指向关键能力的初中物理综合实践活动开发与实施——以“制作太阳能动力小车”为例

程建军 申 洁

（苏州市振华中学校，江苏 苏州 215006）

物理学科关键能力是指在应对现实情境时表现为解决问题的能力，是在经历学科学习的过程中逐步形成的，属于适应个人终身发展和社会发展需要的必备能力.[1]江苏义务教育学科核心素养与关键能力研究项目组于2018年出版的《义务教育学科核心素养·关键能力测评与教学（初中物理）》构建了初中物理核心素养和关键能力的框架，包含概括理解、实验探究、实践应用和求实创新4个方面，并细化了初中物理学科中的关键能力，同时制定了各个关键能力表现水平的描述量表.

综合实践活动是苏科版初中物理教材的特色内容，通过关注社会、生活和科技，以物理知识和原理为主，同时综合其它学科，促使学生经历较为完整的探究过程，获得开放性的技术训练，培养学生的创新意识，提高学生的实践能力，提升学生的科技素养.[2]因此，在初中物理教学中有效开展综合实践活动，是促进学生学科核心素养和关键能力发展的重要途径之一.

本文以初中物理能量相关知识为背景，设计一个“制作太阳能动力小车”为主题的综合实践活动，通过开展“做中学”、“学中创”的项目化学习，并运用设计思维引导学生将创新的想法变为现实作品，探寻综合实践活动的有效实施路径，培养和提升学生的关键能力.

能量相关知识是初中物理教学的重难点内容，与物质、运动与相互作用两部分内容密切相关，与很多学科有关联，和生产、生活息息相关.这部分内容对于学生形成可持续发展的意识以及进一步学习其他科学技术，都是十分重要的.为此，笔者开发了“制作太阳能动力小车”的综合实践活动，以确定主题、实验探究、作品设计、动手制作、展示评价和拓展延伸为实施路径开展项目活动，在实践中提升学生的关键能力.

1 确定活动主题与实验探究阶段——培养实验探究能力

能源短缺和地球生态环境污染已成为人类当下面临的重大问题，新能源利用迫在眉睫.有人预测到2050年有望实现可再生能源供电全球，其中太阳能将占7成.太阳能利用将是破解能源危机及环境问题的有效途径之一.因此，通过播放太阳能飞机、轮船、汽车和月球车等视频，启发学生对太阳能提供动力的认识，明确本次活动的主题：设计制作一个太阳能动力小车，比一比哪个动力最足，谁设计的小车最具有创意.

对太阳能电池的认识是本次活动的主要任务之一，教师可以简要介绍太阳能电池是如何将光能转化为电能的，然后组织学生开展如何让太阳能电池产生更多的电能的探究性活动（如图1），告知学生通过测量开路电压和短路电流来衡量太阳能电池的性能.引发学生对太阳能电池电压和电流大小影响因素进行猜想，学生很快会想到光照强度、光照面积、光照角度等影响因素.教师再利用数字化光线传感器测量光线垂直入射在一块太阳能电池时，光源到太阳能电池板不同距离的光照强度，使学生对光照强度有直观的认识，而探究活动中只要改变光源到太阳能电池板的距离就可以改变光照强度.具体实验探究过程如下.

图1 学生分组探究

实验以家用“220 V 275 W”浴霸灯作为光源，用万用表分别按图2（A）和图2（B）接线，首先按测量光照强度时的距离值，分别测量开路电压值和短路电流值；然后控制距离相等光线垂直入射到太阳能电池，测量不同面积时开路电压值和短路电流值；最后控制距离相等和光照面积相等，改变光照角度，测量开路电压值和短路电流值，如表1、表2、表3是其中一组学生测量的数据记录.

图2 测量太阳能电池的开路电压、短路电流示意图

表1 太阳能电池开路电压与短路电流随光照强度变化关系

表2 太阳能电池开路电压与短路电流随光照面积变化关系

表3 太阳能电池开路电压与短路电流随光照角度变化关系

根据以上数据的比较与分析，学生很容易得出太阳能电池产生的电能与光照强度、面积、角度都有关，为后面太阳能动力小车的设计做好准备.

该阶段明确了活动的主题，围绕主题开展太阳能电池的探究活动，通过实验解决了制作太阳能动力小车的供电问题，学生经历探究过程、分析探究结果、内化探究方法和体验探究的愉悦，在解决问题的同时提升了实验探究能力.

2 作品设计阶段——培养观察与建模能力

作品设计阶段是作品制作之前不可缺少的过程，小组成员通过头脑风暴，将众多想法汇集，提升形成具体的认识，进而建构模型，设计出作品的图纸.如关于小车动力系统问题，针对前面的实验探究发现太阳能电池输出的电流比较小，怎样提高小车的动力？有的同学建议选择面积大的太阳能电池，有的想到将太阳能电池并联起来，还有同学通过观察齿轮传动装置，是否可以利用杠杆原理增大动力，方法如图3（a）和图3（b），将齿轮传动建构看成所学的杠杆模型.根据杠杆原理可得F1·d=F2·r，F3·R=F4·d，（r为小齿轮的半径，R为大齿轮的半径，d为齿轮轴的半径且相等，F2与F3是相互作用力）可以推导出F4：F1=R：r，从而将电动机提供的动力F1增大为小车输出的动力F4.这些想法汇集起来后，就有效解决了太阳能动力小车的动力系统问题.

