張 群

（南京航空航天大學(xué)附屬高級中學(xué)，江蘇 南京 210007）

1 引言

項目式學(xué)習(xí)融合了多學(xué)科知識，讓學(xué)生在體驗項目的過程中將不同知識融會貫通，對培養(yǎng)其核心素養(yǎng)、突出其主體性等都具有重要的作用.這就要求學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中并不是簡單地將物理知識進行堆砌，而是要結(jié)合物理學(xué)科的特點，用物理思維解決實際問題，從而形成獨特的物理學(xué)習(xí)路徑.項目式學(xué)習(xí)是以建構(gòu)主義理論為指導(dǎo)，是指：學(xué)生圍繞某一特定的目標(biāo)或問題，以學(xué)科原理或概念的應(yīng)用為中心，借助多種資源進行研究、合作、設(shè)計等自主探究活動，讓學(xué)生積極主動地進行知識建構(gòu)最終形成成果或解決問題.

對抗性物理實驗在高中課堂中的應(yīng)用與開發(fā)恰好是應(yīng)用項目式學(xué)習(xí)的很好載體.所謂對抗性物理實驗是指一類具有競賽性質(zhì)的物理小實驗，將一些常規(guī)小實驗游戲化、競技化.在高中課堂開展對抗性物理實驗，有利于活躍課堂氛圍，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)實問題中發(fā)現(xiàn)并利用物理概念解決問題，從而促進物理觀念的形成和物理核心素養(yǎng)的落實.本文在文獻［1］基礎(chǔ)上簡述對抗性物理實驗在新課程改革背景下的價值，給出7 個適合高中物理課堂開展的實驗范例，通過范例解讀整理對抗性物理實驗的設(shè)計原則和應(yīng)用建議.

2 項目式學(xué)習(xí)在對抗性物理實驗開發(fā)中的實施原則與方法

對抗性物理實驗作為面向高中生開展的輔助教學(xué)活動，在設(shè)計內(nèi)容時要充分考慮參與者的知識水平和接受能力，以達到促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的目的.根據(jù)對抗性物理實驗的概念界定：一類具有競賽性質(zhì)的物理小實驗.在設(shè)計實驗時應(yīng)遵循知識性、可量化、生活化、合作性原則.

基于項目學(xué)習(xí)的對抗性物理實驗活動的開展離不開對抗性實驗開發(fā)所遵循的原則，在遵循上述4個原則的基礎(chǔ)上可按圖1所示的流程圖進行實驗的開發(fā).

圖1 基于項目學(xué)習(xí)的對抗性物理實驗活動的開展路徑

2.1 知識性原則

對抗性物理實驗活動的開展本質(zhì)是對課內(nèi)物理學(xué)習(xí)的補充，為物理觀念和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)提供一條有效路徑，因此知識性和科學(xué)性的原則應(yīng)當(dāng)作為首要關(guān)注點.

案例1.自制測量儀器.

問題提出：單擺一個重要作用就是測量時間，你能利用理論知識制作一個測時儀器來測量一段音樂的時間嗎？

圖2 自制測量儀器實驗器材

在本項目中需要學(xué)生知道單擺的周期公式，明確公式中各個物理量的含義，實驗操作中誤差來源等相關(guān)知識.

案例2.彈得更高的小球.

問題提出：讓一個小球從2 m 處自由下落，與地面碰撞后最多反彈到原高度.那有沒有可能讓其反彈高度超過2 m 呢？

實驗操作：本實驗在高中物理中對應(yīng)“子母球”模型，從理論上可用動量守恒和碰撞的知識解釋.當(dāng)杯子、水和小球下落時，3者處于完全失重狀態(tài)，互相之間沒有彈力作用.當(dāng)杯子落地時的瞬間，水和杯底發(fā)生第1 次碰撞使水獲得向上的速度，然后小球又和水發(fā)生碰撞，因此讓小球有可能獲得更大的速度.實驗時，給每組1個紙杯、塑料杯，1個乒乓球和塑料球（圖3），提供足量的水.杯子的材質(zhì)、水量和下落時的姿態(tài)都會影響乒乓球最終彈起的高度.建議給1 min練習(xí)時間，正式比賽時每組2次機會，彈起高度最高組獲勝.

