戴加成 凌一洲,2

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

江蘇省南菁高級(jí)中學(xué)從2013年起開(kāi)始“微科技”課程的探索實(shí)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(xué)教育在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的基礎(chǔ)性地位,本著立足長(zhǎng)遠(yuǎn)、去除教育功利化的目的,從基礎(chǔ)教育本身的特點(diǎn)出發(fā),探索高中階段培養(yǎng)學(xué)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(kāi)展物理“微科技”項(xiàng)目的探索.

1 物理“微科技”項(xiàng)目的特點(diǎn)

物理“微科技”項(xiàng)目是指“微科技”課程的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目,它基于學(xué)生興趣,貼近學(xué)生實(shí)際,源于課堂學(xué)習(xí),注重創(chuàng)新實(shí)踐.與部分中學(xué)生依托高校和科研院所實(shí)驗(yàn)資源完成的“高精尖”項(xiàng)目比,“微科技”項(xiàng)目具有小切口、低成本、易開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)(見(jiàn)表1).

表1 物理“微科技”項(xiàng)目的特點(diǎn)

2 物理“微科技”項(xiàng)目的選題來(lái)源

物理“微科技”項(xiàng)目的選題緊密?chē)@教材,源于自然生成的實(shí)際問(wèn)題,主要有質(zhì)疑現(xiàn)有答案、追蹤異?，F(xiàn)象、自制教具學(xué)具、聯(lián)系生活實(shí)際等類(lèi)型.

2.1 質(zhì)疑現(xiàn)有答案

案例1.一道物理試題對(duì)教材中的比熱容實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn):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(jì)分別測(cè)量水和煤油的溫度.試題的答案與教材實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同,即煤油升溫速度比水快.但凌一洲同學(xué)在南菁高中就讀時(shí),覺(jué)得實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)發(fā)生了變化,增加了很多不確定因素,因此對(duì)答案提出質(zhì)疑.他通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),在試題水浴加熱的條件下,導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)升溫快慢的影響不可忽略,由于水的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)大于煤油的導(dǎo)熱系數(shù),所以實(shí)際情況為水升溫比煤油快,標(biāo)準(zhǔn)答案是錯(cuò)誤的.他將這一發(fā)現(xiàn)撰寫(xiě)成論文,發(fā)表于《中學(xué)物理教學(xué)參考》.[1]

其實(shí),不少實(shí)驗(yàn)試題在設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,可能會(huì)受許多非理想因素的影響,存在錯(cuò)誤或不足.學(xué)生在做這些試題時(shí),可能會(huì)產(chǎn)生直覺(jué)上的別扭、不對(duì)勁,進(jìn)而對(duì)答案提出不同的意見(jiàn).此時(shí),教師應(yīng)該鼓勵(lì)學(xué)生的大膽質(zhì)疑,與學(xué)生擦出思維的火花,將有價(jià)值的質(zhì)疑轉(zhuǎn)化為具有研究?jī)r(jià)值的“微科技”項(xiàng)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(qiáng)傳感器測(cè)量注射器內(nèi)氣體壓強(qiáng)p,最后用采集的數(shù)據(jù)繪制p-V-1圖像.按照預(yù)期,p-V-1圖像應(yīng)該是一條直線,但實(shí)際上,當(dāng)V-1增大到一定程度時(shí),數(shù)據(jù)點(diǎn)明顯脫離了直線.面對(duì)這一異?，F(xiàn)象,教師帶領(lǐng)學(xué)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(jì)算,并最終將圖像修正為p-(V+V0)-1的圖像.

異常現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)課上經(jīng)常出現(xiàn)的突發(fā)情況,其原因不一定是實(shí)驗(yàn)者的操作不當(dāng),還可能是實(shí)驗(yàn)中存在實(shí)驗(yàn)者未知的規(guī)律,或?qū)嶒?yàn)條件超出了規(guī)律適用的范圍.因此,異?，F(xiàn)象不一定是實(shí)驗(yàn)失敗的標(biāo)志,而可能是即時(shí)生成的項(xiàng)目選題,供師生繼續(xù)追蹤探究.

2.3 自制教具學(xué)具

案例3.許多高中物理實(shí)驗(yàn)都涉及物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,浙江省一位高中生受到傳統(tǒng)頻閃攝影和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的啟發(fā),設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的教(學(xué))具——多功能光影計(jì)時(shí)裝置.該裝置由紫色頻閃光源、兩個(gè)無(wú)極調(diào)速滑臺(tái)和支架等構(gòu)成,巧妙地將光影留跡應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)計(jì)時(shí),可以應(yīng)用于各種運(yùn)動(dòng)的定量研究,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰直觀(見(jiàn)圖1,a～e分別為自由落體、平拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、以地面為參考系的飛機(jī)投彈、以飛機(jī)為參考系的飛機(jī)投彈).

