基于项目式学习的对抗性物理实验的开发与应用

张 群

（南京航空航天大学附属高级中学，江苏 南京 210007）

1 引言

项目式学习融合了多学科知识，让学生在体验项目的过程中将不同知识融会贯通，对培养其核心素养、突出其主体性等都具有重要的作用.这就要求学生在学习过程中并不是简单地将物理知识进行堆砌，而是要结合物理学科的特点，用物理思维解决实际问题，从而形成独特的物理学习路径.项目式学习是以建构主义理论为指导，是指：学生围绕某一特定的目标或问题，以学科原理或概念的应用为中心，借助多种资源进行研究、合作、设计等自主探究活动，让学生积极主动地进行知识建构最终形成成果或解决问题.

对抗性物理实验在高中课堂中的应用与开发恰好是应用项目式学习的很好载体.所谓对抗性物理实验是指一类具有竞赛性质的物理小实验，将一些常规小实验游戏化、竞技化.在高中课堂开展对抗性物理实验，有利于活跃课堂氛围，引导学生从现实问题中发现并利用物理概念解决问题，从而促进物理观念的形成和物理核心素养的落实.本文在文献［1］基础上简述对抗性物理实验在新课程改革背景下的价值，给出7 个适合高中物理课堂开展的实验范例，通过范例解读整理对抗性物理实验的设计原则和应用建议.

2 项目式学习在对抗性物理实验开发中的实施原则与方法

对抗性物理实验作为面向高中生开展的辅助教学活动，在设计内容时要充分考虑参与者的知识水平和接受能力，以达到促进学生科学素养发展的目的.根据对抗性物理实验的概念界定：一类具有竞赛性质的物理小实验.在设计实验时应遵循知识性、可量化、生活化、合作性原则.

基于项目学习的对抗性物理实验活动的开展离不开对抗性实验开发所遵循的原则，在遵循上述4个原则的基础上可按图1所示的流程图进行实验的开发.

图1 基于项目学习的对抗性物理实验活动的开展路径

2.1 知识性原则

对抗性物理实验活动的开展本质是对课内物理学习的补充，为物理观念和科学探究能力的培养提供一条有效路径，因此知识性和科学性的原则应当作为首要关注点.

案例1.自制测量仪器.

问题提出：单摆一个重要作用就是测量时间，你能利用理论知识制作一个测时仪器来测量一段音乐的时间吗？

图2 自制测量仪器实验器材

在本项目中需要学生知道单摆的周期公式，明确公式中各个物理量的含义，实验操作中误差来源等相关知识.

案例2.弹得更高的小球.

问题提出：让一个小球从2 m 处自由下落，与地面碰撞后最多反弹到原高度.那有没有可能让其反弹高度超过2 m 呢？

实验操作：本实验在高中物理中对应“子母球”模型，从理论上可用动量守恒和碰撞的知识解释.当杯子、水和小球下落时，3者处于完全失重状态，互相之间没有弹力作用.当杯子落地时的瞬间，水和杯底发生第1 次碰撞使水获得向上的速度，然后小球又和水发生碰撞，因此让小球有可能获得更大的速度.实验时，给每组1个纸杯、塑料杯，1个乒乓球和塑料球（图3），提供足量的水.杯子的材质、水量和下落时的姿态都会影响乒乓球最终弹起的高度.建议给1 min练习时间，正式比赛时每组2次机会，弹起高度最高组获胜.

图3 弹得更高的小球实验器材

在本项目中，学生需要联想到课内“子母球”的模型来考虑使用什么材质的杯子，杯子里放大概多少水等问题.

2.2 可量化原则

由于对抗性物理实验的竞赛性质，小组在每个项目比拼后要按照完成情况排名得分.这就需要实验结果能定量表示，便于比较.这也可以排除裁判的主观因素影响，使得比赛结果更公开、公平.

案例3.巧叠木块.

管棚灌浆孔封孔应采用“机械压浆封孔法”或“压力灌浆封孔法”，用浓浆（0.5：1）全孔一次性封孔。封孔压力为该孔最大灌浆压力。如该段灌浆结束为最浓一级水灰比（0.6:1）时，可不进行置换浓浆，直接封孔。

问题提出：5 个尺寸一样的木块按图4 方式叠放，最上面的比最下方木块最多能伸出多少距离呢？

图4 巧叠木块实验示意图

2.3 生活化原则

家庭、学校及生活环境中的各类物品、器具、材料种类繁多且容易获取.运用这些东西设计对抗性物理实验，可以贴近学生的生活实际，使学生感到熟悉和亲切，也能体会到理论知识和生活实际的关系.

案例4.硬币碗.

