的完善起一定的推动作用。再从我国基础教育评价体制的改革来看，在科学课程中加强学生综合素质评价是一个重要的问题，我们希望通过对物理综合实践活动的评价取得一些经验。

案例1：利用身边器材，设计和制作有一定创意的物品，如模型、玩具、器具等。

教材中提供了“制作一个机械模型”的课题，实际上这类的课题可以很多，如设计和制作喷泉模型、热机模型、电机模型、光学器具、电磁玩具等，可以安排在不同的学段，让学生从生活的观察中获得灵感和启发，根据自己的兴趣选择一个课题。

先选题，画出一个草图，填写在表格中，上传到班级QQ群中，各小组的选题应尽可能避免重复。确定选题后，进行设计、选材、制作，再修改设计，调试并完成样品，分析并描述作品的原理，准备交流和小结。一学期召开一次学生技术设计作品展示会，可以发现许多好的学生作品，虽然不复杂，但体现了“小制作，大智慧”的特点。笔者就有许多亲身制作的感受，如设计和制作一个蜡烛跷跷板，看似简单，其实不简单。用一根大号的缝衣针作跷跷板的转轴是很好的，但穿在蜡烛中间却不容易。用一段塑料管连接两支小蜡烛，用缝衣针穿过塑料管的中点就可以了(如图1)。蜡烛的粗细、长短、重心的高低都会影响跷跷板的效果，从理论上探讨就更不容易了。当你看到点燃蜡烛后跷跷板不停地摆动起来时，还会有许多发现，其兴奋之情是难以形容的。又如，我国古代有如图2所示的敧器，《荀子宥坐》中描述了它的特征：虚则欹，中则正，满则覆。我国古代还发明了杠杆式舂谷机，让学生查阅有关资料，将敧器和舂谷机组合起来，设计和制作如图3所示的“自动舂谷机”模型。我想，如果让学生参与从设计到制作完成的过程，他们会感受到我国古代人民的聪明才智，探究敧器“虚则敧，中则正，满则覆”的道理，还能学习创新的技法，培育工匠精神。

图1

图2

图3

3 物理综合实践活动的编写意图

苏科版初中物理教材中共设置了9个综合实践活动，其内容有的是以某一章知识为基础的综合，有的是以前述各单元知识为基础的综合。编者不希望将这些内容作为标准要求的知识让学生掌握，而是以它们为载体，使学生得到过程的体验和感受。编者的意图是提供一个开放性的平台，学生对课题的选择不限于书中的综合实践活动，也不受每个实践活动陈述的文本限制，教师和学生的主动性可以更大。编者也希望老师们共同参与，将其建设成为生动活泼的校本课程。

案例2：太阳照射在地面上竖立直杆时会形成杆影，请用“杆影法”测量地球的直径，要求如下：

(1) 查阅资料，了解历史上古代学者是怎样利用“杆影法”测量出地球直径的；

(2) 观察杆影随太阳高度的变化情况；

(3) 设计实验方案，用杆影法测量地球的直径；

(4) 组织团队，落实方案，进行实验；

(5) 处理数据，交流、讨论观测结果。

图4

图5

学生重做埃拉托色尼的观测是很有意思的。他们必须在同一经线上寻找合作伙伴，例如徐州、济南、天津、南京的经度非常接近。寻找好合作伙伴后，设计方案并进行实验，在正午时观察杆影，发现两地的杆影长都不为零，于是从理论上进行分析，如图5所示，在A点测得杆影顶角为α1，在B点测得杆影顶角为α2，则两地对应的圆心角α=α2-α1。通过网络传递数据，计算出结果，再对结果进行分析。通过这个实践活动，对参与研究的学生是一种很好的锻炼，他们可以从科学史中得到科学探究的启发，从多种途径获取数据，培养合作精神。

这一案例是苏科版教材中综合实践活动“探究树荫下的光斑”的延伸，都基于光的直线传播的原理。它说明综合实践活动的课题是相当广阔的，值得老师们做出深度的研究和开发，以更好地发挥其创新教育的功能。

4 物理综合实践活动实施策略

为了在实施物理综合实践活动中更好地体现“培养和发展学生科学素养”的理念，下面提几条策略。

4．1 以科学思想和观念统领物理综合实践活动的设计和实施

物理综合实践活动超越了传统物理分科的范畴，综合是这种活动的一大特点，但其综合并不着眼于科学知识的综合，而在于体现科学知识、科学过程和科学文化在科学本质上的统一，它强调将科学统一于观念和过程，统一于科学探究。因此，物理综合实践活动应当体现科学思想和观念的统领作用。

