運用趣味物理培養(yǎng)中學(xué)生物理素養(yǎng)

王小鳳　黃晨陽　孫瑾　陳孝鏇　霍增懿

基金項目：

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目 （201813843006Y）。

摘 要

實踐能力與科技的創(chuàng)新關(guān)系密切。如何盡可能提升學(xué)生對物理的興趣，有效地開發(fā)學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生在實驗中的觀察能力和實踐能力，是在課外開設(shè)趣味物理實驗的關(guān)鍵，也是未來科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)。本文結(jié)合筆者制作的趣味物理實驗儀器和開展的中學(xué)生物理活動，探討了如何運用趣味物理實驗來培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞

趣味物理;物理素養(yǎng);實踐能力;創(chuàng)新

中圖分類號： O4-4文獻標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.001

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運動規(guī)律及其所使用的實驗手段和思維方法的自然科學(xué)。在物理學(xué)的教學(xué)過程中，教師都會通過視頻中的實驗演示或者自己做實驗演示來加深學(xué)生對實驗現(xiàn)象和實驗原理的認(rèn)識和理解，可是俗話說，百聞不如一見，百見不如一干，實踐才能出真知，而課堂時間和器材的限制都導(dǎo)致了學(xué)生的動手機會較少，以至于其實踐能力得不到提高。

這樣的困擾伴隨了教師與學(xué)生許多年，教師迫于班級升學(xué)率的壓力，以至于沒有辦法寓教于樂;學(xué)生迫于分?jǐn)?shù)的壓力，只能死板地跟隨教師學(xué)硬知識。好在國家教育部一直在教育方面做著合理的改進，認(rèn)為教育應(yīng)當(dāng)對學(xué)生的各方面發(fā)展負(fù)責(zé)，而不僅僅是學(xué)習(xí)知識。因此，教育部頒布了《普通高中課程方案和各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，而其中對物理學(xué)科的核心素養(yǎng)進行了精確的定義，以物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任四個方面進行了水平劃分。使得物理學(xué)科方面的教學(xué)要求更加綜合、全面、具體。

所以筆者認(rèn)為在課外開展趣味物理實驗以提升學(xué)生的實踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)是一條切實可行的路徑，它對激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力往往能起到事半功倍的效果。

1 趣味物理理念下的物理素養(yǎng)

心理學(xué)表明，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)習(xí)活動中最現(xiàn)實最活躍的心理成分，它是非智力因素中最主要的一個因素，它是調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的強大動力。只有讓學(xué)生對物理這門學(xué)科有一個好的興趣基礎(chǔ)，才能使學(xué)生在物理學(xué)習(xí)的過程中進一步加深對物理知識的理解和掌握。趣味物理中最基本的理念正是如此。

中學(xué)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括：①形成物理基本觀念;②掌握科學(xué)探究方法;③形成良好科學(xué)思維;④培養(yǎng)正確科學(xué)態(tài)度。而這些核心能力也正是趣味物理所培養(yǎng)的。筆者認(rèn)為，成立趣味物理實驗的創(chuàng)新實驗小組，對初中生開展趣味物理實驗活動，將趣味物理理念應(yīng)用到物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)中，有以下幾點要素。

1.1 情境轉(zhuǎn)化——將抽象的物理知識轉(zhuǎn)化為具體的趣味研究

基于物理素養(yǎng)的趣味物理理念下的情境轉(zhuǎn)化主要包括兩方面：1）生活中有很多有趣的具有物理意義的情境，學(xué)生被引導(dǎo)通過抽象的物理知識發(fā)現(xiàn)生活中的這些奧秘。2）將生活中的實際情境轉(zhuǎn)變成趣味物理模型，運用物理知識分析、解釋從而學(xué)會應(yīng)用。

從學(xué)生心理角度看，因為有趣，學(xué)生的思維也會因此變得發(fā)散，這使得學(xué)生能夠更好地根據(jù)具體需求，靈活考慮問題。

1.2 實際體驗——學(xué)生親自感受趣味物理實驗

活動器材取材于生活，這使得學(xué)生感到更為親切，從而可以提高學(xué)生對物理學(xué)習(xí)的積極性。畢竟，實驗教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是全面提高學(xué)生素養(yǎng)的重要途徑。

讓學(xué)生體驗趣味物理實驗不僅僅是做趣味物理實驗演示給學(xué)生看，還會讓學(xué)生利用生活中常見的物品自己動手操作實踐，做出有趣的物理實驗。在活動中，學(xué)生最直接的收獲便是體驗了自己做實驗的樂趣，而更深層次的是體驗了物理概念和規(guī)律的形成。

