劉炳昇

(南京師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 江蘇 南京 210097)

《物理通報(bào)》出版30年來致力于提高中學(xué)物理教師的專業(yè)水平，對(duì)物理科學(xué)的普及和中學(xué)物理教學(xué)改革做出了很大貢獻(xiàn)，特表示衷心地祝賀！筆者在本文中，從回憶自己學(xué)生時(shí)代參加一些課外活動(dòng)對(duì)日后成長(zhǎng)的影響談起，說明基礎(chǔ)教育的課程改革需要關(guān)注學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，并借助于多元智力理論簡(jiǎn)介“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的策略.以初中物理課程中的一個(gè)綜合實(shí)踐活動(dòng)為例，評(píng)析相關(guān)策略的應(yīng)用．

1 從學(xué)生時(shí)代 參加的活動(dòng)談起

在學(xué)生時(shí)代，我是一個(gè)課外科技活動(dòng)的積極參加者．從初三到高中、到大學(xué)，我一直參加航空模型興趣小組的活動(dòng)．幾十年過去了，我仍然懷念那段歲月，深深感到這些活動(dòng)對(duì)我成長(zhǎng)的影響．

記得在學(xué)生時(shí)代的課余時(shí)間，我們?cè)诠ぷ魇覐淖R(shí)圖、繪圖、放樣開始，用薄木板、細(xì)木條等制作零件、組合裝配成模型飛機(jī)構(gòu)架；再蒙上薄板或棉紙、涂上防水油等，經(jīng)過大約一個(gè)月，一架1～2 m長(zhǎng)的模型飛機(jī)制成．制作模型飛機(jī)需要許多知識(shí)和技巧，例如制作飛機(jī)的螺旋槳，用斜刀加工，槳葉的橫截面是流線型的，并且要求從槳根到槳尖是逐漸扭曲的，靠近根部的迎角(槳翼與氣流間的夾角)大，越向槳尖部迎角越小(圖1)．這里涉及許多物理知識(shí)，如為什么要做成流線型？可以用“流速大、壓強(qiáng)小”的原理來解釋，螺旋槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí)便產(chǎn)生向前的牽引力.又如為什么靠近槳葉根部的迎角較大而靠近槳葉尖部的迎角較小？這是由于考慮“半徑越大線速度越大”提出的要求．每當(dāng)周末或假期，天還沒亮，我們小組的成員就已經(jīng)在郊外曠野上試飛．為什么要這樣早？因?yàn)樵囷w調(diào)整需要防止復(fù)雜氣流的干擾，日出以前地面上空的氣流最為平穩(wěn)．在日落后的一個(gè)小時(shí)也是試飛調(diào)整合適的時(shí)間．在試飛前期需要做許多調(diào)整工作，如，重心位置、機(jī)翼迎角、水平穩(wěn)定性、方向穩(wěn)定性的調(diào)整等．此后才讓模型飛機(jī)飛上約50 m的高空.看著自己做的模型飛機(jī)在空中平穩(wěn)地飛翔，我們有說不出的高興．但試飛并不是都一帆風(fēng)順的，有時(shí)由于氣流紊亂使模型飛機(jī)“失速”，飛機(jī)螺旋下墜，與地面相撞.正常降落時(shí)也可能與障礙物相撞，機(jī)身、機(jī)翼、機(jī)尾折斷．遇到這種情況，我們十分難過，但沒有放棄，揀起傷殘的模型飛機(jī)進(jìn)行修補(bǔ)，或重新制作．有時(shí)，模型飛機(jī)本身沒有任何問題，但遇到上升氣流，模型飛機(jī)越飛越高．通常情況下，我們的模型飛機(jī)設(shè)置了簡(jiǎn)單的“自動(dòng)廹降”裝置，如圖2所示.將水平尾翼前部用橡皮筋、后部用細(xì)線圈固定在機(jī)身尾部，在細(xì)線圈中夾入一根在高錳酸鉀溶液中浸過的粗棉線(如同煙花的引線)，起飛前將粗棉線一端點(diǎn)燃.3～4 min后，細(xì)線圈被燒斷，前方的橡皮筋將水平尾翼拉起與水平約成45°角，使整架飛機(jī)的阻力大大增加，飛機(jī)就平衡地迫降下來．有時(shí)，因?yàn)榻^高錳酸鉀的引線被露水打濕，不能燒斷細(xì)線圈，飛機(jī)又遇到了強(qiáng)上升氣流，常使飛機(jī)消失在追蹤人的視線外……

圖1 螺旋漿的迎角根部大、尖部小

這些活動(dòng)，潛移默化地使我們獲得了許多寶貴的東西——科學(xué)探索與技術(shù)設(shè)計(jì)的方法，靈活應(yīng)用知識(shí)、手腦并用、分析和解決問題的能力，對(duì)科學(xué)的興趣，克服困難的意志和團(tuán)隊(duì)合作精神等．