案例3：在“电磁波与现代通信”这一章后，可以设计和开展以“手机的演变和在现代生活中的应用”为主题的综合实践活动。要求学生通过对各种资料的收集、应用实践的考察和体验、相互间的交流和讨论，提高认识，形成观念。通过活动，学生可以感受到半个世纪以来以手机为载体的科学技术的巨大变化，第一代手机是以电磁波理论为基础的模拟通信技术产品，只能进行语音通话；第二代手机采用了数字化技术，增加了短信功能；第三代手机在数字化的基础上，增加了多媒体技术，利用了卫星通信和互联网技术，使数据传输速度有显著提高，手机的功能大大拓展；第四、第五代手机，引进了更多的现代技术，数据传输速度更快，智能化程度更高。有的学生亲历了网约出租车的过程，有的学生亲历了与海内外亲友视频聊天的过程，有的学生亲历了“支付宝”等购物付款的过程，有的学生亲历了某一问题互动式的网络学习过程通过交流讨论，他们能够感受到：科学的重大发现会导致系列技术创新，改变人们的生活方式，促使社会进步；同时也能认识到：技术对社会是把双刃剑，其负面的影响要靠提高公民的素养和应用先进的科学技术来解决。类似的课题很多，例如“设计、制作一个机械模型”课题，不能只局限于做一个模型，可以让学生去查找有关资料，通过典型事例了解历史上机械的演化情况。通过对现代生活、生产的调查，了解机械的应用。这不仅可帮助学生从实际中选择一个机械模型进行设计和制作，而且可使学生感受到科学技术的发展对社会进步的影响。

我们开展综合实践活动，不仅要关注具体的课题和细节，还应当重视渗透上位观念的培育。例如关注培养学生用运动和力的观念认识自然和生活中的运动现象，用统计的观念认识热现象，用能量及守恒的观念认识各种过程的变化，用信息与系统的观念认识应用科学知识的技术工程等。例如，在“探究游乐园中的运动”课题中，学生可以从各种有趣惊险的游艺项目中(如秋千、浪桥、过山车、大转轮、蹦极等)，选择课题进行观察体验，携带工具进行定性和定量实验，或在实验室进行相关的模拟实验。通过这些活动和交流，使学生通过具体的原理分析，形成“运动的相对性和多样性”“力是物体运动状态变化的原因”“能量的转化与守恒是普遍的原理”等观念。

4．2 关注“科学、技术、工程、数学”的融合

物理学与技术、工程的综合是物理综合实践活动中内容综合的一个重要方面，传统的物理课程比较注重物理与数学的结合，因为物理学从诞生起就与数学有天然的联系。但是，传统的物理课程却比较忽视与技术、工程的联系，虽然也强调联系物理学在技术生活中的应用实际，但往往只是点缀而已。随着现代科学技术的发展，特别是现代信息技术的发展，科学与技术高度融合，经济、社会出现了前所未有的高速发展和深刻变化，STS教育成为世界各国的普遍共识。出于对未来社会创新性人才需求的战略考量，以及对基础教育“面向大众”性质的思考，世界上许多国家都在强化STEM(科学、技术、工程、数学)教育，力求提高受教育者的科学素养和技术素养。

案例4：“设计简单电路”的综合实践活动可以放在九年级上学期，也可以放在九年级下学期。事先应布置学生调查“简单电路”在生活中应用的实例，并从中选择一个课题，选题的过程可使学生接触社会，了解选题的社会需求和意义。生活中的选题范围是很广泛的，例如，开关控制电路有很多的实际应用，楼梯灯、横穿行道线指示灯、卧室灯、手术室内外灯、B超室外指示灯、汽车转弯指示灯、十字路口交通指示灯、路灯、公园里的太阳能照明灯、电饭煲加热保温的控制、竞赛抢答的控制、水位自动控制等，都要用到一定的开关电路。教师在指导学生时，不要只局限于设计电路和简单的模拟实验，应当增加技术的含量，使学生领会工程设计的思想，制作模型时也要关注工艺的要求。例如，设计十字路口交通指示灯，可按下列思路进行引导。

