指向關鍵能力的初中物理綜合實踐活動開發(fā)與實施
——以“制作太陽能動力小車”為例

程建軍 申 潔

（蘇州市振華中學校，江蘇 蘇州 215006）

物理學科關鍵能力是指在應對現(xiàn)實情境時表現(xiàn)為解決問題的能力，是在經(jīng)歷學科學習的過程中逐步形成的，屬于適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備能力.[1]江蘇義務教育學科核心素養(yǎng)與關鍵能力研究項目組于2018年出版的《義務教育學科核心素養(yǎng)·關鍵能力測評與教學（初中物理）》構建了初中物理核心素養(yǎng)和關鍵能力的框架，包含概括理解、實驗探究、實踐應用和求實創(chuàng)新4個方面，并細化了初中物理學科中的關鍵能力，同時制定了各個關鍵能力表現(xiàn)水平的描述量表.

綜合實踐活動是蘇科版初中物理教材的特色內容，通過關注社會、生活和科技，以物理知識和原理為主，同時綜合其它學科，促使學生經(jīng)歷較為完整的探究過程，獲得開放性的技術訓練，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，提高學生的實踐能力，提升學生的科技素養(yǎng).[2]因此，在初中物理教學中有效開展綜合實踐活動，是促進學生學科核心素養(yǎng)和關鍵能力發(fā)展的重要途徑之一.

本文以初中物理能量相關知識為背景，設計一個“制作太陽能動力小車”為主題的綜合實踐活動，通過開展“做中學”、“學中創(chuàng)”的項目化學習，并運用設計思維引導學生將創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實作品，探尋綜合實踐活動的有效實施路徑，培養(yǎng)和提升學生的關鍵能力.

能量相關知識是初中物理教學的重難點內容，與物質、運動與相互作用兩部分內容密切相關，與很多學科有關聯(lián)，和生產(chǎn)、生活息息相關.這部分內容對于學生形成可持續(xù)發(fā)展的意識以及進一步學習其他科學技術，都是十分重要的.為此，筆者開發(fā)了“制作太陽能動力小車”的綜合實踐活動，以確定主題、實驗探究、作品設計、動手制作、展示評價和拓展延伸為實施路徑開展項目活動，在實踐中提升學生的關鍵能力.

1 確定活動主題與實驗探究階段——培養(yǎng)實驗探究能力

能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已成為人類當下面臨的重大問題，新能源利用迫在眉睫.有人預測到2050年有望實現(xiàn)可再生能源供電全球，其中太陽能將占7成.太陽能利用將是破解能源危機及環(huán)境問題的有效途徑之一.因此，通過播放太陽能飛機、輪船、汽車和月球車等視頻，啟發(fā)學生對太陽能提供動力的認識，明確本次活動的主題：設計制作一個太陽能動力小車，比一比哪個動力最足，誰設計的小車最具有創(chuàng)意.

對太陽能電池的認識是本次活動的主要任務之一，教師可以簡要介紹太陽能電池是如何將光能轉化為電能的，然后組織學生開展如何讓太陽能電池產(chǎn)生更多的電能的探究性活動（如圖1），告知學生通過測量開路電壓和短路電流來衡量太陽能電池的性能.引發(fā)學生對太陽能電池電壓和電流大小影響因素進行猜想，學生很快會想到光照強度、光照面積、光照角度等影響因素.教師再利用數(shù)字化光線傳感器測量光線垂直入射在一塊太陽能電池時，光源到太陽能電池板不同距離的光照強度，使學生對光照強度有直觀的認識，而探究活動中只要改變光源到太陽能電池板的距離就可以改變光照強度.具體實驗探究過程如下.

圖1 學生分組探究

實驗以家用“220 V 275 W”浴霸燈作為光源，用萬用表分別按圖2（A）和圖2（B）接線，首先按測量光照強度時的距離值，分別測量開路電壓值和短路電流值；然后控制距離相等光線垂直入射到太陽能電池，測量不同面積時開路電壓值和短路電流值；最后控制距離相等和光照面積相等，改變光照角度，測量開路電壓值和短路電流值，如表1、表2、表3是其中一組學生測量的數(shù)據(jù)記錄.