圖2 模型飛機(jī)的“自動(dòng)迫降”裝置

筆者根據(jù)自己的經(jīng)歷和體會(huì)，想要說明一個(gè)對(duì)中學(xué)科學(xué)課程的希望——科學(xué)課程能為學(xué)生個(gè)性發(fā)展提供機(jī)會(huì)和良好的氛圍．

2 中學(xué)物理課程中“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的策略

隨著時(shí)代的發(fā)展，人本主義的教育觀得到社會(huì)共識(shí).基礎(chǔ)教育的科學(xué)課程以提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)，力求提供符合學(xué)生“多元智力能譜”的個(gè)性化學(xué)習(xí)平臺(tái)，使學(xué)生的不同潛能得以發(fā)揮，從而提高全社會(huì)的創(chuàng)新水平．

在物理課程中，除了課堂中關(guān)注每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)外，提供適合于不同學(xué)生的“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”是促進(jìn)學(xué)生個(gè)性發(fā)展的一項(xiàng)策略．“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”是指圍繞一個(gè)重要的主題或課題的調(diào)查或綜合實(shí)驗(yàn)的課外活動(dòng)．這些能引起學(xué)生的興趣、積極參與，并愿意花費(fèi)一定的時(shí)間，在相互合作中對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行一定的研究．多元智力理論的倡導(dǎo)者十分推崇這種個(gè)別化的教學(xué)形式[1]．“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的具體過程大致包括發(fā)現(xiàn)和提出問題、進(jìn)行猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行調(diào)查、分析與論證、交流討論、展示成果等．在活動(dòng)中，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣和智力優(yōu)勢(shì)來選擇項(xiàng)目．學(xué)習(xí)環(huán)境包括教室、實(shí)驗(yàn)室以及各種課程資源所創(chuàng)設(shè)的校內(nèi)外情境．項(xiàng)目?jī)?nèi)容一般與學(xué)生的生活聯(lián)系密切，要求學(xué)生運(yùn)用一定的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)，研究的結(jié)果有較大的開放性．因此，課程設(shè)計(jì)者和實(shí)施者應(yīng)當(dāng)重視“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的作用，使其成為整個(gè)課程的一個(gè)有機(jī)組成部分．我國(guó)科學(xué)課程改革中所創(chuàng)造的“研究性學(xué)習(xí)”、“學(xué)科綜合實(shí)踐活動(dòng)”等都是“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”的很好形式．

3 案例及評(píng)析

為了更好地促成學(xué)生的個(gè)性發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，蘇科版初中物理教材中設(shè)置了系列的綜合實(shí)踐活動(dòng)[2]，為學(xué)生提供可選擇的“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”，如，比較材料的隔聲性能、用電冰箱研究物態(tài)變化現(xiàn)象、探究樹蔭下的光斑、制作一個(gè)醫(yī)用冷藏盒、制作簡(jiǎn)易密度計(jì)、制作簡(jiǎn)單機(jī)械組合模型、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單電路、研究家庭用電等．下面介紹其中一個(gè)案例，并從促進(jìn)個(gè)性發(fā)展策略的角度進(jìn)行評(píng)析．

3.1 案例：探究樹蔭下的光斑

課題(本課題由小組合作完成)

(1)晴天正午，從樹蔭下走過，會(huì)看到地面上有一些光斑(圖3)．請(qǐng)仔細(xì)觀察，描述你們看到的現(xiàn)象，并提出感興趣又不能解釋的一些問題．

圖3 樹蔭下落在地面的光斑

(2)請(qǐng)?zhí)岢霾孪?，地面上光斑的形狀可能與哪些因素有關(guān)？光斑的亮度可能與什么因素有關(guān)？

(3)打算如何收集證據(jù)來檢驗(yàn)?zāi)銈兲岢龅牟孪?？?shí)驗(yàn)方案是怎樣的？需要哪些器材？有哪些變量？怎樣進(jìn)行控制？

(4)收集到的事實(shí)是哪些？怎樣歸納出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的？

(5)能用什么原理對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論作出解釋嗎？

拓展課題

(1)能否應(yīng)用探究得到的結(jié)論來解決某一個(gè)問題？如已知太陽到地球的距離，用實(shí)驗(yàn)的方法估測(cè)太陽的直徑．你的方案是什么？應(yīng)用什么理論和推論？需要測(cè)量哪些量？如何評(píng)價(jià)測(cè)量得到的結(jié)果？

(2)查閱資料，了解古埃及人是如何利用太陽光形成的桿影首次測(cè)量地球周長(zhǎng)的.請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)方案，尋找一個(gè)外地的合作伙伴，通過網(wǎng)絡(luò)交換測(cè)量信息，從而測(cè)量出地球的直徑．