(1) 假设由设在路口岗亭中的交警手动控制，要求实现单行道两对红绿灯的控制(图6)。南北向通行时实地观察的现象如表1所示，分析现象、设计电路原理图(如图7)。

图6

图7

时间t0-t1t1-t2t2-t3t3-t4t4-t5t5-t6t6-t7北向绿灯L1暗亮暗暗亮暗暗北向红灯L2暗暗亮暗暗亮暗东向绿灯L3暗暗亮暗暗亮暗东向红灯L4暗亮暗暗亮暗暗

(2) 将上述单行道改为双行道，请设计由交警手控的电路。

(3) 由于交警手控会使人高度紧张，增大人为指挥的不确定性，请提出一种改进的方案(电路原理如图8所示)。

图8

(4) 在自动控制中，需要根据实际情况调整汽车过路口时红绿灯延续的时间和前后两次红绿灯工作的时间间隔，想一想，这种时间的调整可能和哪些因素有关？请在交通高峰时到十字路口观察，记录一次红绿灯工作的时间和两次的时间间隔，估测一下单位时间汽车经过路口的数量，提出你的改进意见。

(5) 如果除红绿灯外还要增加黄灯信号，还要考虑汽车在十字路口转弯的问题，如何改进上述设计方案？

从这个案例中可以看到，学生能够从中体验到的不只是简单电路的实验，还有工程设计的思想，初步接触程序控制、数字控制技术。

在技术(工程)类的综合实践活动中，应当开辟让学生了解职业的窗口，让学生更好地感受和理解技术。例如，在“设计和制作机械模型”的实践活动中，有的学生开展了对生活中杠杆应用的调查，就剪刀一类，不同的行业就有很多不同的剪刀，如理发用剪刀、绿化用剪刀、裁缝用剪刀、家庭生活用剪刀等。还有许多剪刀的变形，如电工用的剥线钳、水管工用的热截管钳、生活用的指甲钳等。调查中，学生可以了解不同职业的特点，这些工种都应用了杠杆等原理，但针对不同的功能需要，就会有不同的技术设计。

4．3 关注物理学科在综合中的作用及与相关学科的有机融合

物理综合实践活动是以物理为基础的综合实践活动，反映在以下方面：以物理学科的核心素养为目标导向，离不开物理知识及其应用，以物理的科学方法指导科学探究过程和技术设计过程。在设计和实施课题的过程中，必须关注物理的地位、作用及与相关学科有机融合。这样才会有利于物理知识技能的拓展和加深，有利于提高学生的思维品质和综合能力，有利于学生将各学科知识延伸、综合、重组。

案例5：在综合实践活动“设计和制作一个降落伞”中，如果只局限于“看谁的降落伞下落得慢和安全着地”的目标，那就可能引向盲目的尝试和单纯的操练，不能很好地发挥课题探究的教育功能，也不利于提升技术设计的层次。如果把课题放大为“空气阻力影响下落体运动的探究和设计一个降落伞”，那效果就不同了。这个课题包括两部分内容：探究空气阻力影响下的落体运动，设计和制作一个降落伞。前者为后者提供设计的依据，实现了科学原理与技术应用的融合。

(1) 探究气球阻力影响下的落体运动

对这个课题，许多老师会担心它超出了初中物理的知识要求，其实完全可以不用高中物理的知识即可进行探究，主要采用实验观察和定性反思的方法，以下是一种探究的思路。

图9

① 在空气球下挂一重物使其竖直下落(如图9)，与让重物自由下落进行比较，观察和比较两者运动的差别。

② 思考：挂重物的气球下落与重物下落可能有哪些不同？挂重气球竖直下落，从释放到落地可能是：越来越慢；越来越快；先越来越快，后越来越慢

③ 思考：竖直下落的气球，可能受哪两个力的作用?这两个力的大小有什么关系？

④ 讨论与交流：悬挂重物的气球竖直下落时可能作怎样的运动？所受到的几个力间有什么关系？

⑤ 在高楼阳台上进行实验，实验需在老师的指导下进行，注意安全！定性验证上述分析。如有条件，可利用数码相机的连拍功能，拍出气球下落过程中的多幅照片，进行测量，处理数据，得出结论。

⑥ 竖直下落的悬重气球的运动可能与哪些因素有关？怎样控制变量？设计实验方案，进行实验，记录、分析数据，得出结论。如保持悬挂的重物不变，改变气球的大小，进行对比实验；保持气球的大小不变，改变重物的质量，进行对比实验。