图3

还有小车电路设计、结构设计、外形设计、轮胎选择都离不开生活中的观察和物理模型的建构，学生通过观察，从物理现象中获取有用的信息，并与相关知识建立联系，构建出恰当的物理模型，建模能力得到了有效训练和提高.

3 作品制作、测试与优化阶段——培养动手实践能力

作品制作是学生根据小组的设计方案，选择合适的材料和工具，动手操作将自己的创意或方案付诸现实，最后转化成物品或作品的过程.太阳能动力小车制作过程会涉及到小车结构搭建、动力系统安装、轮胎选择、电路连接等步骤，为了活动顺利进行，教师提供了一些必要的材料给各活动小组，如太阳能电池、电动机、齿轮、车轴、雪糕棒、导线等，小组也可以根据自己设计的需求从生活物品中选择合适的材料进行制作，鼓励他们将所学的能量、力学和电学知识应用到小车制作当中.

作品制作后要进行测试与优化，作品测试优化是指通过评估、测试对作品出现的问题进行调整，经过反复检测调试，不断优化作品.因此，这个阶段要给学生充分的时间和空间，学生可以利用课余时间在家里或者学校创客空间进行作品的制作，教师适时给与指导和鼓励，反复改进，完成产品原型（图4为学生制作的小车原型）.学生在材料选择、工具使用、动手制作和产品测试中锻炼了动手实践能力.

图4 学生制作的小车原型

4 活动交流与评价阶段——培养反思与评价能力

各小组完成太阳能动力小车设计和制作后，便进入活动交流与评价阶段，各小组通过海报、PPT或短视频方式分享自己的创意、设计方案、实现过程、遇到的困难和解决办法（如图5）.小组间可以互相提问，获得作品优化的建议.同时组织一场太阳能动力小车拉力大赛，用太阳能车牵引载重车厢，在车厢里装入石块、铁块等物体以增加配重，比一比哪个小组的小车能够牵引的载重车质量最大，以此测试小车的动力大小.在天气晴朗条件下，也可以组织学生到广场上进行一次太阳能小车赛车比赛，测量小车在阳光照射下行驶20 m所用的时间来比较各小组小车的性能.分享和比赛结束后，以小组自评、互评及教师评价等方式，对小组活动的综合情况，如太阳能动力小车设计、性能、外观以及器材、资源的利用和时间的管理、团队合作等方面进行评估.

图5 小组活动展示

该阶段是学生对自己或他人在解决问题过程的思路、方法和结果等方面，进行全面、合理、客观的评价，发挥评价引导和促进学生发展的功能，培养学生养成反思的习惯，让学生学会在反思中找问题，在问题中求改进，实现设计制作最优化.不同小组展示了不一样的作品，表述不一样的创意和讲述不一样的经历，是分享知识和创意的过程，加强了学生间的交流，学生在乐于分享观点的同时，也增强了创造的信心，提升了语言表达能力和批判性思维能力.

5 拓展延伸阶段——培养迁移与创新能力

在前面活动的基础上，有的小组提出了太阳能动力车如果在实际生活中应用，还需要安装充电电池，否则阴雨天气没有阳光，汽车就动不了.有学生想到了太阳能电池直接给汽车供电，动力会不足等问题，于是就在原来制作小车的基础上进行改进，安装了充电电池，在有阳光的时候太阳能电池能够对充电电池充电，由充电电池再给动力系统供电，这与实际电动汽车原理基本一致.有的小组在太阳能小车上安装了传感器，利用所学的编程技术实现了自动避障、灯光感应和太阳能电板可翻折等功能，这将是今后太阳能无人汽车的雏形.还有的小组联想到太阳能电池除了在汽车上使用，能否在学校屋顶上安装能根据太阳光自动调节照射角度的太阳能电池，制造一个绿色环保型供电系统给学校供电的设想.这些都是活动的自然拓展与延伸，学生能将在活动中学习到的知识自然运用到实际生产和生活中，将学习与生活相联系，进一步激发了学习的积极性和潜能，培养了知识迁移和创新能力，使得高阶思维的形成与提升就在实践中跨越，在迭代中进阶.

6 结束语

在初中物理教学中开展综合实践活动是培养学生关键能力的一个重要途径，太阳能动力小车活动为培养学生实验探究、观察与建模、设计与操作、反思与评价、迁移与创新等关键能力提供了有效的载体，同时活动的开展有助于学生对能源合理利用、能量转化、电路设计、杠杆原理、电动机原理等知识进行融会贯通，在团队环境中进行头脑风暴、建模和协作，通过解决真实生活中的问题促进高阶思维能力的形成.因此，作为一线物理教师应重视物理教学中综合实践活动的开发与实施，通过综合实践活动促进学生养成良好的思维品质，掌握科学探究的基本方法，形成正确的物理观念和科学态度，以提升核心素养与关键能力.