中学物理创新实践型开放作业的开发与设计研究

冯新娥

(南京师范大学教师教育学院 江苏 南京 210046)

1 研究背景

《义务教育物理课程标准》提出了“从生活走向物理，从物理走向生活”的课程基本理念：贴近学生生活，符合学生认知特点，激发并保持学生的学习兴趣，让学生通过学习和探索掌握物理学的基础知识与基本技能，并能将其运用于实践，为以后的学习、生活和工作打下基础.然而，现阶段物理实践教学中，部分教育工作者仍然采用传统“填鸭式”的教学方式，忽略对学生创新实践能力的培养.传统的作业也是千篇一律，学生在做作业的过程中完全失去了主动性.在枯燥乏味的学习环境下，学生对物理的学习兴趣不断下降，甚至部分学生在初中便出现厌倦和畏惧心理.创新实践型开放作业不再是物理公式和概念规律的死记硬背，而是将课外作业与创意小制作、小发明等学生感兴趣的活动联系起来，学生在亲自动手实践的过程中，切身体验物理的妙趣，也有助于学生更加透彻地理解学过的知识，从而内化习得的物理知识.开放性作业变以往的单调、枯燥、乏味为生动、活泼、有趣，同时激发学生的兴趣，将能力的培养与有趣的活动结合起来，优化学生的作业过程，使学生能主动去体验、实践、参与、合作与交流[2].

2 创新实践型开放作业的优势

2.1 创新性

创新是一个国家进步的灵魂，党的十九大也提出“加快创新型国家的建设”，新时代下创新型国家的建设离不开创新型人才的培养.然而，传统作业千篇一律，题目答案固定，解题步骤机械化，在一定程度上限制了学生创新思维的发展.开放性作业给学生开辟了创新的新途径，学生可以将自己的想法和创意在作业中充分体现，由于学生自身的个体差异，导致在开放性作业中，每个学生作业的呈现效果也会有所不同，从而有助于促进学生个性化的发展，在动手实践中激发学生的创新精神.

2.2 实践性

物理来源于生活，又应用于社会生活.物理课程作业的设计应体现实践性，不应该只是物理习题解题技巧的训练，更要注重培养学生运用物理知识解决生活实际问题的能力.创新实践型开放作业可以让学生切实感受到生活中处处有物理，帮助学生养成关注身边物理现象，用物理学的眼光看世界，善于从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的物理素养，真正践行“从生活走向物理，从物理走向社会”的课标理念，创新实践型开放作业也在一定程度上弥补了传统课外作业重理论轻实践带来的弊端.

2.3 合作性

俗话说“同心山成玉，协力土变金”.当今社会的竞争日趋激烈，各种知识、技术不断推陈出新，社会需求也越来越多样化，单靠一己之力很难完全处理各种错综复杂的问题.而传统教学过多地强调学生独立完成作业，从而导致部分学生缺少团队合作精神.创新实践型开放作业为学生提供了一个合作探究活动的良好氛围，让学生在思维的相互碰撞中产生更多的创造灵感.让学生学会主动与他人合作，尊重他人的观点意见，帮助学生树立团队合作意识，增强团队合作能力，更好地适应将来社会的发展和需求.

3 创新实践型开放作业的开发与设计实例

实例1：U型纸多米诺

所需材料：大小相同的方形彩纸若干.

制作步骤：

(1)如图1(a)所示，先将方形纸沿着虚线①对折找到其中线后展开.再对折方形纸左半部，找到左半部的中线②后展开左半部，然后沿着虚线③和④折叠.再沿着虚线⑤对折方形纸右半部，折叠后的效果如图1(b)所示.

(2)如图1(c)所示，在图1(b)的基础上，沿着虚线⑥和⑦折叠方形纸右半部，折叠后的效果如图1(d)所示.

图1 U型纸的折叠步骤

最后调整U型纸的三边，使左右两侧与底边成垂直状态，如图2(a)所示.将U型纸竖直放置，如图2(b)所示.先实现一个U型纸的翻滚，然后尝试实现多个U型纸的连续翻滚，实现U型纸的多米诺效应.

