王小鳳　黃晨陽　孫瑾　陳孝鏇　霍增懿

基金項(xiàng)目：

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目 （201813843006Y）。

摘 要

實(shí)踐能力與科技的創(chuàng)新關(guān)系密切。如何盡可能提升學(xué)生對(duì)物理的興趣，有效地開發(fā)學(xué)生的智力，培養(yǎng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的觀察能力和實(shí)踐能力，是在課外開設(shè)趣味物理實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，也是未來科技創(chuàng)新的基礎(chǔ)。本文結(jié)合筆者制作的趣味物理實(shí)驗(yàn)儀器和開展的中學(xué)生物理活動(dòng)，探討了如何運(yùn)用趣味物理實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞

趣味物理;物理素養(yǎng);實(shí)踐能力;創(chuàng)新

中圖分類號(hào)： O4-4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.001

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的自然科學(xué)。在物理學(xué)的教學(xué)過程中，教師都會(huì)通過視頻中的實(shí)驗(yàn)演示或者自己做實(shí)驗(yàn)演示來加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)和理解，可是俗話說，百聞不如一見，百見不如一干，實(shí)踐才能出真知，而課堂時(shí)間和器材的限制都導(dǎo)致了學(xué)生的動(dòng)手機(jī)會(huì)較少，以至于其實(shí)踐能力得不到提高。

這樣的困擾伴隨了教師與學(xué)生許多年，教師迫于班級(jí)升學(xué)率的壓力，以至于沒有辦法寓教于樂;學(xué)生迫于分?jǐn)?shù)的壓力，只能死板地跟隨教師學(xué)硬知識(shí)。好在國家教育部一直在教育方面做著合理的改進(jìn)，認(rèn)為教育應(yīng)當(dāng)對(duì)學(xué)生的各方面發(fā)展負(fù)責(zé)，而不僅僅是學(xué)習(xí)知識(shí)。因此，教育部頒布了《普通高中課程方案和各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，而其中對(duì)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)進(jìn)行了精確的定義，以物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任四個(gè)方面進(jìn)行了水平劃分。使得物理學(xué)科方面的教學(xué)要求更加綜合、全面、具體。

所以筆者認(rèn)為在課外開展趣味物理實(shí)驗(yàn)以提升學(xué)生的實(shí)踐能力、培養(yǎng)學(xué)生的物理素養(yǎng)是一條切實(shí)可行的路徑，它對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新能力往往能起到事半功倍的效果。

1 趣味物理理念下的物理素養(yǎng)

心理學(xué)表明，學(xué)習(xí)興趣是學(xué)習(xí)活動(dòng)中最現(xiàn)實(shí)最活躍的心理成分，它是非智力因素中最主要的一個(gè)因素，它是調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性的強(qiáng)大動(dòng)力。只有讓學(xué)生對(duì)物理這門學(xué)科有一個(gè)好的興趣基礎(chǔ)，才能使學(xué)生在物理學(xué)習(xí)的過程中進(jìn)一步加深對(duì)物理知識(shí)的理解和掌握。趣味物理中最基本的理念正是如此。

中學(xué)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括：①形成物理基本觀念;②掌握科學(xué)探究方法;③形成良好科學(xué)思維;④培養(yǎng)正確科學(xué)態(tài)度。而這些核心能力也正是趣味物理所培養(yǎng)的。筆者認(rèn)為，成立趣味物理實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組，對(duì)初中生開展趣味物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，將趣味物理理念應(yīng)用到物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)中，有以下幾點(diǎn)要素。

1.1 情境轉(zhuǎn)化——將抽象的物理知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的趣味研究

基于物理素養(yǎng)的趣味物理理念下的情境轉(zhuǎn)化主要包括兩方面：1）生活中有很多有趣的具有物理意義的情境，學(xué)生被引導(dǎo)通過抽象的物理知識(shí)發(fā)現(xiàn)生活中的這些奧秘。2）將生活中的實(shí)際情境轉(zhuǎn)變成趣味物理模型，運(yùn)用物理知識(shí)分析、解釋從而學(xué)會(huì)應(yīng)用。

