高中物理研究性学习选题、开展和评价*——以探究旋涡的力学模型为例

梁沛林

(深圳市西乡中学 广东 深圳 518102)

研究性学习指学生在教师指导下,从学习生活和社会生活中选择和确定研究专题,主动地获取知识、应用知识、解决问题的活动[1].研究性学习与社会实践、社区服务、劳动技术教育共同构成“综合实践活动”,作为综合性评价中的重要指标,也是落实过程性评价的突破口.然而研究性学习的开展因选题的学科定位模糊,缺乏专业的指导教师,评价方案和标准还没形成等原因而发展缓慢.

对物理学科而言,研究性学习是物理学习密不可分的内容.物理学科有许多需要课外探究的问题,研究性学习正好跟课堂教学形成互补,对提升学生思维能力起到积极的作用.普通高中物理课程标准也建议教学中通过开展研究性学习,拓展学生的知识面,激发学生的学习热情,培养学生主动探索科学问题的意识与能力[2].

如何把研究性学习和高中物理课程深度融合,通过开展物理的研究性学习提升学生的学科素养和关键能力值得一线物理教师思考.研究性学习的开展离不开研究什么和怎么实施研究以及如何评价的问题,下面将围绕这几个问题进行探讨.

1 高中物理研究性学习的选题

研究性学习的选题非常宽泛,主要是围绕学生感兴趣的问题开展调研、分析和实验等.然而物理课程有其内在的教学内容和素养目标,对学生开展研究性学习的选题存在一定的约束作用.综合性太强的选题不但难以落实,同时也背离了高中课程标准对学生能力和素养的要求.在教学实践中总结出以下两种有效的选题方式.

1.1 充分利用教材中的研究主题

6个版本的高中物理新教材中人教版和沪教版都专门为研究性学习制定了学习模块.人教版高中物理教材每分册均提供两个研究主题,其内容围绕当前所学物理知识的拓展应用或者探究实验展开.例如人教版必修第一册的研究课题是“球形物体空气阻力大小与速率关系的研究”,通过“问题的提出”“实验设计”“实验过程和数据”和“数据处理和结论”4个环节详细展示研究性学习的开展流程和方法.另外提供“橡皮筋弹力与伸长量关系的研究”作为参考选题[3].而沪教版的教材没有提供完整的研究案例,而是提供了丰富的课题选题.除了测量类课题、探究类课题和应用设计课题以外还提供了调研课题和综述课题素材,如“寻找生活中显现统计规律的实例”“合理开发和利用能源的调查”“华人科学家在粒子物理领域的贡献”等[4].沪教版教材在必修和选择性必修共6册教材中提供了30个课题以供学生选择研究.

1.2 聚焦学习生活中的问题展开研究性学习

日常教学中会遇到许多学生感兴趣的问题,但是这些问题又超出了课程内容,此时引导学生展开研究性学习,能够跟课堂教学形成互补,提升能力,形成素养.研究性学习往往起源于问题,并聚焦一个小问题,通过深入研究对学科的学习起到以点带面的作用.通常在教学实践中提出研究性学习主题的方式有以下几种.

(1)习题问题转化为研究问题.学生在学习中遇到下面问题:“某用灯泡工作的电压阈值为2 V,当施加的电压超过阈值时灯泡发光.当在灯泡两端施加峰值为3 V,频率为50 Hz的正弦交变电流时,求灯泡闪烁的频率.”当学生们经过分析得到100 Hz的结论时,课堂上马上有学生提出该情境跟电火花打点计时器的工作原理接近,电压大于某个阈值时电火花打点计时器放电针跟石墨盘间放电并击穿空气打出黑点.然而电火花打点计时器的输入频率为50 Hz,而一个周期内达到电压阈值的次数为2次,故打点的频率应该为100 Hz,这显然跟实际情况是矛盾的.为了解决这个问题,学生开展了题为“电火花打点计时器的电路设计研究”的研究性学习主题,最终绘制出电火花打点计时器的电路图,学生从中学习了变压器、二极管、三极管等电子元件的相关知识,掌握了电路设计的基础知识.