成品示例：

折叠成的U型纸如图2所示.

图2 U型纸成品

问题设置：

(1)若放置恰当，轻轻一推便能实现一个U型纸的翻滚.你是如何摆放U型纸的？是4层纸的一侧在上部？还是双层纸的一侧在上部？请结合重心知识说说如此摆放的理由.

(2)你成功实现了多少个U型纸的连续翻滚？请从能量转化的角度解释U型纸多米诺效应(空气阻力忽略不计).

物理原理解析：

由物理知识可知，物体的重心位置与物体的稳定性有着紧密的联系：一个物体的重心越低或者支撑面越大，它就越稳定；反过来，重心越高或者支撑面越小，它就越不稳定.要实现一个U型纸的翻滚，需要将4层纸的一侧置于上部，双层纸的一侧置于底部，且竖直摆放在地面上，这样摆放时，会使U型纸的重心偏高稳定性降低，从而轻轻一推就能实现U型纸的翻滚.U型纸多米诺效应的物理原理是(空气阻力忽略不计)：U型纸竖着时，如图2(b)所示，重心较高，倒下时重心下降，在倒下过程中，第一个U型纸将其重力势能转化成动能，倒在第二个U型纸上，第一个U型纸的动能就转移到第二个U型纸上，第二个U型纸将第一个U型纸转移来的动能和自己倒下过程中本身具有的重力势能转化来的动能之和，再传到第三个U型纸上……所以，理论上，每个U型纸倒下的时候，具有的动能都比前一个U型纸大，速度一个比一个快，也就是说依次推倒的能量一个比一个大.

实例2：手机投影仪

所需材料：纸板，凸透镜，美工刀，胶水，黑色彩笔.

制作步骤：

(1)用纸板做个无盖的长方体形状的盒子，并且内部用黑色彩笔全部涂黑(也可直接用鞋盒和黑胶带).

(2)然后用美工刀在盒子一端裁出适合凸透镜大小的洞，并用胶水将凸透镜粘在洞口处.

(3)用纸板做个手机支架，同样也要涂黑，放置在盒子里的适当位置.

(4)最后再制作一个盒子的盖子，盖子内部涂黑.

将手机倒置放在手机支架上，调整手机到凸透镜为合适距离，盖上盒盖，最好往全黑房间的墙壁上进行投影，实现手机投影仪的投影功能.

成品示例：

制作的手机投影仪如图3所示.

图3 手机投影仪

问题设置：

(1)在制作手机投影仪时，方形盒的内部为什么要全部涂成黑色？如果不涂成黑色，将会怎么样？

(2)凸透镜成像规律的内容是什么？请结合凸透镜成像规律解释手机投影仪的具体成像原理.

(3)如果想要实现更好的成像效果可以采取什么措施？

物理原理解析：

如图3所示是个手机投影仪，其投影原理如图4所示.主要是利用了凸透镜成像规律，当物体放在凸透镜1倍焦距到2倍焦距之间时，在凸透镜另一侧成倒立放大的实像.将方形盒内部全部涂成黑色，是为了有效防止光从盒子里扩散出去，使更多的光能够透过凸透镜成较亮的像.除此之外，还可以通过增大投影仪与屏幕的距离，缩小凸透镜与手机的距离实现在屏幕上成更大的像.

图4 手机投影仪原理

实例3：电磁小火车

所需材料：两块强力磁铁(铷磁铁)，一块电池和直径约1 mm的全裸铜丝若干.

制作步骤：

(1)将铜丝在圆形木棒上绕成密集的铜线圈，确保铜线圈内径比电池直径略大一点，电磁小火车的单线圈轨道就制作完成了.

(2)然后在电池正负极各连上一块强力磁铁，并且需要保证两块磁铁同极相对，这样“小火车”就制作好了.

(3)将小火车从轨道一端全部推入，小火车便能自行穿过单线圈轨道.