圖2 測量太陽能電池的開路電壓、短路電流示意圖

表1 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照強度變化關系

表2 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照面積變化關系

表3 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光照角度變化關系

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的比較與分析，學生很容易得出太陽能電池產(chǎn)生的電能與光照強度、面積、角度都有關，為后面太陽能動力小車的設計做好準備.

該階段明確了活動的主題，圍繞主題開展太陽能電池的探究活動，通過實驗解決了制作太陽能動力小車的供電問題，學生經(jīng)歷探究過程、分析探究結果、內化探究方法和體驗探究的愉悅，在解決問題的同時提升了實驗探究能力.

2 作品設計階段——培養(yǎng)觀察與建模能力

作品設計階段是作品制作之前不可缺少的過程，小組成員通過頭腦風暴，將眾多想法匯集，提升形成具體的認識，進而建構模型，設計出作品的圖紙.如關于小車動力系統(tǒng)問題，針對前面的實驗探究發(fā)現(xiàn)太陽能電池輸出的電流比較小，怎樣提高小車的動力？有的同學建議選擇面積大的太陽能電池，有的想到將太陽能電池并聯(lián)起來，還有同學通過觀察齒輪傳動裝置，是否可以利用杠桿原理增大動力，方法如圖3（a）和圖3（b），將齒輪傳動建構看成所學的杠桿模型.根據(jù)杠桿原理可得F1·d=F2·r，F(xiàn)3·R=F4·d，（r為小齒輪的半徑，R為大齒輪的半徑，d為齒輪軸的半徑且相等，F(xiàn)2與F3是相互作用力）可以推導出F4：F1=R：r，從而將電動機提供的動力F1增大為小車輸出的動力F4.這些想法匯集起來后，就有效解決了太陽能動力小車的動力系統(tǒng)問題.

圖3

還有小車電路設計、結構設計、外形設計、輪胎選擇都離不開生活中的觀察和物理模型的建構，學生通過觀察，從物理現(xiàn)象中獲取有用的信息，并與相關知識建立聯(lián)系，構建出恰當?shù)奈锢砟Ｐ停Ｄ芰Φ玫搅擞行в柧毢吞岣?

3 作品制作、測試與優(yōu)化階段——培養(yǎng)動手實踐能力

作品制作是學生根據(jù)小組的設計方案，選擇合適的材料和工具，動手操作將自己的創(chuàng)意或方案付諸現(xiàn)實，最后轉化成物品或作品的過程.太陽能動力小車制作過程會涉及到小車結構搭建、動力系統(tǒng)安裝、輪胎選擇、電路連接等步驟，為了活動順利進行，教師提供了一些必要的材料給各活動小組，如太陽能電池、電動機、齒輪、車軸、雪糕棒、導線等，小組也可以根據(jù)自己設計的需求從生活物品中選擇合適的材料進行制作，鼓勵他們將所學的能量、力學和電學知識應用到小車制作當中.

作品制作后要進行測試與優(yōu)化，作品測試優(yōu)化是指通過評估、測試對作品出現(xiàn)的問題進行調整，經(jīng)過反復檢測調試，不斷優(yōu)化作品.因此，這個階段要給學生充分的時間和空間，學生可以利用課余時間在家里或者學校創(chuàng)客空間進行作品的制作，教師適時給與指導和鼓勵，反復改進，完成產(chǎn)品原型（圖4為學生制作的小車原型）.學生在材料選擇、工具使用、動手制作和產(chǎn)品測試中鍛煉了動手實踐能力.