圖3 彈得更高的小球?qū)嶒炂鞑?/p>

在本項目中，學(xué)生需要聯(lián)想到課內(nèi)“子母球”的模型來考慮使用什么材質(zhì)的杯子，杯子里放大概多少水等問題.

2.2 可量化原則

由于對抗性物理實驗的競賽性質(zhì)，小組在每個項目比拼后要按照完成情況排名得分.這就需要實驗結(jié)果能定量表示，便于比較.這也可以排除裁判的主觀因素影響，使得比賽結(jié)果更公開、公平.

案例3.巧疊木塊.

管棚灌漿孔封孔應(yīng)采用“機械壓漿封孔法”或“壓力灌漿封孔法”，用濃漿（0.5：1）全孔一次性封孔。封孔壓力為該孔最大灌漿壓力。如該段灌漿結(jié)束為最濃一級水灰比（0.6:1）時，可不進行置換濃漿，直接封孔。

問題提出：5 個尺寸一樣的木塊按圖4 方式疊放，最上面的比最下方木塊最多能伸出多少距離呢？

圖4 巧疊木塊實驗示意圖

2.3 生活化原則

家庭、學(xué)校及生活環(huán)境中的各類物品、器具、材料種類繁多且容易獲取.運用這些東西設(shè)計對抗性物理實驗，可以貼近學(xué)生的生活實際，使學(xué)生感到熟悉和親切，也能體會到理論知識和生活實際的關(guān)系.

案例4.硬幣碗.

問題提出：如圖5，生活中的碗都是中間凹進去的，現(xiàn)在一個一元硬幣也能作為容器裝水，你能裝多少水呢？

圖5 硬幣碗實驗器

實驗操作：液體表面層分子由于距離較大使得分子間引力大于斥力，宏觀上會有使液體表面收縮的效果，就像一張繃緊的膜.給每組配一個膠頭滴管和硬幣，小組成員逐滴將水滴在硬幣上，裁判在邊上仔細觀察液體從硬幣上溢出前的滴數(shù)，數(shù)量最多的一組獲勝.

案例5.扎不破的袋子.

問題提出：一個氣球很容易被一支尖銳的鉛筆扎破，那一個裝水的塑料袋呢，你最多能扎幾支鉛筆依然保證其不漏水？

實驗操作：如圖6，高分子聚合物制作的塑料袋柔軟度高、拉伸性強，在被鉛筆戳穿的瞬間會迅速包裹住鉛筆，在水張力的共同作用下，不會有水從縫隙中漏出.比賽時，給每組相同規(guī)格的塑料袋，足量的水和削尖的鉛筆，將筆逐根插入直到有水溢出，由于操作技巧的差異，每組插入的鉛筆數(shù)量有差異，數(shù)量多組獲勝.

圖6 扎不破的袋子效果圖

以上項目例子中的塑料袋、杯子、乒乓球和硬幣等，這些器材在生活隨處可見，成本很低，學(xué)生可以隨時取材進行操作.在項目實驗過程中，學(xué)生利用理論知識解決實際問題，既能體會到理論知識和生活實際的差異，也能感受“從生活走向物理”的理念.

2.4 合作化原則

課內(nèi)的一些物理實驗可以由學(xué)生單獨完成甚至由教師演示完成，但對抗性物理實驗是小組與小組的比拼，需要讓全組學(xué)生通力合作.在操作時可能物理成績較好的學(xué)生不敵物理基礎(chǔ)較弱的學(xué)生，因為該項目對學(xué)生的思維敏捷程度要求較高，學(xué)困生如果在這一項目中取得勝利，可能會重新審視自己學(xué)習(xí)物理的能力，提升自我效能感，對相應(yīng)概念的學(xué)習(xí)也會提起興趣.這將是一個良性循環(huán)的開端.

案例6.鋁箔紙取火.