從學(xué)生心理角度看，因?yàn)橛腥ぃ瑢W(xué)生的思維也會(huì)因此變得發(fā)散，這使得學(xué)生能夠更好地根據(jù)具體需求，靈活考慮問題。

1.2 實(shí)際體驗(yàn)——學(xué)生親自感受趣味物理實(shí)驗(yàn)

活動(dòng)器材取材于生活，這使得學(xué)生感到更為親切，從而可以提高學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的積極性。畢竟，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是全面提高學(xué)生素養(yǎng)的重要途徑。

讓學(xué)生體驗(yàn)趣味物理實(shí)驗(yàn)不僅僅是做趣味物理實(shí)驗(yàn)演示給學(xué)生看，還會(huì)讓學(xué)生利用生活中常見的物品自己動(dòng)手操作實(shí)踐，做出有趣的物理實(shí)驗(yàn)。在活動(dòng)中，學(xué)生最直接的收獲便是體驗(yàn)了自己做實(shí)驗(yàn)的樂趣，而更深層次的是體驗(yàn)了物理概念和規(guī)律的形成。

1.3 科學(xué)態(tài)度——責(zé)任感

要使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)和環(huán)境之間的關(guān)系，形成嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度。還要培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、從而促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感。大部分趣味物理實(shí)驗(yàn)恰恰就可以做到這一點(diǎn)。因?yàn)槿の段锢韺?shí)驗(yàn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)小組正是秉承著“節(jié)約、環(huán)?！钡囊庾R(shí)利用身邊的廢舊物品制作簡(jiǎn)單的物理模型來證明一些物理原理的。

當(dāng)然，不只是這樣。通過一些物理與其他學(xué)科的組合實(shí)驗(yàn)也會(huì)引導(dǎo)學(xué)生意識(shí)到物理與其他學(xué)科的緊密聯(lián)系，使責(zé)任感上升到學(xué)科的價(jià)值導(dǎo)向。

2 基于趣味物理的核心素養(yǎng)培養(yǎng)實(shí)踐案例

2.1 聽話的小球

丹尼爾·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”，其實(shí)質(zhì)是流體的機(jī)械能守恒。其最為著名的推論為：等高流動(dòng)時(shí)，流速大，壓力就小。在生活中，伯努利原理應(yīng)用廣泛，飛機(jī)、噴霧器、乒乓球的上旋球以及足球運(yùn)動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)球都是利用它實(shí)現(xiàn)的。中學(xué)生往往對(duì)其只知其然而不知所以然，本實(shí)驗(yàn)利用小球在方形管中的循環(huán)運(yùn)動(dòng)讓學(xué)生直觀感受伯努利原理的實(shí)現(xiàn)，從而增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)科的興趣，豐富其對(duì)于物理知識(shí)以及物理學(xué)科在生活中的作用的認(rèn)識(shí)與理解，保持和增強(qiáng)學(xué)生對(duì)生活中物理現(xiàn)象的好奇心和探究欲。

2.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路及原理的理解

設(shè)計(jì)思路：首先運(yùn)用簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行試探性的實(shí)驗(yàn)，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。然后購買相對(duì)專業(yè)的器材，不斷實(shí)驗(yàn)，做出最完善的實(shí)驗(yàn)器材以供展覽參觀。最后，通過展示實(shí)驗(yàn)，接收學(xué)生反饋，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適應(yīng)教學(xué)的改善。

實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)小球被吹到出口處時(shí)，會(huì)因?yàn)椴肀粔夯氐焦艿纼?nèi)，于是小球就這樣循環(huán)往復(fù)的再管道內(nèi)運(yùn)動(dòng)了。

