中學物理創新實踐型開放作業的開發與設計研究

馮新娥

(南京師范大學教師教育學院 江蘇 南京 210046)

1 研究背景

《義務教育物理課程標準》提出了“從生活走向物理，從物理走向生活”的課程基本理念：貼近學生生活，符合學生認知特點，激發并保持學生的學習興趣，讓學生通過學習和探索掌握物理學的基礎知識與基本技能，并能將其運用于實踐，為以后的學習、生活和工作打下基礎.然而，現階段物理實踐教學中，部分教育工作者仍然采用傳統“填鴨式”的教學方式，忽略對學生創新實踐能力的培養.傳統的作業也是千篇一律，學生在做作業的過程中完全失去了主動性.在枯燥乏味的學習環境下，學生對物理的學習興趣不斷下降，甚至部分學生在初中便出現厭倦和畏懼心理.創新實踐型開放作業不再是物理公式和概念規律的死記硬背，而是將課外作業與創意小制作、小發明等學生感興趣的活動聯系起來，學生在親自動手實踐的過程中，切身體驗物理的妙趣，也有助于學生更加透徹地理解學過的知識，從而內化習得的物理知識.開放性作業變以往的單調、枯燥、乏味為生動、活潑、有趣，同時激發學生的興趣，將能力的培養與有趣的活動結合起來，優化學生的作業過程，使學生能主動去體驗、實踐、參與、合作與交流[2].

2 創新實踐型開放作業的優勢

2.1 創新性

創新是一個國家進步的靈魂，黨的十九大也提出“加快創新型國家的建設”，新時代下創新型國家的建設離不開創新型人才的培養.然而，傳統作業千篇一律，題目答案固定，解題步驟機械化，在一定程度上限制了學生創新思維的發展.開放性作業給學生開辟了創新的新途徑，學生可以將自己的想法和創意在作業中充分體現，由于學生自身的個體差異，導致在開放性作業中，每個學生作業的呈現效果也會有所不同，從而有助于促進學生個性化的發展，在動手實踐中激發學生的創新精神.

2.2 實踐性

物理來源于生活，又應用于社會生活.物理課程作業的設計應體現實踐性，不應該只是物理習題解題技巧的訓練，更要注重培養學生運用物理知識解決生活實際問題的能力.創新實踐型開放作業可以讓學生切實感受到生活中處處有物理，幫助學生養成關注身邊物理現象，用物理學的眼光看世界，善于從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的物理素養，真正踐行“從生活走向物理，從物理走向社會”的課標理念，創新實踐型開放作業也在一定程度上彌補了傳統課外作業重理論輕實踐帶來的弊端.

2.3 合作性

俗話說“同心山成玉，協力土變金”.當今社會的競爭日趨激烈，各種知識、技術不斷推陳出新，社會需求也越來越多樣化，單靠一己之力很難完全處理各種錯綜復雜的問題.而傳統教學過多地強調學生獨立完成作業，從而導致部分學生缺少團隊合作精神.創新實踐型開放作業為學生提供了一個合作探究活動的良好氛圍，讓學生在思維的相互碰撞中產生更多的創造靈感.讓學生學會主動與他人合作，尊重他人的觀點意見，幫助學生樹立團隊合作意識，增強團隊合作能力，更好地適應將來社會的發展和需求.

3 創新實踐型開放作業的開發與設計實例

實例1：U型紙多米諾

所需材料：大小相同的方形彩紙若干.

制作步驟：

(1)如圖1(a)所示，先將方形紙沿著虛線①對折找到其中線后展開.再對折方形紙左半部，找到左半部的中線②后展開左半部，然后沿著虛線③和④折疊.再沿著虛線⑤對折方形紙右半部，折疊后的效果如圖1(b)所示.

(2)如圖1(c)所示，在圖1(b)的基礎上，沿著虛線⑥和⑦折疊方形紙右半部，折疊后的效果如圖1(d)所示.

圖1 U型紙的折疊步驟

最后調整U型紙的三邊，使左右兩側與底邊成垂直狀態，如圖2(a)所示.將U型紙豎直放置，如圖2(b)所示.先實現一個U型紙的翻滾，然后嘗試實現多個U型紙的連續翻滾，實現U型紙的多米諾效應.