(2)常规实验改进和拓展.测量重力加速度实验中,许多学生测量出的结果都出现严重的偏差.经过分析,发现测量的偏差跟测量器材、操作方案等因素都有关.于是笔者给学生布置了一个特殊作业:使用不同的方案,尽可能精确测量重力加速度.于是便有了“探究西乡中学重力加速度”的小课题,课题的最初目的就是让学生在探究过程中学会尊重实验事实,实事求是,然而学生在探究过程中获得的比预期多得多.

(3)为解决实际问题开展研究.由于深圳市西乡中学高中部建在机场附近,每天受飞机的噪音困扰,于是有学生提出了“探究降低西乡中学飞机噪音的方案”的研究性学习课题.根据防治噪音的3个方面“声源防治”“传播防治”和“受音者防护”进行分析,最后决定结合声子晶体的模型通过传播防治的途径隔断噪音.通过测量飞机噪音的主频,制作匹配的声子晶体模型测试隔音效果.

2 例说研究性学习的开展

研究性学习的一般流程是:提出假设→建立模型→寻找证据→印证或推翻模型→总结及反思,如图1所示.研究性学习的开始是“问题”,这是选题的关键,这里不再赘述.在解决问题时需要提出基本的假设,并在假设的基础上建立物理模型.结合模型能够推演出某些推论,再通过实验或者客观事实寻找证据印证或推翻模型.下面以“探究旋涡的力学模型”为例简述物理研究性学习的开展过程.

图1 研究性学习的一般流程

2.1 提出疑问 明确研究的问题

学生学习了万有引力定律后发现宇宙中的天体运动图像很像水中的旋涡,于是提出疑问:天体旋涡与水中的旋涡是否满足相同动力学规律?根据万有引力定律,天体受万有引力作用,满足受力与距离的二次方成反比,结合圆周运动动力学方程,推导出:越接近旋涡中心,天体的向心加速度越大,线速度越大,角速度也越大.比较水旋涡的受力情况、线速度、角速度和向心加速度,看是否能得到相同的结论?

2.2 提出猜想 建立模型

水旋涡形成的水面形状是锥面,如果只考虑重力和水的支持力,结合水的旋转可以视作圆周运动,很容易就能够联系到锥面上的圆周运动模型.水在锥面的同一个水平面上可以看作是匀速圆周运动.设圆锥母线与水平方向的夹角为θ,模型建立如表1所示.

表1 锥面上的匀速圆周运动模型

2.3 探究实验 寻找证据

水旋涡大致可以分为扰动型旋涡和漏斗型旋涡两种,扰动型旋涡通过搅动,使水面形成稳定的旋涡,例如洗衣机、水流冲击到岸边形成的旋涡等.而漏斗型旋涡则是水从排水口流出时沿侧向的分速度不断放大形成的旋涡,如常见的洗手盆、漏斗等放水时形成的旋涡.

扰动型旋涡:在圆形脸盆中放入清水,把卷尺固定在盆的直径上用于读取小纸片随旋涡圆周运动的半径.用手搅动水,使水面形成旋涡.放入小纸片,观察并记录小纸片圆周运动的半径并用停表记录周期.使用的实验器材、测量方法、实验数据及实验结论如表2所示.

表2 扰动型旋涡模型检验实验及数据处理

从实验中可以明显观察到靠近旋涡中心的纸片转动的角速度大,线速度小,经过计算可以发现不同转动半径的纸片的向心加速度几乎相等,这跟圆锥面上的圆周运动模型是完全吻合的.

表3 漏斗型旋涡实验及数据处理

从实验结果可以发现该实验证据与所建立的模型并不匹配.

经过大量实验发现洗手盆放水时并不是每次都能够形成旋涡,当不形成旋涡时水流是沿着斜面流入排水口的,其力学模型类似于斜面模型,水流应该是匀加速进入排水口的.

2.4 修正模型 分类探讨

通过观察发现水流沿着漏斗状洗手盆下滑时,水流是在加速的.水流沿着锥面上的螺旋线下滑,如果把螺旋线拉直可以把水流看做沿着斜面匀加速下滑,速度越来越快,进而分析角速度和向心加速度.修正的模型如表4所示.