交流與評(píng)價(jià)

完成課題，寫一篇小論文，做好準(zhǔn)備后在班級(jí)中交流討論，并評(píng)價(jià)研究成果．

3.2 案例評(píng)析和指導(dǎo)建議

本案例提供的情景是學(xué)生經(jīng)常看到但又不曾注意的現(xiàn)象，它可能給學(xué)生意想不到的發(fā)現(xiàn)，從而激發(fā)他們探究的動(dòng)機(jī)．課題提供了一系列由淺入深有拓展性的問題，這些問題的解決需要不同的智力的結(jié)合，因此課題不僅能為不同學(xué)生提供施展自己智力優(yōu)勢(shì)的機(jī)會(huì)，而且也有利于促進(jìn)多元智力的協(xié)調(diào)發(fā)展．

(1)對(duì)現(xiàn)象的觀察：多數(shù)學(xué)生只觀察到大小不規(guī)則的光斑，因此提不出有價(jià)值的探究問題；而觀察力強(qiáng)的學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，有的光斑形狀是不規(guī)則的，還有一些較小的圓形光斑，其亮度較暗．他們不僅仔細(xì)看地面上的光斑，而且抬頭觀察樹葉間的透光空隙，發(fā)現(xiàn)并沒有圓形的．為了能更好地觀察，有的學(xué)生將一張白紙放在樹蔭下；有的學(xué)生用照相機(jī)拍下光斑的照片，再仔細(xì)觀察，如圖4所示．這些觀察使他們能較好地發(fā)現(xiàn)問題，如，影響地面上光斑形狀的因素有哪些？較小的圓形光斑是怎樣形成的？為什么一般圓形光斑較暗？

圖4 樹蔭下光斑的照片

(2)關(guān)于猜想：多數(shù)學(xué)生開始時(shí)認(rèn)為，光斑是陽光透過樹葉間空隙照在地面上形成的，而太陽光是平行光，由于樹葉的遮擋形成影子，光通過樹葉間的縫隙照在地面上，因此光斑的形狀與葉間縫隙的形狀一致，即光斑的形狀是由孔的形狀決定的．這些學(xué)生中，有的是基于經(jīng)驗(yàn)得出猜想，有的是基于邏輯而得出猜想．一些思維靈活或觀察敏銳的學(xué)生可能會(huì)提出光斑的形狀與孔的大小有關(guān)的猜想．在收集證據(jù)過程中，還會(huì)改變猜想或提出新的猜想．

(3)關(guān)于收集證據(jù)：過程中需要準(zhǔn)備器材和進(jìn)行操作，可以看到不同的學(xué)生表現(xiàn)不一樣．如在取材上，有的用薄紙，有的用明信片，有的用硬紙板．又如在卡片上刻孔，有的在每一張紙片上刻一個(gè)孔，有的在一張卡紙上刻出不同形狀、不同大小的許多孔，有的在一張卡片上刻出一組大小近似相同、形狀各不相同的孔(圖5)，有的在一張卡片上刻出一組形狀相同大小不同的孔(圖6)等．不同學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的表現(xiàn)也不一樣．有的小組學(xué)生操作的思路很明確，驗(yàn)證光斑的形狀與孔的形狀的關(guān)系，就取相同大小、不同形狀孔的卡片實(shí)驗(yàn)比較；驗(yàn)證光斑形狀與孔的大小的關(guān)系就取相同形狀、大小不同孔的卡片實(shí)驗(yàn)比較．有的小組學(xué)生用一張卡片覆蓋在一張刻有孔的卡片上，遮去孔的一部分，并逐次移動(dòng)覆蓋的卡片，使下面卡片上的孔變小，如圖7所示，讓太陽光通過小孔，觀察紙面上的光斑形狀和亮度變化．有的學(xué)生還改變孔與地面的距離，探究光斑的形狀是否與孔到屏的距離有關(guān)．可見，收集證據(jù)的操作過程，不僅顯示了學(xué)生的動(dòng)手能力，還顯示了與之聯(lián)系的思維智力等．

圖5 大小近似相同，形狀各異的孔形成的斑 圖6 形狀相同，大小不同的孔形成的斑

圖7 驗(yàn)證光斑形狀與孔的形狀的關(guān)系

(4)關(guān)于探究結(jié)果的分析和論證：通過收集到的事實(shí)可知，太陽光通過樹葉間空隙在地面上所成光斑的形狀與孔的大小有關(guān)，當(dāng)孔較大時(shí)，光斑的形狀與孔的形狀相似；當(dāng)孔較小時(shí)，光斑的形狀與孔的形狀無關(guān)，而與太陽的形狀相似，所以人們看到的光斑是圓形的，由于孔小，所以看到的光斑亮度較暗．