成品示例：

折疊成的U型紙如圖2所示.

圖2 U型紙成品

問題設置：

(1)若放置恰當，輕輕一推便能實現一個U型紙的翻滾.你是如何擺放U型紙的？是4層紙的一側在上部？還是雙層紙的一側在上部？請結合重心知識說說如此擺放的理由.

(2)你成功實現了多少個U型紙的連續翻滾？請從能量轉化的角度解釋U型紙多米諾效應(空氣阻力忽略不計).

物理原理解析：

由物理知識可知，物體的重心位置與物體的穩定性有著緊密的聯系：一個物體的重心越低或者支撐面越大，它就越穩定；反過來，重心越高或者支撐面越小，它就越不穩定.要實現一個U型紙的翻滾，需要將4層紙的一側置于上部，雙層紙的一側置于底部，且豎直擺放在地面上，這樣擺放時，會使U型紙的重心偏高穩定性降低，從而輕輕一推就能實現U型紙的翻滾.U型紙多米諾效應的物理原理是(空氣阻力忽略不計)：U型紙豎著時，如圖2(b)所示，重心較高，倒下時重心下降，在倒下過程中，第一個U型紙將其重力勢能轉化成動能，倒在第二個U型紙上，第一個U型紙的動能就轉移到第二個U型紙上，第二個U型紙將第一個U型紙轉移來的動能和自己倒下過程中本身具有的重力勢能轉化來的動能之和，再傳到第三個U型紙上……所以，理論上，每個U型紙倒下的時候，具有的動能都比前一個U型紙大，速度一個比一個快，也就是說依次推倒的能量一個比一個大.

實例2：手機投影儀

所需材料：紙板，凸透鏡，美工刀，膠水，黑色彩筆.

制作步驟：

(1)用紙板做個無蓋的長方體形狀的盒子，并且內部用黑色彩筆全部涂黑(也可直接用鞋盒和黑膠帶).

(2)然后用美工刀在盒子一端裁出適合凸透鏡大小的洞，并用膠水將凸透鏡粘在洞口處.

(3)用紙板做個手機支架，同樣也要涂黑，放置在盒子里的適當位置.

(4)最后再制作一個盒子的蓋子，蓋子內部涂黑.

將手機倒置放在手機支架上，調整手機到凸透鏡為合適距離，蓋上盒蓋，最好往全黑房間的墻壁上進行投影，實現手機投影儀的投影功能.

成品示例：

制作的手機投影儀如圖3所示.

圖3 手機投影儀

問題設置：

(1)在制作手機投影儀時，方形盒的內部為什么要全部涂成黑色？如果不涂成黑色，將會怎么樣？

(2)凸透鏡成像規律的內容是什么？請結合凸透鏡成像規律解釋手機投影儀的具體成像原理.

(3)如果想要實現更好的成像效果可以采取什么措施？

物理原理解析：

如圖3所示是個手機投影儀，其投影原理如圖4所示.主要是利用了凸透鏡成像規律，當物體放在凸透鏡1倍焦距到2倍焦距之間時，在凸透鏡另一側成倒立放大的實像.將方形盒內部全部涂成黑色，是為了有效防止光從盒子里擴散出去，使更多的光能夠透過凸透鏡成較亮的像.除此之外，還可以通過增大投影儀與屏幕的距離，縮小凸透鏡與手機的距離實現在屏幕上成更大的像.

圖4 手機投影儀原理

實例3：電磁小火車

所需材料：兩塊強力磁鐵(銣磁鐵)，一塊電池和直徑約1 mm的全裸銅絲若干.

制作步驟：

(1)將銅絲在圓形木棒上繞成密集的銅線圈，確保銅線圈內徑比電池直徑略大一點，電磁小火車的單線圈軌道就制作完成了.

(2)然后在電池正負極各連上一塊強力磁鐵，并且需要保證兩塊磁鐵同極相對，這樣“小火車”就制作好了.

(3)將小火車從軌道一端全部推入，小火車便能自行穿過單線圈軌道.

