程建軍 申 潔

（蘇州市振華中學(xué)校，江蘇 蘇州 215006）

物理學(xué)科關(guān)鍵能力是指在應(yīng)對現(xiàn)實(shí)情境時(shí)表現(xiàn)為解決問題的能力，是在經(jīng)歷學(xué)科學(xué)習(xí)的過程中逐步形成的，屬于適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備能力.[1]江蘇義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力研究項(xiàng)目組于2018年出版的《義務(wù)教育學(xué)科核心素養(yǎng)·關(guān)鍵能力測評與教學(xué)（初中物理）》構(gòu)建了初中物理核心素養(yǎng)和關(guān)鍵能力的框架，包含概括理解、實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)踐應(yīng)用和求實(shí)創(chuàng)新4個(gè)方面，并細(xì)化了初中物理學(xué)科中的關(guān)鍵能力，同時(shí)制定了各個(gè)關(guān)鍵能力表現(xiàn)水平的描述量表.

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

本文以初中物理能量相關(guān)知識為背景，設(shè)計(jì)一個(gè)“制作太陽能動力小車”為主題的綜合實(shí)踐活動，通過開展“做中學(xué)”、“學(xué)中創(chuàng)”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，并運(yùn)用設(shè)計(jì)思維引導(dǎo)學(xué)生將創(chuàng)新的想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品，探尋綜合實(shí)踐活動的有效實(shí)施路徑，培養(yǎng)和提升學(xué)生的關(guān)鍵能力.

能量相關(guān)知識是初中物理教學(xué)的重難點(diǎn)內(nèi)容，與物質(zhì)、運(yùn)動與相互作用兩部分內(nèi)容密切相關(guān)，與很多學(xué)科有關(guān)聯(lián)，和生產(chǎn)、生活息息相關(guān).這部分內(nèi)容對于學(xué)生形成可持續(xù)發(fā)展的意識以及進(jìn)一步學(xué)習(xí)其他科學(xué)技術(shù)，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(shí)踐活動，以確定主題、實(shí)驗(yàn)探究、作品設(shè)計(jì)、動手制作、展示評價(jià)和拓展延伸為實(shí)施路徑開展項(xiàng)目活動，在實(shí)踐中提升學(xué)生的關(guān)鍵能力.

1 確定活動主題與實(shí)驗(yàn)探究階段——培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)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(dāng)下面臨的重大問題，新能源利用迫在眉睫.有人預(yù)測到2050年有望實(shí)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(jī)及環(huán)境問題的有效途徑之一.因此，通過播放太陽能飛機(jī)、輪船、汽車和月球車等視頻，啟發(fā)學(xué)生對太陽能提供動力的認(rèn)識，明確本次活動的主題：設(shè)計(jì)制作一個(gè)太陽能動力小車，比一比哪個(gè)動力最足，誰設(shè)計(jì)的小車最具有創(chuàng)意.

對太陽能電池的認(rèn)識是本次活動的主要任務(wù)之一，教師可以簡要介紹太陽能電池是如何將光能轉(zhuǎn)化為電能的，然后組織學(xué)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(xué)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(xué)生對太陽能電池電壓和電流大小影響因素進(jìn)行猜想，學(xué)生很快會想到光照強(qiáng)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(shí)，光源到太陽能電池板不同距離的光照強(qiáng)度，使學(xué)生對光照強(qiáng)度有直觀的認(rèn)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(qiáng)度.具體實(shí)驗(yàn)探究過程如下.

圖1 學(xué)生分組探究

實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度時(shí)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(shí)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(xué)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(qiáng)度變化關(guān)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(guān)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(guān)系

根據(jù)以上數(shù)據(jù)的比較與分析，學(xué)生很容易得出太陽能電池產(chǎn)生的電能與光照強(qiáng)度、面積、角度都有關(guān)，為后面太陽能動力小車的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)解決了制作太陽能動力小車的供電問題，學(xué)生經(jīng)歷探究過程、分析探究結(jié)果、內(nèi)化探究方法和體驗(yàn)探究的愉悅，在解決問題的同時(shí)提升了實(shí)驗(yàn)探究能力.

2 作品設(shè)計(jì)階段——培養(yǎng)觀察與建模能力

作品設(shè)計(jì)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(fēng)暴，將眾多想法匯集，提升形成具體的認(rèn)識，進(jìn)而建構(gòu)模型，設(shè)計(jì)出作品的圖紙.如關(guān)于小車動力系統(tǒng)問題，針對前面的實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)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(gòu)看成所學(xué)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(dǎo)出F4：F1=R：r，從而將電動機(jī)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(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)、輪胎選擇都離不開生活中的觀察和物理模型的建構(gòu)，學(xué)生通過觀察，從物理現(xiàn)象中獲取有用的信息，并與相關(guān)知識建立聯(lián)系，構(gòu)建出恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，建模能力得到了有效?xùn)練和提高.