表4 螺旋线加速模型

可见随着纸片顺着旋涡下滑,圆周轨迹的曲率半径减小,物体线速度增大,角速度增大,向心加速度增大.该模型与漏斗型旋涡的观测结果是吻合的.尽管该模型跟天体运动形成的旋涡在线速度、角速度和向心加速度的变化趋势上近似,然而因为其受力原理不同,故满足的力学模型是不同的.

3 展示和评价

研究性学习的评价应侧重过程性评价,对问题、建模、推理论证、质疑、实践、证据、解释、交流等要素需要融合到评价中,如表5所示.研究后需要完成研究报告,并通过研究成果分享会的方式展示.由研究报告、小组评价和教师评价的方式进行综合评价.研究报告结构和内容如图2(a)和(b)所示.

表5 研究性学习研究报告的评价维度

(a) (b)图2 研究性学习报告

每位学生填写一份研究报告,经过自我反思、小组评价并由教师综合考虑评价要素最终给该成员打出成果报告的评价分.

集中3～4个相似的课题组进行集中展示.成员轮流上台介绍研究过程、成果和体会(图3),给每个学生提供合作、反思、表达的机会.最后由其他小组和教师共同对课题研究的“价值”“过程”和“展示”进行评价.

(a)

(b)图3 研究性学习汇报会

4 开展研究性学习的建议

4.1 重视研究性学习的学科属性

研究性学习被定义为一门实践课程,这就赋予了研究性学习综合性、探究性和学习性的属性.然而正是因为综合性,使研究性学习被排除在学科之外.任何一个学科都能参与研究性学习,然而又没有一个学科能够独立开展研究性学习.目前研究性学习的开展都是由其他学科教师兼任,受限于教师自身学科背景的局限,研究性学习的开展困难重重.在没有形成独立课程之前,研究性学习的开展应提倡从单一学科的视角开展.例如从物理学科的角度展开相应的研究,解决实际问题,聚焦培养物理学科素养.让多个学科共同支撑起研究性学习的课程.

4.2 建立基于学科的研究性学习的选题目录

研究性学习侧重于学习,是为学习而进行的研究.研究的选题应该有目的性,不可漫无目的地研究.选题既需要结合教学内容,也需要接近学生的认知和能力水平;既需要依据课标内容凝练出研究的问题,又需要考虑学生的生活体验和兴趣点,激发研究的兴趣.因为每个学段学生的教学内容是相同的,认知和能力水平也接近,因此研究性学习的选题也具有相对稳定性.在实践中可以根据本校的实际情况,选取以一批经过实践检验切实可行的课题,编制研究性学习的选题目录,供学生选择.

4.3 建立研究范例

研究范例指普遍适用于学生开展研究性学习的研究方法和研究路径.研究性学习又区别于正规的课题研究,其研究往往已知结果,并可以重复.在研究中更关注学生的配合、参与,解决问题的决心,以及在过程中体现出的证据意识和科学精神.中学生的研究性学习可以归纳为探究、调研和综述3类,制定相应的研究范例可以规范研究性学习的过程.

4.4 规范的评价形式

研究性学习作为过程性评价的重要内容,起到考试评价无法替代的作用.尤其是对科学态度和责任、科学探究素养的呈现比考试评价更全面、更客观.研究性学习评价的规范性和在学生升学中的作用都有待提高.采用研究报告结合成果分享会的双项评价以及结合“自主反思”“相互评价”和“教师评价”的立体评价方式,更能客观反映学生在研究性学习中的真实表现.

5 总结

研究性学习不仅是高中物理课程内容的一部分,也是落实多元化评价体系建设的重要方式.通过开展研究性学习能够加深学生对物理知识的理解,培养科学思维和方法,还能提高跨学科综合能力,培养科学态度和价值观,激发学生的科学研究兴趣,为学生的终身学习和科学发展打下坚实的基础.研究性学习选题时教师可以通过充分利用教材提供的研究主题和引导学生对学习生活中的问题展开研究来实现.在实施过程中,教师则需要指导学生制定研究框架,充分发挥学生的好奇心和主动性,引导学生进行研究.评价上则需要研制评价标准对学生的研究过程和结果进行评价,提升学生的学科素养和关键能力.