1.3 科學(xué)態(tài)度——責(zé)任感

要使學(xué)生認(rèn)識到科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境之間的關(guān)系，形成嚴(yán)謹(jǐn)，實事求是的科學(xué)態(tài)度。還要培養(yǎng)學(xué)生保護環(huán)境、節(jié)約資源、從而促進可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。大部分趣味物理實驗恰恰就可以做到這一點。因為趣味物理實驗的創(chuàng)新實驗小組正是秉承著“節(jié)約、環(huán)保”的意識利用身邊的廢舊物品制作簡單的物理模型來證明一些物理原理的。

當(dāng)然，不只是這樣。通過一些物理與其他學(xué)科的組合實驗也會引導(dǎo)學(xué)生意識到物理與其他學(xué)科的緊密聯(lián)系，使責(zé)任感上升到學(xué)科的價值導(dǎo)向。

2 基于趣味物理的核心素養(yǎng)培養(yǎng)實踐案例

2.1 聽話的小球

丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”，其實質(zhì)是流體的機械能守恒。其最為著名的推論為：等高流動時，流速大，壓力就小。在生活中，伯努利原理應(yīng)用廣泛，飛機、噴霧器、乒乓球的上旋球以及足球運動中的旋轉(zhuǎn)球都是利用它實現(xiàn)的。中學(xué)生往往對其只知其然而不知所以然，本實驗利用小球在方形管中的循環(huán)運動讓學(xué)生直觀感受伯努利原理的實現(xiàn)，從而增強學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的興趣，豐富其對于物理知識以及物理學(xué)科在生活中的作用的認(rèn)識與理解，保持和增強學(xué)生對生活中物理現(xiàn)象的好奇心和探究欲。

2.1.1 實驗設(shè)計思路及原理的理解

設(shè)計思路：首先運用簡單的工具進行試探性的實驗，并總結(jié)經(jīng)驗。然后購買相對專業(yè)的器材，不斷實驗，做出最完善的實驗器材以供展覽參觀。最后，通過展示實驗，接收學(xué)生反饋，對實驗進行適應(yīng)教學(xué)的改善。

實驗原理：當(dāng)小球被吹到出口處時，會因為伯努利原理被壓回到管道內(nèi)，于是小球就這樣循環(huán)往復(fù)的再管道內(nèi)運動了。

2.1.2 設(shè)計模型的理解

本實驗裝置較為簡單，b為入風(fēng)口，穩(wěn)定的風(fēng)從b處垂直進入管道，從a出均勻散出，此時左側(cè)下管中空氣在b-a的氣流帶動下，產(chǎn)生如圖所示方向的氣流。若將一小球放入管中，因為氣流均勻從a口散出，氣流在小球底部分布均勻，產(chǎn)生小于小球上方空氣的氣壓，在上方氣壓的擠壓下，加上自身重力，盡管b-a中氣流很大，但是小球依然于a口處懸浮。又知c口處在b-a方向的風(fēng)的作用下產(chǎn)生了微小的氣流且不斷沿c口向館內(nèi)流動，使得管內(nèi)氣壓小于小球上方氣壓，打破小球上下氣壓的平衡，小球從c口被吸入管中，并沿c-b-a不斷循環(huán)。通俗來說：向ab管吹進空氣。如果管的切面小，空氣的速度就大;而在切面大的地方，空氣的速度就小。在速度大的地方壓力小，速度小的地方壓力大。

圖 1

2.1.3 物理模型的關(guān)鍵點

關(guān)鍵點1： 輸入氣流應(yīng)是持續(xù)均勻的

在本實驗中，a-b管中的氣流應(yīng)該分布均勻，這樣才能使小球在a口時下方氣流均勻散出，小球漂浮在a口以便從c口進入管口。

關(guān)鍵點2 ：輸入氣流應(yīng)該足夠大

此處從兩個方面考慮①小球自身質(zhì)量。a-b管中氣流應(yīng)足夠推動小球從b運動到a，并飛出a口。②管內(nèi)氣流的運動。即b-a的氣流應(yīng)足夠大，從而帶動c-b的氣流，以達到從c吸入小球的目的。

關(guān)鍵點3 ：管的內(nèi)壁光滑，各個拐角是平滑的曲線。

本實驗動力為氣流的推力以及重力（僅在與ab對稱一段），在上水平管中和下水平管中，小球都要予以下管壁壓力，若水平管較為光滑，則水平方向微弱氣流可以帶動小球運動，同理，下端口拐角需為平滑的曲線。

