開展物理“微科技”項目的探索實踐

戴加成 凌一洲,2

(1.江蘇省南菁高級中學,江蘇 江陰 214437; 2. 江蘇大學,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

江蘇省南菁高級中學從2013年起開始“微科技”課程的探索實踐,2017年被省教育廳確定為“江蘇省微科技課程基地”.“微科技”課程概念的提出基于中學教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)性地位,本著立足長遠、去除教育功利化的目的,從基礎(chǔ)教育本身的特點出發(fā),探索高中階段培養(yǎng)學生科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的有效途徑.依托基地建設(shè),我校師生做出了開展物理“微科技”項目的探索.

1 物理“微科技”項目的特點

物理“微科技”項目是指“微科技”課程的學生創(chuàng)新實踐項目,它基于學生興趣,貼近學生實際,源于課堂學習,注重創(chuàng)新實踐.與部分中學生依托高校和科研院所實驗資源完成的“高精尖”項目比,“微科技”項目具有小切口、低成本、易開發(fā)等特點(見表1).

表1 物理“微科技”項目的特點

2 物理“微科技”項目的選題來源

物理“微科技”項目的選題緊密圍繞教材,源于自然生成的實際問題,主要有質(zhì)疑現(xiàn)有答案、追蹤異?，F(xiàn)象、自制教具學具、聯(lián)系生活實際等類型.

2.1 質(zhì)疑現(xiàn)有答案

案例1.一道物理試題對教材中的比熱容實驗做了改進:將裝有等質(zhì)量水和煤油的2根試管放入盛有水的燒杯中,用酒精燈水浴加熱,用溫度計分別測量水和煤油的溫度.試題的答案與教材實驗結(jié)果相同,即煤油升溫速度比水快.但凌一洲同學在南菁高中就讀時,覺得實驗條件已經(jīng)發(fā)生了變化,增加了很多不確定因素,因此對答案提出質(zhì)疑.他通過實驗驗證發(fā)現(xiàn),在試題水浴加熱的條件下,導熱系數(shù)對升溫快慢的影響不可忽略,由于水的導熱系數(shù)遠大于煤油的導熱系數(shù),所以實際情況為水升溫比煤油快,標準答案是錯誤的.他將這一發(fā)現(xiàn)撰寫成論文,發(fā)表于《中學物理教學參考》.[1]

其實,不少實驗試題在設(shè)計之初并沒有經(jīng)過實驗驗證,可能會受許多非理想因素的影響,存在錯誤或不足.學生在做這些試題時,可能會產(chǎn)生直覺上的別扭、不對勁,進而對答案提出不同的意見.此時,教師應該鼓勵學生的大膽質(zhì)疑,與學生擦出思維的火花,將有價值的質(zhì)疑轉(zhuǎn)化為具有研究價值的“微科技”項目.

2.2 追蹤異?，F(xiàn)象

案例2.在江蘇省高中物理名師講壇“氣體的等溫變化”一課中,[2]授課教師多次改變注射器容積V,用壓強傳感器測量注射器內(nèi)氣體壓強p,最后用采集的數(shù)據(jù)繪制p-V-1圖像.按照預期,p-V-1圖像應該是一條直線,但實際上,當V-1增大到一定程度時,數(shù)據(jù)點明顯脫離了直線.面對這一異?，F(xiàn)象,教師帶領(lǐng)學生繼續(xù)探究,發(fā)現(xiàn)了裝置中的系統(tǒng)誤差——連接管的容積V0未被計算,并最終將圖像修正為p-(V+V0)-1的圖像.

異?，F(xiàn)象是實驗課上經(jīng)常出現(xiàn)的突發(fā)情況,其原因不一定是實驗者的操作不當,還可能是實驗中存在實驗者未知的規(guī)律,或?qū)嶒灄l件超出了規(guī)律適用的范圍.因此,異?，F(xiàn)象不一定是實驗失敗的標志,而可能是即時生成的項目選題,供師生繼續(xù)追蹤探究.

2.3 自制教具學具

案例3.許多高中物理實驗都涉及物體的運動規(guī)律,浙江省一位高中生受到傳統(tǒng)頻閃攝影和打點計時器的啟發(fā),設(shè)計了一種能夠?qū)崟r呈現(xiàn)物體運動細節(jié)的教(學)具——多功能光影計時裝置.該裝置由紫色頻閃光源、兩個無極調(diào)速滑臺和支架等構(gòu)成,巧妙地將光影留跡應用于運動計時,可以應用于各種運動的定量研究,實驗現(xiàn)象清晰直觀(見圖1,a～e分別為自由落體、平拋運動、簡諧運動、以地面為參考系的飛機投彈、以飛機為參考系的飛機投彈).

