潘振東

(東北師范大學教育學部 吉林 長春 130024；東北師范大學附屬中學 吉林 長春 130021)

樊娟娟

(吉林農(nóng)業(yè)大學信息技術學院 吉林 長春 130118)

高中物理實驗可以分為演示實驗、分組實驗和課后自主實驗[1]．演示實驗和分組實驗統(tǒng)稱為課內實驗，是物理課堂教學的重要組成部分．如何在演示實驗和分組實驗中培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)是教師和學者關注的重點．然而受應試教育影響，高中生學業(yè)繁重，教師對課后自主實驗的重視程度遠遠不夠，學生不能有效進行課后自主實驗，甚至出現(xiàn)個別學校從不布置課后實驗，通過課后自主實驗去培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)更無從談起．其實課后自主實驗是培養(yǎng)物理學科核心素養(yǎng)重要且有效的途徑，在引導學生開展自主實驗的過程中既能培養(yǎng)學生物理觀念、思維能力、探究能力，又能促進學生科學態(tài)度和責任的提升．為了落實并發(fā)展學生的物理學科核心素養(yǎng)，我們依托高中生物理創(chuàng)新競賽有效開展課后自主實驗．

中國高中生物理創(chuàng)新競賽CYPT (即China Young Physicists′ Tournament)參考國際青年物理學家錦標賽IYPT(International Young Physicists′

Tournament)的模式進行，是最高級別高中生競賽，也是IYPT中國國家集訓隊的選拔賽[2]．與注重考查學生的解題能力和基本實驗能力的物理奧林匹克競賽不同，CYPT每年17道賽題，題目均為開放性問題，貼近生活，沒有具體的解題技巧和固定答案．賽題具有真實性、開放性、趣味性和復雜性[3]．參賽學生圍繞賽題進行團隊合作研究，然后就其物理知識、理論分析、實驗研究、結果討論等展開辯論性比賽[4]．

CYPT是能真正實現(xiàn)物理學科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要載體．教師可以借助高中生物理創(chuàng)新競賽的模式，把當年CYPT的賽題作為課后自主實驗的研究題目，將學生以4～5人為單位劃分成多個研究性學習小組，開展班級物理創(chuàng)新競賽．小組同學合理利用課外時間，合作設計小實驗．在共同解決問題時，需要經(jīng)歷完整的科學探究的過程，經(jīng)歷問題的分析、實驗器材的制作、實驗數(shù)據(jù)的測量、團隊的協(xié)作、觀點的表達與探討，這些實踐恰恰是物理學科核心素養(yǎng)中“物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任”的綜合體現(xiàn)[5]．因此，依托物理創(chuàng)新競賽開展的課后自主實驗在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面具有得天獨厚的優(yōu)勢．

1 依托高中生物理創(chuàng)新競賽 培養(yǎng)學生物理觀念

目前大部分高中生對于物理概念和規(guī)律的理解僅僅停留在記住、會解題的層次，物理創(chuàng)新競賽將物理知識與實際生活聯(lián)系起來，幫助學生全面、深刻、準確地掌握和應用物理概念和規(guī)律．貼近實際的賽題讓學生充分地體會到物理不再是抽象的理論和枯燥的公式，而是非常有趣的．物理創(chuàng)新競賽不僅有助于學生更好地理解物理知識，從物理學視角形成物質觀、能量觀、運動和相互作用觀，更能引導學生從物理學的視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題．

例如2021年第15題：反彈膠囊——落在堅硬表面上的圓球即便具有一個初始的旋轉速度，也永遠不會反彈到釋放高度；膠囊狀物體(例如Tic Tac 薄荷糖)卻可能反彈超過初始高度．探究這個現(xiàn)象．

與傳統(tǒng)物理實驗相比，該實驗更貼近生活，簡單易操作．學生通過分析膠囊狀物體的受力情況和運動過程，構建力和運動的知識體系，對運動的形式——平動和轉動有更直觀的理解，增強知識應用意識．學生要思考膠囊為何反彈超過初始高度，通過理論分析，將碎片化的能量和能量守恒的知識凝練成整體．學生對能量守恒有更清晰的認識，能量包括動能和勢能，其中動能等于平動動能加轉動動能，勢能等于重力勢能加彈性勢能．膠囊下落與堅硬表面發(fā)生碰撞的過程，表面和膠囊均發(fā)生彈性形變，膠囊受彈力和摩擦力作用，表面對膠囊的作用力改變了膠囊的運動狀態(tài)．

2 依托高中生物理創(chuàng)新競賽 培養(yǎng)學生科學思維

在傳統(tǒng)教學中，教師往往更注重學生知識的獲取和提升，容易忽視思維能力的培養(yǎng)．中國科學院院士陳佳洱說：“物理學不只是圖表和數(shù)據(jù)，它能帶給你很多更珍貴的東西——一種理性的思維方式、人生的哲學和人生的道路．”恩格斯也曾把思維比作“地球上最美的花朵”，足見思維的重要性．學生解決賽題問題的過程就是認識科學本質，培養(yǎng)科學思維的過程．物理創(chuàng)新競賽是培養(yǎng)科學思維的有效途徑．