關(guān)鍵點4 ： 小球的直徑質(zhì)量問題

①小球自身質(zhì)量不宜過大或者過小，考慮到非精密儀器風(fēng)的大小不可細(xì)調(diào)的問題，小球質(zhì)量過大則無法吹起或循環(huán)的周期時于長（主要為在上、下兩個平管運動時間過長），而小球質(zhì)量者過小則極易被吹飛出a管管口.經(jīng)過綜合實驗后，發(fā)地使用硬管塑料球殼效效果最佳。

②小球的直徑應(yīng)適當(dāng)，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，小球直語小于管口1/2時小球直接從a管口飛出的概率要遠大于完成循環(huán)的概率，這點應(yīng)與小球在下水平管運動后碰撞b管壁后的位置及速度有關(guān)，在當(dāng)前實驗條件下較難控制。小球的直徑若大于4/5則會直接飛出管口，此應(yīng)為所留縫隙較小造成空氣擠壓以及狹縫效應(yīng)影響了實驗結(jié)案。最后，我們選用了管直徑為管口2/3的小球.成功率高且較為美觀.

2.1.4 實驗創(chuàng)新

①因為限所用的鼓風(fēng)機較風(fēng)口較大，我們使用硬紙板、膠帶紙將b風(fēng)口與鼓風(fēng)機接連在一起，發(fā)現(xiàn)效果不是很理想。聯(lián)系到上述風(fēng)不夠集中的問題，我們使用橡皮泥塞住b風(fēng)口而只留一小點通風(fēng)口之后發(fā)現(xiàn)可以使小球在a口懸停的幾率大大增加。經(jīng)實驗，在我們所用的實驗設(shè)備中，通風(fēng)口半徑為管口半徑的1/2效果最佳。

②注意到小球先會在a管口懸停而后才會被吸入到c管管口。因為小球并不能恰好在a管的中心軸運動，而是在中心軸附近來回碰撞管壁，這樣在a管口懸停時小球極易從管口掉落（做平拋運動飛出）。我們模仿資料視頻中用鐵絲網(wǎng)做出口后發(fā)現(xiàn)效果不是很理想（主要為無法做到保證美觀的同時在教學(xué)中不影響對學(xué)生的啟發(fā)性，即不給參觀學(xué)生留有太大的疑問）。經(jīng)過嘗試，我們發(fā)現(xiàn)使用大一號的塑料管套在管口，效果更加，小球在運動到a時會打轉(zhuǎn)后被吸入c口。

3 在物理素養(yǎng)培養(yǎng)中正確運用趣味物理實驗科普

趣味物理實驗中魔術(shù)般的展現(xiàn)能讓學(xué)生在感受樂趣的過程中學(xué)到知識，在自己制作實驗的體驗探究過程中體驗醍醐灌頂和恍然大悟的喜悅。因此，課余生活中，科學(xué)的趣味物理實驗有利于對學(xué)生物理素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而有利于學(xué)生未來的發(fā)展。

3.1 在趣味的基礎(chǔ)上構(gòu)建比賽機制

可以讓學(xué)生在熟悉了一些趣味物理實驗之后，開展實驗改進比賽，比比誰能把實驗裝置改進得更加簡便或者更加精確而沒有破綻。

比賽應(yīng)以促進學(xué)生物理素養(yǎng)的提升和實驗探究能力的提高為目的。圍繞“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科核心素養(yǎng)，建立合理的比賽判定機制盡可能對每一位學(xué)生所改進的實驗裝置全面的考量;也增加讓學(xué)生之間互相評論的環(huán)節(jié)，使學(xué)生充分了解自己實驗裝置模型的優(yōu)缺點。

3.2 推陳出新

學(xué)生畢竟還是孩子，興趣會直接影響學(xué)習(xí)效果，新鮮的事物才能更好地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

每次趣味物理實驗活動時，一定要根據(jù)大部分學(xué)生的興趣走向，帶一些之前學(xué)生沒見過的趣味物理實驗，靈活調(diào)整實驗儀器的外觀，以便發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生始終處于積極踴躍的精神狀態(tài)，輕松愉快地在實驗中學(xué)習(xí)物理知識。

4 結(jié)語

趣味物理實驗對培養(yǎng)中學(xué)生物理素養(yǎng)有著很關(guān)鍵的作用，它不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能鍛煉學(xué)生的實驗探究能力。它讓學(xué)生懂得“勤儉節(jié)約”的美德，意識到生活與物理的密切聯(lián)系，使學(xué)生今后可以對物理更加感興趣。

現(xiàn)如今，物理學(xué)科在應(yīng)試中變得越來越必不可少，可見物理學(xué)科的重要。所以，讓趣味物理實驗普及到各個中小學(xué)校，讓全民都愛上物理是筆者對未來的憧憬與展望。

參考文獻

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