問題提出：古人有鉆木取火的智慧，我們能不能利用若干節(jié)電池快速將鋁箔紙點燃實現(xiàn)取火呢？

實驗操作：利用電流熱效應(yīng)，讓鋁箔局部快速升溫達到燃點.比賽時，給每組4 節(jié)干電池、一張鋁箔紙，兩根導(dǎo)線（圖7），學(xué)生需對鋁箔紙適當(dāng)裁剪實現(xiàn)目的，由于操作的差異導(dǎo)致每組點火時間有先后，點火最快的一組獲勝.

圖7 鋁箔紙取火

案例7.拍攝水下的物體.

問題提出：在一個陽光晴朗的午后用手機對著清澈的湖面拍攝，很難拍清水下景物，這是因為湖面的反射光影響了成像效果，如何盡量拍清水下景物呢？

實驗操作：照相機作為一個精密光學(xué)儀器包含了很多光學(xué)知識，生活中為了避免有害反光對成像的影響，可在鏡頭前加一個偏振片.現(xiàn)所有組學(xué)生準(zhǔn)備相同的手機，每組提供一個手機用的偏振片以及若干不同顏色的濾光片（也可以視情況增加一些手機外加鏡頭）.在水槽底部放上一個玩具（模型），水槽注水沒過玩具5 cm 左右，水槽可置于前排學(xué)生課桌上.用亮度較高的光源，從較高位置斜射向水面.每組限時2 min拍攝，選取最滿意的一張照片，用于各個小組之間的評比.（學(xué)生拍攝時可以輕微振動課桌，模擬湖面出現(xiàn)的波紋.）

綜合以上原則和實踐經(jīng)驗，我們可在高中階段開展若干次項目學(xué)習(xí)活動，每次用1節(jié)課時間.在項目篩選環(huán)節(jié)，有實驗不符合對抗性物理實驗的幾個原則時不能輕易舍棄，要對標(biāo)原則找出其缺陷然后進行改進，通過學(xué)生的智慧來開發(fā)出更多有創(chuàng)意的實驗對抗項目.

3 項目式學(xué)習(xí)在對抗性實驗開發(fā)實施中的反思

基于《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》的精神，為了促進物理觀念的形成，在教學(xué)過程中，應(yīng)讓學(xué)生經(jīng)歷物理概念的建構(gòu)過程，創(chuàng)設(shè)必要的情境，讓學(xué)生經(jīng)歷概括和抽象的過程，尋找事物的本質(zhì)特征，形成概念.這就需將物理知識和實踐情境相關(guān)聯(lián)，在教學(xué)中對教材再創(chuàng)造，選擇與學(xué)生聯(lián)系密切的生活實例在課堂中用物理學(xué)知識進行分析.對抗性物理實驗作為一種游戲式的教學(xué)方式是對常規(guī)課堂的補充，其能把物理知識和實踐情境主動結(jié)合起來，強化學(xué)生以物理學(xué)視角解釋和解決實際問題的動機與能力.

通過對抗性物理實驗，學(xué)生將會在游戲中鍛煉科學(xué)思維，在游戲中培養(yǎng)科學(xué)探究意識，體會將課內(nèi)知識運用于生活實際的過程.在討論點評環(huán)節(jié)，教師也應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生有所思、有所得，總結(jié)游戲背后的物理規(guī)律、物理思維方法.另一方面，對抗性物理實驗的開發(fā)不是一蹴而就的，教師可以安排學(xué)生“玩”實驗之余嘗試開發(fā)實驗.開發(fā)實驗的過程是利用理論知識的過程，同時對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有積極價值.總之，以問題為導(dǎo)向的對抗性物理實驗的開發(fā)與應(yīng)用是為了將所學(xué)的物理知識和方法用于分析、解決現(xiàn)實生活中的各種實際問題.在解決實際問題的過程中進一步提高探究能力，增強實踐意識.以游戲競技的形式開展，能讓所有能力層次的學(xué)生參與其中，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度，促進核心素養(yǎng)的形成.