體驗完單線圈軌道之后，可以繼續嘗試制作雙線圈軌道.再利用銅絲繞制一個軌道，保證兩個銅線圈軌道的繞向相同，然后將兩個相同繞向的銅線圈軌道并列固定在一起制成雙線圈軌道，將小火車放在雙線圈軌道的一端，不用給小火車施加推力便能自行在雙軌道上運動.還可以嘗試將雙軌道和單軌道組合在一起，加長或者彎曲軌道，組成各式各樣的小火車軌道.

成品示例：

自制小火車軌道如圖5所示.

圖5 小火車軌道

問題設置：

(1)要想讓小火車在單軌道運動，必須要將小火車全部塞進軌道，這是為什么？小火車能夠自行在銅線圈單軌道里運動的原因是什么？請結合所學的安培定則并借助示意圖加以具體解釋.

(2)雙線圈軌道與單線圈軌道相比有哪些優點？如果想要讓小火車運動的更快可以采取哪些改進措施？

物理原理解析：

如圖5中的火車軌道是由3個單線圈軌道和3個雙線圈軌道組合而成.將小火車放在雙線圈軌道上，開始可以在小火車一端放置絕緣紙片，扯出紙片，小火車就能自行在軌道上運動，其原理主要是運用了安培定則.以單線圈軌道為例解釋其原理，如圖6所示.

圖6 電磁小火車原理

小火車是由兩塊強力磁鐵與一節干電池組成，兩塊強磁鐵由于磁力作用分別吸附在電池的陰極和陽極.注意兩塊強力磁鐵的同性磁極相對吸附在電池上.小火車經過銅線圈軌道時，電池兩端的強力磁鐵與裸銅線圈形成回路，則銅線圈中產生電流，小火車必須要全部進入單線圈軌道才能形成閉合回路.通電銅線圈產生的磁場與條形磁鐵相似，可通過右手螺旋定則(安培定則)判斷其產生的磁場方向.根據“同性相斥，異性相吸”原理，通電線圈N極對小火車頭部的強力磁鐵S極有吸引力，通電線圈S極對小火車尾部的強力磁鐵S極有排斥力，小火車在前方吸引力和后方排斥力的共同作用下向前運動.雙線圈軌道的原理與此相同，雙軌道相比于單軌道相當于多了個磁鐵與小火車作用，將小火車放置在雙軌道上立刻就能與銅線圈形成兩個閉合回路，其本質都是運用了電生磁，然后小火車在磁力的作用下向前運動.要想讓小火車運動的更快，可以通過增加并列軌道的個數，使用導電率更好的材料制作軌道，或者采用更高電壓的電池和磁性更強的磁鐵制作小火車.

4 創新實踐型開放作業的開發與設計原則

4.1 趣味性原則

興趣是最好的老師，有趣的作業活動設計能大大提高學生的學習積極性和探索欲望.當前傳統作業因其內容普遍單調和枯燥，形式單一乏味，很難使學生積極主動地完成作業，學習效率也大打折扣.所以，作業的設計應該要具有一定的趣味性.

4.2 活動性原則

傳統作業為了鍛煉學生的解題能力和解題技巧，往往采取“題海戰術”，不僅加重了學生的作業負擔，還會使學生產生厭惡心理和消極情緒.創新實踐型開放作業將創新實踐型活動與課外作業有效融合，讓學生通過活動的形式對所學知識進行加工，制作成各種小作品.這種活動作業不再只是枯燥、單調、乏味的書面計算，而是較為輕松的實踐活動.讓學生在動手實踐活動中感受物理的魅力，制作出作品時的成就感也能為學生學習物理提供源源不斷的動力.

5 結束語

開放性的物理作業有別于傳統的物理作業，提倡學生通過主動的探究去領會物理知識，從生活實踐中領悟物理規律，使學生能更好地理解和應用物理知識與規律[3].創新實踐型開放作業給學生開辟了創新的新途徑，在動手實踐活動中激發學生的創新精神，培養學生的動手實踐能力，促進學生個性化發展.在探究活動氛圍中培養學生的合作意識，提升合作能力.教師在進行創新實踐型開放作業的開發與設計時，也要注意遵循趣味性原則和活動性原則，設計出更加優化的創新實踐型開放作業.