在上述过程中，可以看出，课题探究虽然没有用严密的数学推理，但让学生经历了定性思考和建模的过程，有利于培养学生的创新思维，对物理过程的理解会更好一些。

(2) 设计和制作一个纸降落伞

设计和制作一个降落伞，携带一个鸡蛋从高楼阳台落下，要求落地后鸡蛋完好无损。放手让学生自己设计和制作，教师可以按下列思路来引导。

① 设定目标：你期望降落伞下落的状态是怎样的？你的设计要达到怎样的目标？

② 初步设计：你的降落伞由哪几部分组成？画出设计简图。

给你一张正方形的薄纸，你打算将伞面设计成什么形状？多大？你是怎样考虑的？如何将悬挂线连接在伞面上？如何将鸡蛋与悬挂线连接？

伞面用薄纸、薄布还是塑料膜？还需要哪些材料？

(3) 制作简单模型，进行比较实验。

用合适的重物替代鸡蛋进行实验：比较伞面的形状(面积相等，分别为三角形、正方形、六边形、圆形)对降落伞下落的影响；比较伞面积的大小对降落伞下落的影响。

(4) 从理论上分析、论证设计方案，是否有拓展功能的独特方案？如多伞并挂一个重物的方案，多伞串挂一个重物的方案。

(5) 按设计方案制作降落伞，完成后进行试验，修改方案，制作、完成作品，展示和汇报。

4.4 以课题的开放性促进学生的自主性、生成性，进行全面的评价

综合实践活动必须以全面的评价为保障，而其前提是课题有较好的开放性。这样，学生的自主性就能很好发挥出来，学生间的合作需求和质量就会提升，可激发学生创造的热情，过程的生成性也就自然显现出来。开放性好的课题往往来自于真实的生活，带有一定的综合性，解决问题的途径有多样性，因此思维也就带有较好的发散性。由于真实情景的复杂性，解决问题常常需要化复杂为简单，所以常要运用模型的科学方法，这对学生创新能力的培养是很有益的。

案例6：设计一个液体密度计，这是一个开放性较强的课题，可以运用不同的原理，有许多不同的技术设计方案。根据物质密度的概念，只要测量出该物质组成的物体的质量和体积，就能计算出该物质的密度，但基于技术应用的要求，它太麻烦。我们可以只用天平就能测出液体物质的密度，前提是待测液体的体积要保持一定。将砝码的质量除以体积，重新定标，

这样就可以用测量质量来测定密度了(如图10A)。在技术上为了方便测量，可使液体的体积为定值，将装液体的容器做成溢水杯。按同样原理，可以把天平换成杆秤，在秤杆上标注密度值(如图10B)。

另一种方案就是应用阿基米德定律。漂浮时漂浮物所受重力与浮力平衡，即漂浮物所受重力等于排开液体的重量。若让某物体漂浮在待测液体中，液体的密度越大，排开液体的体积就越小，这样，我们就可以用漂浮物排开液体的体积来标注密度的大小。要实现这种理论方案，必须转化为一定的技术方案。例如，我们可以把特定的物体放在装有待测液体的量筒内，从量筒中液体体积读数的变化，测出排开液体的体积，可以在量筒上刻线定标(如图10C)。也可在漂浮物上刻线定标，从技术的角度考虑，刻线间隔不能过密，将漂浮物设计成细长柱形较好；还应使这种密度计漂浮时保持竖直状态，为此应使密度计的重心偏下(如图10D)。细长柱形的密度计刻线定标后，会发现刻线间隔不均匀，密度越大，刻线越密，读数的偶然误差也会越大。为减小测量大密度液体的误差，设计密度计时应使其浸没的深度加大，为此需要用很深的容器。为避免由此带来的缺点，可将这种密度计的下部设计成如图10E所示的配重空腔，这就是实验室中常用的漂浮式液体密度计。由于该项目有较大的开放性，教师可以在学生自主探究的过程中加以引导，如应用头脑风暴法、发散思维法、逆向思维法等，运用希望点列举法、缺点列举法、优点列举法等进行技术方案的设计，还可以用辩论的方法、应用多媒体展示、实物展示等方式进行以学生为主体的发展性评价。

图10

5 结语

物理综合实践活动是介于物理学科与综合实践活动课程之间的交叉课程，它是一个很值得开发的处女地，希望更多的老师参与理论和实践研究，为促进有中国特色的科学课程改革做出贡献。