圖4 學生制作的小車原型

4 活動交流與評價階段——培養(yǎng)反思與評價能力

各小組完成太陽能動力小車設計和制作后，便進入活動交流與評價階段，各小組通過海報、PPT或短視頻方式分享自己的創(chuàng)意、設計方案、實現(xiàn)過程、遇到的困難和解決辦法（如圖5）.小組間可以互相提問，獲得作品優(yōu)化的建議.同時組織一場太陽能動力小車拉力大賽，用太陽能車牽引載重車廂，在車廂里裝入石塊、鐵塊等物體以增加配重，比一比哪個小組的小車能夠牽引的載重車質量最大，以此測試小車的動力大小.在天氣晴朗條件下，也可以組織學生到廣場上進行一次太陽能小車賽車比賽，測量小車在陽光照射下行駛20 m所用的時間來比較各小組小車的性能.分享和比賽結束后，以小組自評、互評及教師評價等方式，對小組活動的綜合情況，如太陽能動力小車設計、性能、外觀以及器材、資源的利用和時間的管理、團隊合作等方面進行評估.

圖5 小組活動展示

該階段是學生對自己或他人在解決問題過程的思路、方法和結果等方面，進行全面、合理、客觀的評價，發(fā)揮評價引導和促進學生發(fā)展的功能，培養(yǎng)學生養(yǎng)成反思的習慣，讓學生學會在反思中找問題，在問題中求改進，實現(xiàn)設計制作最優(yōu)化.不同小組展示了不一樣的作品，表述不一樣的創(chuàng)意和講述不一樣的經(jīng)歷，是分享知識和創(chuàng)意的過程，加強了學生間的交流，學生在樂于分享觀點的同時，也增強了創(chuàng)造的信心，提升了語言表達能力和批判性思維能力.

5 拓展延伸階段——培養(yǎng)遷移與創(chuàng)新能力

在前面活動的基礎上，有的小組提出了太陽能動力車如果在實際生活中應用，還需要安裝充電電池，否則陰雨天氣沒有陽光，汽車就動不了.有學生想到了太陽能電池直接給汽車供電，動力會不足等問題，于是就在原來制作小車的基礎上進行改進，安裝了充電電池，在有陽光的時候太陽能電池能夠對充電電池充電，由充電電池再給動力系統(tǒng)供電，這與實際電動汽車原理基本一致.有的小組在太陽能小車上安裝了傳感器，利用所學的編程技術實現(xiàn)了自動避障、燈光感應和太陽能電板可翻折等功能，這將是今后太陽能無人汽車的雛形.還有的小組聯(lián)想到太陽能電池除了在汽車上使用，能否在學校屋頂上安裝能根據(jù)太陽光自動調節(jié)照射角度的太陽能電池，制造一個綠色環(huán)保型供電系統(tǒng)給學校供電的設想.這些都是活動的自然拓展與延伸，學生能將在活動中學習到的知識自然運用到實際生產(chǎn)和生活中，將學習與生活相聯(lián)系，進一步激發(fā)了學習的積極性和潛能，培養(yǎng)了知識遷移和創(chuàng)新能力，使得高階思維的形成與提升就在實踐中跨越，在迭代中進階.

6 結束語

在初中物理教學中開展綜合實踐活動是培養(yǎng)學生關鍵能力的一個重要途徑，太陽能動力小車活動為培養(yǎng)學生實驗探究、觀察與建模、設計與操作、反思與評價、遷移與創(chuàng)新等關鍵能力提供了有效的載體，同時活動的開展有助于學生對能源合理利用、能量轉化、電路設計、杠桿原理、電動機原理等知識進行融會貫通，在團隊環(huán)境中進行頭腦風暴、建模和協(xié)作，通過解決真實生活中的問題促進高階思維能力的形成.因此，作為一線物理教師應重視物理教學中綜合實踐活動的開發(fā)與實施，通過綜合實踐活動促進學生養(yǎng)成良好的思維品質，掌握科學探究的基本方法，形成正確的物理觀念和科學態(tài)度，以提升核心素養(yǎng)與關鍵能力.