3 作品制作、測試與優(yōu)化階段——培養(yǎng)動手實(shí)踐能力

作品制作是學(xué)生根據(jù)小組的設(shè)計(jì)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(shí)，最后轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(jī)、齒輪、車軸、雪糕棒、導(dǎo)線等，小組也可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的需求從生活物品中選擇合適的材料進(jìn)行制作，鼓勵他們將所學(xué)的能量、力學(xué)和電學(xué)知識應(yīng)用到小車制作當(dāng)中.

作品制作后要進(jìn)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(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過反復(fù)檢測調(diào)試，不斷優(yōu)化作品.因此，這個(gè)階段要給學(xué)生充分的時(shí)間和空間，學(xué)生可以利用課余時(shí)間在家里或者學(xué)校創(chuàng)客空間進(jìn)行作品的制作，教師適時(shí)給與指導(dǎo)和鼓勵，反復(fù)改進(jìn)，完成產(chǎn)品原型（圖4為學(xué)生制作的小車原型）.學(xué)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(shí)踐能力.

圖4 學(xué)生制作的小車原型

4 活動交流與評價(jià)階段——培養(yǎng)反思與評價(jià)能力

各小組完成太陽能動力小車設(shè)計(jì)和制作后，便進(jìn)入活動交流與評價(jià)階段，各小組通過海報(bào)、PPT或短視頻方式分享自己的創(chuàng)意、設(shè)計(jì)方案、實(shí)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(shí)組織一場太陽能動力小車?yán)Υ筚悾锰柲苘嚑恳d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(gè)小組的小車能夠牽引的載重車質(zhì)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(xué)生到廣場上進(jìn)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(shí)間來比較各小組小車的性能.分享和比賽結(jié)束后，以小組自評、互評及教師評價(jià)等方式，對小組活動的綜合情況，如太陽能動力小車設(shè)計(jì)、性能、外觀以及器材、資源的利用和時(shí)間的管理、團(tuán)隊(duì)合作等方面進(jìn)行評估.

圖5 小組活動展示

該階段是學(xué)生對自己或他人在解決問題過程的思路、方法和結(jié)果等方面，進(jìn)行全面、合理、客觀的評價(jià)，發(fā)揮評價(jià)引導(dǎo)和促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的功能，培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成反思的習(xí)慣，讓學(xué)生學(xué)會在反思中找問題，在問題中求改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(qiáng)了學(xué)生間的交流，學(xué)生在樂于分享觀點(diǎn)的同時(shí)，也增強(qiáng)了創(chuàng)造的信心，提升了語言表達(dá)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(chǔ)上，有的小組提出了太陽能動力車如果在實(shí)際生活中應(yīng)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(xué)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(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，安裝了充電電池，在有陽光的時(shí)候太陽能電池能夠?qū)Τ潆婋姵爻潆?，由充電電池再給動力系統(tǒng)供電，這與實(shí)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(xué)的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動避障、燈光感應(yīng)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(xué)校屋頂上安裝能根據(jù)太陽光自動調(diào)節(jié)照射角度的太陽能電池，制造一個(gè)綠色環(huán)保型供電系統(tǒng)給學(xué)校供電的設(shè)想.這些都是活動的自然拓展與延伸，學(xué)生能將在活動中學(xué)習(xí)到的知識自然運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)和生活中，將學(xué)習(xí)與生活相聯(lián)系，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)習(xí)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(shí)踐中跨越，在迭代中進(jìn)階.

6 結(jié)束語

在初中物理教學(xué)中開展綜合實(shí)踐活動是培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的一個(gè)重要途徑，太陽能動力小車活動為培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究、觀察與建模、設(shè)計(jì)與操作、反思與評價(jià)、遷移與創(chuàng)新等關(guān)鍵能力提供了有效的載體，同時(shí)活動的開展有助于學(xué)生對能源合理利用、能量轉(zhuǎn)化、電路設(shè)計(jì)、杠桿原理、電動機(jī)原理等知識進(jìn)行融會貫通，在團(tuán)隊(duì)環(huán)境中進(jìn)行頭腦風(fēng)暴、建模和協(xié)作，通過解決真實(shí)生活中的問題促進(jìn)高階思維能力的形成.因此，作為一線物理教師應(yīng)重視物理教學(xué)中綜合實(shí)踐活動的開發(fā)與實(shí)施，通過綜合實(shí)踐活動促進(jìn)學(xué)生養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)，掌握科學(xué)探究的基本方法，形成正確的物理觀念和科學(xué)態(tài)度，以提升核心素養(yǎng)與關(guān)鍵能力.