2.1.2 設(shè)計(jì)模型的理解

本實(shí)驗(yàn)裝置較為簡(jiǎn)單，b為入風(fēng)口，穩(wěn)定的風(fēng)從b處垂直進(jìn)入管道，從a出均勻散出，此時(shí)左側(cè)下管中空氣在b-a的氣流帶動(dòng)下，產(chǎn)生如圖所示方向的氣流。若將一小球放入管中，因?yàn)闅饬骶鶆驈腶口散出，氣流在小球底部分布均勻，產(chǎn)生小于小球上方空氣的氣壓，在上方氣壓的擠壓下，加上自身重力，盡管b-a中氣流很大，但是小球依然于a口處懸浮。又知c口處在b-a方向的風(fēng)的作用下產(chǎn)生了微小的氣流且不斷沿c口向館內(nèi)流動(dòng)，使得管內(nèi)氣壓小于小球上方氣壓，打破小球上下氣壓的平衡，小球從c口被吸入管中，并沿c-b-a不斷循環(huán)。通俗來說：向ab管吹進(jìn)空氣。如果管的切面小，空氣的速度就大;而在切面大的地方，空氣的速度就小。在速度大的地方壓力小，速度小的地方壓力大。

圖 1

2.1.3 物理模型的關(guān)鍵點(diǎn)

關(guān)鍵點(diǎn)1： 輸入氣流應(yīng)是持續(xù)均勻的

在本實(shí)驗(yàn)中，a-b管中的氣流應(yīng)該分布均勻，這樣才能使小球在a口時(shí)下方氣流均勻散出，小球漂浮在a口以便從c口進(jìn)入管口。

關(guān)鍵點(diǎn)2 ：輸入氣流應(yīng)該足夠大

此處從兩個(gè)方面考慮①小球自身質(zhì)量。a-b管中氣流應(yīng)足夠推動(dòng)小球從b運(yùn)動(dòng)到a，并飛出a口。②管內(nèi)氣流的運(yùn)動(dòng)。即b-a的氣流應(yīng)足夠大，從而帶動(dòng)c-b的氣流，以達(dá)到從c吸入小球的目的。

關(guān)鍵點(diǎn)3 ：管的內(nèi)壁光滑，各個(gè)拐角是平滑的曲線。

本實(shí)驗(yàn)動(dòng)力為氣流的推力以及重力（僅在與ab對(duì)稱一段），在上水平管中和下水平管中，小球都要予以下管壁壓力，若水平管較為光滑，則水平方向微弱氣流可以帶動(dòng)小球運(yùn)動(dòng)，同理，下端口拐角需為平滑的曲線。

關(guān)鍵點(diǎn)4 ： 小球的直徑質(zhì)量問題

①小球自身質(zhì)量不宜過大或者過小，考慮到非精密儀器風(fēng)的大小不可細(xì)調(diào)的問題，小球質(zhì)量過大則無法吹起或循環(huán)的周期時(shí)于長(zhǎng)（主要為在上、下兩個(gè)平管運(yùn)動(dòng)時(shí)間過長(zhǎng)），而小球質(zhì)量者過小則極易被吹飛出a管管口.經(jīng)過綜合實(shí)驗(yàn)后，發(fā)地使用硬管塑料球殼效效果最佳。

②小球的直徑應(yīng)適當(dāng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，小球直語小于管口1/2時(shí)小球直接從a管口飛出的概率要遠(yuǎn)大于完成循環(huán)的概率，這點(diǎn)應(yīng)與小球在下水平管運(yùn)動(dòng)后碰撞b管壁后的位置及速度有關(guān)，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下較難控制。小球的直徑若大于4/5則會(huì)直接飛出管口，此應(yīng)為所留縫隙較小造成空氣擠壓以及狹縫效應(yīng)影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)案。最后，我們選用了管直徑為管口2/3的小球.成功率高且較為美觀.