体验完单线圈轨道之后，可以继续尝试制作双线圈轨道.再利用铜丝绕制一个轨道，保证两个铜线圈轨道的绕向相同，然后将两个相同绕向的铜线圈轨道并列固定在一起制成双线圈轨道，将小火车放在双线圈轨道的一端，不用给小火车施加推力便能自行在双轨道上运动.还可以尝试将双轨道和单轨道组合在一起，加长或者弯曲轨道，组成各式各样的小火车轨道.

成品示例：

自制小火车轨道如图5所示.

图5 小火车轨道

问题设置：

(1)要想让小火车在单轨道运动，必须要将小火车全部塞进轨道，这是为什么？小火车能够自行在铜线圈单轨道里运动的原因是什么？请结合所学的安培定则并借助示意图加以具体解释.

(2)双线圈轨道与单线圈轨道相比有哪些优点？如果想要让小火车运动的更快可以采取哪些改进措施？

物理原理解析：

如图5中的火车轨道是由3个单线圈轨道和3个双线圈轨道组合而成.将小火车放在双线圈轨道上，开始可以在小火车一端放置绝缘纸片，扯出纸片，小火车就能自行在轨道上运动，其原理主要是运用了安培定则.以单线圈轨道为例解释其原理，如图6所示.

图6 电磁小火车原理

小火车是由两块强力磁铁与一节干电池组成，两块强磁铁由于磁力作用分别吸附在电池的阴极和阳极.注意两块强力磁铁的同性磁极相对吸附在电池上.小火车经过铜线圈轨道时，电池两端的强力磁铁与裸铜线圈形成回路，则铜线圈中产生电流，小火车必须要全部进入单线圈轨道才能形成闭合回路.通电铜线圈产生的磁场与条形磁铁相似，可通过右手螺旋定则(安培定则)判断其产生的磁场方向.根据“同性相斥，异性相吸”原理，通电线圈N极对小火车头部的强力磁铁S极有吸引力，通电线圈S极对小火车尾部的强力磁铁S极有排斥力，小火车在前方吸引力和后方排斥力的共同作用下向前运动.双线圈轨道的原理与此相同，双轨道相比于单轨道相当于多了个磁铁与小火车作用，将小火车放置在双轨道上立刻就能与铜线圈形成两个闭合回路，其本质都是运用了电生磁，然后小火车在磁力的作用下向前运动.要想让小火车运动的更快，可以通过增加并列轨道的个数，使用导电率更好的材料制作轨道，或者采用更高电压的电池和磁性更强的磁铁制作小火车.

4 创新实践型开放作业的开发与设计原则

4.1 趣味性原则

兴趣是最好的老师，有趣的作业活动设计能大大提高学生的学习积极性和探索欲望.当前传统作业因其内容普遍单调和枯燥，形式单一乏味，很难使学生积极主动地完成作业，学习效率也大打折扣.所以，作业的设计应该要具有一定的趣味性.

4.2 活动性原则

传统作业为了锻炼学生的解题能力和解题技巧，往往采取“题海战术”，不仅加重了学生的作业负担，还会使学生产生厌恶心理和消极情绪.创新实践型开放作业将创新实践型活动与课外作业有效融合，让学生通过活动的形式对所学知识进行加工，制作成各种小作品.这种活动作业不再只是枯燥、单调、乏味的书面计算，而是较为轻松的实践活动.让学生在动手实践活动中感受物理的魅力，制作出作品时的成就感也能为学生学习物理提供源源不断的动力.

5 结束语

开放性的物理作业有别于传统的物理作业，提倡学生通过主动的探究去领会物理知识，从生活实践中领悟物理规律，使学生能更好地理解和应用物理知识与规律[3].创新实践型开放作业给学生开辟了创新的新途径，在动手实践活动中激发学生的创新精神，培养学生的动手实践能力，促进学生个性化发展.在探究活动氛围中培养学生的合作意识，提升合作能力.教师在进行创新实践型开放作业的开发与设计时，也要注意遵循趣味性原则和活动性原则，设计出更加优化的创新实践型开放作业.