有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)，在孔不是太大時(shí)，光斑的形狀還與孔到地面的距離有關(guān)．例如，孔的線度約1 cm，孔屏間距為30 cm時(shí)，光斑形狀與孔的形狀相似(圖8)；孔屏間距為150 cm時(shí)，光斑形狀近似為圓形，且周界模糊(圖9)．

圖8 孔與屏較近時(shí)的光斑 圖9 孔與屏較遠(yuǎn)時(shí)的光斑

怎樣解釋探究的結(jié)果呢？光斑形狀與孔的大小有關(guān).孔較小時(shí)可以用小孔成像的原理，即用光的直線傳播原理來解釋，若只用一條光線來描述通過小孔的情況是不難解釋的．但對(duì)解釋光斑的形狀與孔屏間距有關(guān)的問題就不容易了．如圖10，從太陽的A，B兩點(diǎn)發(fā)出兩束光，通過三角形小孔后成為兩束三棱擴(kuò)散光．如果光屏離孔較近，兩束光形成的光斑幾乎重疊，與小孔的形狀一致．如果光屏離孔較遠(yuǎn)，在屏上形成兩個(gè)上下錯(cuò)開的三角形光斑．如果從太陽AB截面圓周上的各點(diǎn)發(fā)出許多條光束，通過三角形小孔后，在較遠(yuǎn)的光屏上形成的一系列三角形光斑將分布在同一圓周上.因此可以想象，太陽發(fā)光面上各點(diǎn)發(fā)出的光線通過小孔后在較遠(yuǎn)的屏上形成的光斑為圓形，邊緣不清晰．

圖10 解釋光斑形狀與孔屏間距有關(guān)

(5)關(guān)于拓展課題：有兩個(gè)拓展課題供學(xué)生選做．

1)用“小孔光斑法”估測(cè)太陽的直徑，使學(xué)生體會(huì)到物理學(xué)原理的應(yīng)用價(jià)值，并學(xué)習(xí)簡(jiǎn)接測(cè)量的方法．

2)用“桿影法”測(cè)量地球的直徑．學(xué)生通過查閱資料可知，公元前3世紀(jì)，古埃及的學(xué)者埃拉托色尼在同一經(jīng)線上的兩個(gè)城市做了實(shí)驗(yàn)，首次估算出了地球周長(zhǎng)．他們?cè)赟yrenet 和 Alexandria兩地垂直地各插一根直桿，當(dāng)太陽在Syrenet正從桿頂入射(桿影長(zhǎng)為零)時(shí)，在Alexandria測(cè)得桿影長(zhǎng)度不為零，由此推斷人類生活的地球表面不可能是平的，而是彎曲的．實(shí)驗(yàn)測(cè)得當(dāng)時(shí)在Alexandria形成桿影的太陽光與直桿的夾角為7°.如圖11所示，已知S，A兩地間的距離為800 km，假定地球是球形的，根據(jù)幾何關(guān)系可求得地球的圓周長(zhǎng)

根據(jù)這一數(shù)據(jù)算得地球的半徑為

圖11 用“桿影法”測(cè)量地球的直徑

可見埃拉托色尼所做的人類首次對(duì)地球的測(cè)量結(jié)果很了不起．

學(xué)生重做這個(gè)測(cè)量很有意思．他們必須在同一經(jīng)線附近找合作伙伴，例如徐州、濟(jì)南、天津、南京等處.尋找好合作伙伴后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果，并對(duì)結(jié)果分析．這對(duì)參與研究的學(xué)生是一種很好的鍛煉，可以從科學(xué)史中得到啟發(fā)，從多種途徑獲取數(shù)據(jù)，培養(yǎng)合作精神．

從上面的介紹可以看出，該“項(xiàng)目學(xué)習(xí)”從學(xué)生身邊的現(xiàn)象出發(fā)，讓學(xué)生在觀察中發(fā)現(xiàn)問題，圍繞問題進(jìn)行探究，較好地體現(xiàn)了科學(xué)探究的本質(zhì)特征，以增強(qiáng)學(xué)生的探究意識(shí)；同時(shí)有寬廣、多層次的問題情景，多種不同的資源，能較好地滿足不同個(gè)性學(xué)生的興趣，使他們的智力優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮．教師在指導(dǎo)過程中，應(yīng)當(dāng)了解每個(gè)學(xué)生的“智力能譜”，關(guān)注初中學(xué)生的心理特征，提供積極的發(fā)展性評(píng)價(jià)，帶動(dòng)學(xué)生多元智力的協(xié)調(diào)發(fā)展．

參考文獻(xiàn)

1 陳嫻.多元智力觀與物理教學(xué)策略.北京：高等教育出版社，2008.5

2 劉炳昇.繼承與創(chuàng)新——初中物理新課程建設(shè)的理論與實(shí)踐研究.南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2006.12