2.1.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

①因?yàn)橄匏玫墓娘L(fēng)機(jī)較風(fēng)口較大，我們使用硬紙板、膠帶紙將b風(fēng)口與鼓風(fēng)機(jī)接連在一起，發(fā)現(xiàn)效果不是很理想。聯(lián)系到上述風(fēng)不夠集中的問題，我們使用橡皮泥塞住b風(fēng)口而只留一小點(diǎn)通風(fēng)口之后發(fā)現(xiàn)可以使小球在a口懸停的幾率大大增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在我們所用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，通風(fēng)口半徑為管口半徑的1/2效果最佳。

②注意到小球先會(huì)在a管口懸停而后才會(huì)被吸入到c管管口。因?yàn)樾∏虿⒉荒芮『迷赼管的中心軸運(yùn)動(dòng)，而是在中心軸附近來回碰撞管壁，這樣在a管口懸停時(shí)小球極易從管口掉落（做平拋運(yùn)動(dòng)飛出）。我們模仿資料視頻中用鐵絲網(wǎng)做出口后發(fā)現(xiàn)效果不是很理想（主要為無法做到保證美觀的同時(shí)在教學(xué)中不影響對(duì)學(xué)生的啟發(fā)性，即不給參觀學(xué)生留有太大的疑問）。經(jīng)過嘗試，我們發(fā)現(xiàn)使用大一號(hào)的塑料管套在管口，效果更加，小球在運(yùn)動(dòng)到a時(shí)會(huì)打轉(zhuǎn)后被吸入c口。

3 在物理素養(yǎng)培養(yǎng)中正確運(yùn)用趣味物理實(shí)驗(yàn)科普

趣味物理實(shí)驗(yàn)中魔術(shù)般的展現(xiàn)能讓學(xué)生在感受樂趣的過程中學(xué)到知識(shí)，在自己制作實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)探究過程中體驗(yàn)醍醐灌頂和恍然大悟的喜悅。因此，課余生活中，科學(xué)的趣味物理實(shí)驗(yàn)有利于對(duì)學(xué)生物理素養(yǎng)的培養(yǎng)，從而有利于學(xué)生未來的發(fā)展。

3.1 在趣味的基礎(chǔ)上構(gòu)建比賽機(jī)制

可以讓學(xué)生在熟悉了一些趣味物理實(shí)驗(yàn)之后，開展實(shí)驗(yàn)改進(jìn)比賽，比比誰能把實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)得更加簡(jiǎn)便或者更加精確而沒有破綻。

比賽應(yīng)以促進(jìn)學(xué)生物理素養(yǎng)的提升和實(shí)驗(yàn)探究能力的提高為目的。圍繞“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等物理學(xué)科核心素養(yǎng)，建立合理的比賽判定機(jī)制盡可能對(duì)每一位學(xué)生所改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置全面的考量;也增加讓學(xué)生之間互相評(píng)論的環(huán)節(jié)，使學(xué)生充分了解自己實(shí)驗(yàn)裝置模型的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2 推陳出新

學(xué)生畢竟還是孩子，興趣會(huì)直接影響學(xué)習(xí)效果，新鮮的事物才能更好地激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

每次趣味物理實(shí)驗(yàn)活動(dòng)時(shí)，一定要根據(jù)大部分學(xué)生的興趣走向，帶一些之前學(xué)生沒見過的趣味物理實(shí)驗(yàn)，靈活調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀器的外觀，以便發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，使學(xué)生始終處于積極踴躍的精神狀態(tài)，輕松愉快地在實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)物理知識(shí)。

4 結(jié)語

趣味物理實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)中學(xué)生物理素養(yǎng)有著很關(guān)鍵的作用，它不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。它讓學(xué)生懂得“勤儉節(jié)約”的美德，意識(shí)到生活與物理的密切聯(lián)系，使學(xué)生今后可以對(duì)物理更加感興趣。

現(xiàn)如今，物理學(xué)科在應(yīng)試中變得越來越必不可少，可見物理學(xué)科的重要。所以，讓趣味物理實(shí)驗(yàn)普及到各個(gè)中小學(xué)校，讓全民都愛上物理是筆者對(duì)未來的憧憬與展望。

參考文獻(xiàn)

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