问题提出：如图5，生活中的碗都是中间凹进去的，现在一个一元硬币也能作为容器装水，你能装多少水呢？

图5 硬币碗实验器

实验操作：液体表面层分子由于距离较大使得分子间引力大于斥力，宏观上会有使液体表面收缩的效果，就像一张绷紧的膜.给每组配一个胶头滴管和硬币，小组成员逐滴将水滴在硬币上，裁判在边上仔细观察液体从硬币上溢出前的滴数，数量最多的一组获胜.

案例5.扎不破的袋子.

问题提出：一个气球很容易被一支尖锐的铅笔扎破，那一个装水的塑料袋呢，你最多能扎几支铅笔依然保证其不漏水？

实验操作：如图6，高分子聚合物制作的塑料袋柔软度高、拉伸性强，在被铅笔戳穿的瞬间会迅速包裹住铅笔，在水张力的共同作用下，不会有水从缝隙中漏出.比赛时，给每组相同规格的塑料袋，足量的水和削尖的铅笔，将笔逐根插入直到有水溢出，由于操作技巧的差异，每组插入的铅笔数量有差异，数量多组获胜.

图6 扎不破的袋子效果图

以上项目例子中的塑料袋、杯子、乒乓球和硬币等，这些器材在生活随处可见，成本很低，学生可以随时取材进行操作.在项目实验过程中，学生利用理论知识解决实际问题，既能体会到理论知识和生活实际的差异，也能感受“从生活走向物理”的理念.

2.4 合作化原则

课内的一些物理实验可以由学生单独完成甚至由教师演示完成，但对抗性物理实验是小组与小组的比拼，需要让全组学生通力合作.在操作时可能物理成绩较好的学生不敌物理基础较弱的学生，因为该项目对学生的思维敏捷程度要求较高，学困生如果在这一项目中取得胜利，可能会重新审视自己学习物理的能力，提升自我效能感，对相应概念的学习也会提起兴趣.这将是一个良性循环的开端.

案例6.铝箔纸取火.

问题提出：古人有钻木取火的智慧，我们能不能利用若干节电池快速将铝箔纸点燃实现取火呢？

实验操作：利用电流热效应，让铝箔局部快速升温达到燃点.比赛时，给每组4 节干电池、一张铝箔纸，两根导线（图7），学生需对铝箔纸适当裁剪实现目的，由于操作的差异导致每组点火时间有先后，点火最快的一组获胜.

图7 铝箔纸取火

案例7.拍摄水下的物体.

问题提出：在一个阳光晴朗的午后用手机对着清澈的湖面拍摄，很难拍清水下景物，这是因为湖面的反射光影响了成像效果，如何尽量拍清水下景物呢？

实验操作：照相机作为一个精密光学仪器包含了很多光学知识，生活中为了避免有害反光对成像的影响，可在镜头前加一个偏振片.现所有组学生准备相同的手机，每组提供一个手机用的偏振片以及若干不同颜色的滤光片（也可以视情况增加一些手机外加镜头）.在水槽底部放上一个玩具（模型），水槽注水没过玩具5 cm 左右，水槽可置于前排学生课桌上.用亮度较高的光源，从较高位置斜射向水面.每组限时2 min拍摄，选取最满意的一张照片，用于各个小组之间的评比.（学生拍摄时可以轻微振动课桌，模拟湖面出现的波纹.）

综合以上原则和实践经验，我们可在高中阶段开展若干次项目学习活动，每次用1节课时间.在项目筛选环节，有实验不符合对抗性物理实验的几个原则时不能轻易舍弃，要对标原则找出其缺陷然后进行改进，通过学生的智慧来开发出更多有创意的实验对抗项目.

3 项目式学习在对抗性实验开发实施中的反思

基于《普通高中物理课程标准（2017版）》的精神，为了促进物理观念的形成，在教学过程中，应让学生经历物理概念的建构过程，创设必要的情境，让学生经历概括和抽象的过程，寻找事物的本质特征，形成概念.这就需将物理知识和实践情境相关联，在教学中对教材再创造，选择与学生联系密切的生活实例在课堂中用物理学知识进行分析.对抗性物理实验作为一种游戏式的教学方式是对常规课堂的补充，其能把物理知识和实践情境主动结合起来，强化学生以物理学视角解释和解决实际问题的动机与能力.

通过对抗性物理实验，学生将会在游戏中锻炼科学思维，在游戏中培养科学探究意识，体会将课内知识运用于生活实际的过程.在讨论点评环节，教师也应该指导学生有所思、有所得，总结游戏背后的物理规律、物理思维方法.另一方面，对抗性物理实验的开发不是一蹴而就的，教师可以安排学生“玩”实验之余尝试开发实验.开发实验的过程是利用理论知识的过程，同时对学生创新能力的培养有积极价值.总之，以问题为导向的对抗性物理实验的开发与应用是为了将所学的物理知识和方法用于分析、解决现实生活中的各种实际问题.在解决实际问题的过程中进一步提高探究能力，增强实践意识.以游戏竞技的形式开展，能让所有能力层次的学生参与其中，养成科学态度，促进核心素养的形成.