圖1 多功能光影計時裝置的應用效果

物理是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科.運動學實驗的核心是記錄物體在各時刻的位置,案例3裝置的設(shè)計者緊緊抓住這個核心,靈活運用所學知識,研究出了記錄物體在各時刻的位置的新方法,并根據(jù)這個新方法設(shè)計了新儀器,不失為“微科技”項目的良好選題.這種教(學)具雖然不能發(fā)現(xiàn)新的物理規(guī)律,但整合了多種傳統(tǒng)儀器的精髓(創(chuàng)造性強),結(jié)構(gòu)和實施方式為首創(chuàng)(新穎性強),能夠很好地演示、驗證某種物理原理(實用性強),因此同樣具有價值.

2.4 應用生活實際

案例4.面對飲用水安全監(jiān)測這一社會熱點問題,福建省一位高中生用激光筆、內(nèi)側(cè)帶鏡面的玻璃小水槽、CCD攝像頭、電腦等制作了新型水質(zhì)監(jiān)測裝置(見圖2),用于家庭實時全面監(jiān)測水質(zhì)污染程度.該裝置的創(chuàng)新點之一是運用了微小放大法,沒有直接測量光束在水中的折射角,而是先讓光束在水槽內(nèi)壁鏡面進行9次全反射再測量,以此把精度提高到1%.該裝置獲得了全國青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎.

圖2 新型水質(zhì)監(jiān)測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

如今,越來越多高中生開始嘗試生活題材的低成本發(fā)明創(chuàng)造,此時物理“微科技”項目可以為學生建立起理論與實際、物理與生活的橋梁.在發(fā)明創(chuàng)造的過程中巧妙地應用課堂所學的物理思想和物理原理,能很大程度地提高作品的科學性和技術(shù)含量.

3 物理“微科技”項目的開展

物理“微科技”項目的開展分為立項(分析論證)、實施(設(shè)計探究)、總結(jié)(產(chǎn)生成果)等3個階段,采用學生自主實踐與教師有效指導相結(jié)合的方式進行,教師充當項目實施的參與者和促進者.

在項目立項階段,教師要鼓勵學生圍繞教材所學內(nèi)容提出感興趣的問題,引導學生將問題進一步構(gòu)思形成選題,并根據(jù)自己的經(jīng)驗指導學生進行分析論證,主要包括:項目選題是否空洞、所需時間是否過長、所需材料成本是否過高、所需知識是否過深、項目預期成果是否有價值等.

在項目實施階段,教師要指導學生盡可能地使用所學知識解決問題,盡可能地用身邊已有的材料滿足實驗或制作的要求,使物理知識情境化,轉(zhuǎn)化為學生的能力.同時,對于動態(tài)生成的各種問題,教師要引導學生進行組內(nèi)和組間討論,吸納建議,不斷完善.[3]此外,要加強對學生學術(shù)道德的監(jiān)督,及時指出選擇性忽視不利數(shù)據(jù)等常見問題.

在項目總結(jié)階段,教師要促進學生反思、感悟,使項目成果內(nèi)化為素養(yǎng).要指導學生選擇合適的方式呈現(xiàn)項目成果,除了撰寫研究報告外,還有發(fā)表論文、申請專利、參加科技競賽等.對于有繼續(xù)研究潛力的項目,教師要幫助進一步深化主題、明確方向.

除了上述共性外,不同選題的項目在開展時的重點也各不相同(見表2),應該得到個性化的實施.

表2 不同選題的項目在各階段的重點

續(xù)表

4 物理“微科技”項目的育人作用

在開展“微科技”項目的過程中,學生通過思考、實踐和總結(jié),提煉和提升原有的物理概念和物理規(guī)律,“物理觀念”素養(yǎng)得到培育.學生基于事實證據(jù)進行推理假設(shè),總結(jié)不同物理現(xiàn)象中的內(nèi)在聯(lián)系,對已有答案提出大膽質(zhì)疑,“科學思維”素養(yǎng)得到培育.學生自主提出項目選題,設(shè)計實驗驗證,尋找證據(jù)解釋現(xiàn)象,進行組間組內(nèi)的交流討論,“科學探究”素養(yǎng)得到培育.學生以認真嚴謹?shù)膽B(tài)度對待實驗,將物理原理、物理思想靈活應用于生活實際,“科學態(tài)度與責任”素養(yǎng)得到培育.