圖1 多功能光影計(jì)時(shí)裝置的應(yīng)用效果

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科.運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)的核心是記錄物體在各時(shí)刻的位置,案例3裝置的設(shè)計(jì)者緊緊抓住這個(gè)核心,靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí),研究出了記錄物體在各時(shí)刻的位置的新方法,并根據(jù)這個(gè)新方法設(shè)計(jì)了新儀器,不失為“微科技”項(xiàng)目的良好選題.這種教(學(xué))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(qiáng)),結(jié)構(gòu)和實(shí)施方式為首創(chuàng)(新穎性強(qiáng)),能夠很好地演示、驗(yàn)證某種物理原理(實(shí)用性強(qiáng)),因此同樣具有價(jià)值.

2.4 應(yīng)用生活實(shí)際

案例4.面對(duì)飲用水安全監(jiān)測(cè)這一社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)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(cè)裝置(見(jiàn)圖2),用于家庭實(shí)時(shí)全面監(jiān)測(cè)水質(zhì)污染程度.該裝置的創(chuàng)新點(diǎn)之一是運(yùn)用了微小放大法,沒(méi)有直接測(cè)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(jìn)行9次全反射再測(cè)量,以此把精度提高到1%.該裝置獲得了全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎(jiǎng).

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

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

3 物理“微科技”項(xiàng)目的開(kāi)展

物理“微科技”項(xiàng)目的開(kāi)展分為立項(xiàng)(分析論證)、實(shí)施(設(shè)計(jì)探究)、總結(jié)(產(chǎn)生成果)等3個(gè)階段,采用學(xué)生自主實(shí)踐與教師有效指導(dǎo)相結(jié)合的方式進(jìn)行,教師充當(dāng)項(xiàng)目實(shí)施的參與者和促進(jìn)者.

在項(xiàng)目立項(xiàng)階段,教師要鼓勵(lì)學(xué)生圍繞教材所學(xué)內(nèi)容提出感興趣的問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生將問(wèn)題進(jìn)一步構(gòu)思形成選題,并根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析論證,主要包括:項(xiàng)目選題是否空洞、所需時(shí)間是否過(guò)長(zhǎng)、所需材料成本是否過(guò)高、所需知識(shí)是否過(guò)深、項(xiàng)目預(yù)期成果是否有價(jià)值等.

在項(xiàng)目實(shí)施階段,教師要指導(dǎo)學(xué)生盡可能地使用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題,盡可能地用身邊已有的材料滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)或制作的要求,使物理知識(shí)情境化,轉(zhuǎn)化為學(xué)生的能力.同時(shí),對(duì)于動(dòng)態(tài)生成的各種問(wèn)題,教師要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行組內(nèi)和組間討論,吸納建議,不斷完善.[3]此外,要加強(qiáng)對(duì)學(xué)生學(xué)術(shù)道德的監(jiān)督,及時(shí)指出選擇性忽視不利數(shù)據(jù)等常見(jiàn)問(wèn)題.

在項(xiàng)目總結(jié)階段,教師要促進(jìn)學(xué)生反思、感悟,使項(xiàng)目成果內(nèi)化為素養(yǎng).要指導(dǎo)學(xué)生選擇合適的方式呈現(xiàn)項(xiàng)目成果,除了撰寫(xiě)研究報(bào)告外,還有發(fā)表論文、申請(qǐng)專(zhuān)利、參加科技競(jìng)賽等.對(duì)于有繼續(xù)研究潛力的項(xiàng)目,教師要幫助進(jìn)一步深化主題、明確方向.

除了上述共性外,不同選題的項(xiàng)目在開(kāi)展時(shí)的重點(diǎn)也各不相同(見(jiàn)表2),應(yīng)該得到個(gè)性化的實(shí)施.

表2 不同選題的項(xiàng)目在各階段的重點(diǎn)

續(xù)表

4 物理“微科技”項(xiàng)目的育人作用

在開(kāi)展“微科技”項(xiàng)目的過(guò)程中,學(xué)生通過(guò)思考、實(shí)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(xué)生基于事實(shí)證據(jù)進(jìn)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(duì)已有答案提出大膽質(zhì)疑,“科學(xué)思維”素養(yǎng)得到培育.學(xué)生自主提出項(xiàng)目選題,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,尋找證據(jù)解釋現(xiàn)象,進(jìn)行組間組內(nèi)的交流討論,“科學(xué)探究”素養(yǎng)得到培育.學(xué)生以認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待實(shí)驗(yàn),將物理原理、物理思想靈活應(yīng)用于生活實(shí)際,“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”素養(yǎng)得到培育.