例如2020年第13題：摩擦振子——一個大塊的物體被放置在兩個相同的平行水平圓柱體上．兩個圓柱各自以相同的角速度旋轉，但方向相反．研究物體在圓柱體上的運動如何依賴于相關參數(shù)．

首先對摩擦振子做模型構建，把摩擦振子抽象簡化為兩個圓盤上面放置一根棒．根據(jù)預實驗現(xiàn)象，棒做往復性的振動，學生猜測當棒的運動狀態(tài)穩(wěn)定時，棒的運動可能是簡諧振動．對簡化模型進行受力分析，明確摩擦力的產(chǎn)生條件、作用點、方向和大小，得到棒的運動狀態(tài)方程，從而理論證明棒的運動是標準的簡諧運動．進一步利用位移傳感器描述棒的振動圖像證明理論分析的正確性．隨后在研究影響簡諧運動振幅、頻率的因素時，小組同學間自由質疑、相互討論、達成一致，確定影響棒運動的參數(shù)可能有棒與圓盤的材質、棒與圓盤接觸面的粗糙程度、棒放置的初始位置、兩圓盤軸間距、圓盤角速度大小等．最后根據(jù)分析設計具體實驗方案，鼓勵學生自主思考.競賽成為學生發(fā)揮創(chuàng)造力的舞臺，實驗改進的一小步推動創(chuàng)新思維發(fā)展的一大步．

3 依托高中生物理創(chuàng)新競賽 培養(yǎng)學生科學探究

實驗是進行科學探究的最佳途徑，探究實驗在物理學習中占據(jù)至關重要的地位．然而目前高中階段學生科學探究的機會很少，將所學物理知識應用于實踐生活的機會更少，在進行分組實驗時,學生常常按照課本中設計好的實驗目的、實驗器材，根據(jù)規(guī)定的步驟完成實驗，科學探究能力很難得到提高．借助物理創(chuàng)新競賽，學生獨立自主地制定探究計劃開展科學探究．實驗的趣味性、生活化、可操作性激發(fā)了學生的探究興趣，實驗結論的不唯一性讓學生有更大的探究空間，探究意識和探究能力大大提升．

例如2020年第10題：畫出來的導線——用鉛筆在紙上畫的線可以導電．研究這種導線特性．

4 依托高中生物理創(chuàng)新競賽 培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任

科學態(tài)度與責任是物理學科核心素養(yǎng)之一，揭示了物理學習更高層次的價值追求,對社會和個人的發(fā)展都有重要意義[6]．借助物理創(chuàng)新競賽，通過創(chuàng)設良好情境，潛移默化地培養(yǎng)學生科學態(tài)度與責任，促進學生的全面發(fā)展．物理創(chuàng)新競賽的實驗器材往往比較常見，操作較為簡單．例如2021年賽題“同步蠟燭”“不可逆轉的浮沉子”“保險絲”“吉他弦”“海綿”“手提直升機”等等，都可以選擇日常生活用品作為實驗材料．在實驗現(xiàn)象記錄和實驗數(shù)據(jù)分析方面也不需要大型的測試儀器，可以用現(xiàn)成的軟件，例如Phyphox，Tracker，Matlab等．鼓勵學生利用身邊的物品、可回收資源進行實驗探究，培養(yǎng)學生節(jié)約資源、保護環(huán)境的意識，增強可持續(xù)發(fā)展意識和社會責任感．學生自己動手搭建實驗平臺，設計探究方案的過程可以培養(yǎng)嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度．團隊合作的過程讓學生認識到高度統(tǒng)一的團隊協(xié)作精神與良好的交流溝通能力是任何一個團隊取得勝利的必要條件．辯論性的比賽讓學生養(yǎng)成尊重規(guī)則、善于傾聽、尊重他人、尊重知識、敢于質疑、善于交流的習慣．在角色變換中，作為正方，不僅要在規(guī)定的時間內科學、嚴謹、清楚地陳述觀點，還要做到面對反方挑戰(zhàn)隨機應變．作為反方指出正方優(yōu)點的同時，更需要敏銳的洞察力，找到對方的不足，有理有節(jié)地質疑．而評論方則需要統(tǒng)攬全局，客觀評論正反方的觀點．

學生人人參與班級物理創(chuàng)新競賽，經(jīng)過層層選拔，部分學生又陸續(xù)參加了吉林省高中生物理創(chuàng)新競賽(JYPT)、中國高中生物理創(chuàng)新競賽(CYPT)、國際青年物理學家競賽(IYPT)．通過物理創(chuàng)新競賽，學生磨煉了意志，拓寬了視野，學會了堅持不懈，交流溝通能力、創(chuàng)新能力、協(xié)同合作意識得到了有效提升．

總之，我們依托高中生物理創(chuàng)新競賽開展課后自主實驗，培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)．基于物理創(chuàng)新競賽模式的課后自主實驗培養(yǎng)學生綜合運用所學知識分析解決實際物理問題的能力，有助于學生形成物質觀、能量觀、運動和相互作用觀，同時培養(yǎng)學生的科學思維，增強學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新的意識和能力．在解決賽題問題的過程中，學生體驗科學探究的完整過程，探究能力得到有效提升，也逐漸形成嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及遵守規(guī)范，保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感．因此，高中生物理創(chuàng)新競賽是培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的有效途徑和重要載體．