高中物理研究性學(xué)習(xí)選題、開展和評價*
——以探究旋渦的力學(xué)模型為例

梁沛林

(深圳市西鄉(xiāng)中學(xué) 廣東 深圳 518102)

研究性學(xué)習(xí)指學(xué)生在教師指導(dǎo)下,從學(xué)習(xí)生活和社會生活中選擇和確定研究專題,主動地獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的活動[1].研究性學(xué)習(xí)與社會實踐、社區(qū)服務(wù)、勞動技術(shù)教育共同構(gòu)成“綜合實踐活動”,作為綜合性評價中的重要指標,也是落實過程性評價的突破口.然而研究性學(xué)習(xí)的開展因選題的學(xué)科定位模糊,缺乏專業(yè)的指導(dǎo)教師,評價方案和標準還沒形成等原因而發(fā)展緩慢.

對物理學(xué)科而言,研究性學(xué)習(xí)是物理學(xué)習(xí)密不可分的內(nèi)容.物理學(xué)科有許多需要課外探究的問題,研究性學(xué)習(xí)正好跟課堂教學(xué)形成互補,對提升學(xué)生思維能力起到積極的作用.普通高中物理課程標準也建議教學(xué)中通過開展研究性學(xué)習(xí),拓展學(xué)生的知識面,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情,培養(yǎng)學(xué)生主動探索科學(xué)問題的意識與能力[2].

如何把研究性學(xué)習(xí)和高中物理課程深度融合,通過開展物理的研究性學(xué)習(xí)提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力值得一線物理教師思考.研究性學(xué)習(xí)的開展離不開研究什么和怎么實施研究以及如何評價的問題,下面將圍繞這幾個問題進行探討.

1 高中物理研究性學(xué)習(xí)的選題

研究性學(xué)習(xí)的選題非常寬泛,主要是圍繞學(xué)生感興趣的問題開展調(diào)研、分析和實驗等.然而物理課程有其內(nèi)在的教學(xué)內(nèi)容和素養(yǎng)目標,對學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)的選題存在一定的約束作用.綜合性太強的選題不但難以落實,同時也背離了高中課程標準對學(xué)生能力和素養(yǎng)的要求.在教學(xué)實踐中總結(jié)出以下兩種有效的選題方式.

1.1 充分利用教材中的研究主題

6個版本的高中物理新教材中人教版和滬教版都專門為研究性學(xué)習(xí)制定了學(xué)習(xí)模塊.人教版高中物理教材每分冊均提供兩個研究主題,其內(nèi)容圍繞當前所學(xué)物理知識的拓展應(yīng)用或者探究實驗展開.例如人教版必修第一冊的研究課題是“球形物體空氣阻力大小與速率關(guān)系的研究”,通過“問題的提出”“實驗設(shè)計”“實驗過程和數(shù)據(jù)”和“數(shù)據(jù)處理和結(jié)論”4個環(huán)節(jié)詳細展示研究性學(xué)習(xí)的開展流程和方法.另外提供“橡皮筋彈力與伸長量關(guān)系的研究”作為參考選題[3].而滬教版的教材沒有提供完整的研究案例,而是提供了豐富的課題選題.除了測量類課題、探究類課題和應(yīng)用設(shè)計課題以外還提供了調(diào)研課題和綜述課題素材,如“尋找生活中顯現(xiàn)統(tǒng)計規(guī)律的實例”“合理開發(fā)和利用能源的調(diào)查”“華人科學(xué)家在粒子物理領(lǐng)域的貢獻”等[4].滬教版教材在必修和選擇性必修共6冊教材中提供了30個課題以供學(xué)生選擇研究.

1.2 聚焦學(xué)習(xí)生活中的問題展開研究性學(xué)習(xí)

日常教學(xué)中會遇到許多學(xué)生感興趣的問題,但是這些問題又超出了課程內(nèi)容,此時引導(dǎo)學(xué)生展開研究性學(xué)習(xí),能夠跟課堂教學(xué)形成互補,提升能力,形成素養(yǎng).研究性學(xué)習(xí)往往起源于問題,并聚焦一個小問題,通過深入研究對學(xué)科的學(xué)習(xí)起到以點帶面的作用.通常在教學(xué)實踐中提出研究性學(xué)習(xí)主題的方式有以下幾種.

(1)習(xí)題問題轉(zhuǎn)化為研究問題.學(xué)生在學(xué)習(xí)中遇到下面問題:“某用燈泡工作的電壓閾值為2 V,當施加的電壓超過閾值時燈泡發(fā)光.當在燈泡兩端施加峰值為3 V,頻率為50 Hz的正弦交變電流時,求燈泡閃爍的頻率.”當學(xué)生們經(jīng)過分析得到100 Hz的結(jié)論時,課堂上馬上有學(xué)生提出該情境跟電火花打點計時器的工作原理接近,電壓大于某個閾值時電火花打點計時器放電針跟石墨盤間放電并擊穿空氣打出黑點.然而電火花打點計時器的輸入頻率為50 Hz,而一個周期內(nèi)達到電壓閾值的次數(shù)為2次,故打點的頻率應(yīng)該為100 Hz,這顯然跟實際情況是矛盾的.為了解決這個問題,學(xué)生開展了題為“電火花打點計時器的電路設(shè)計研究”的研究性學(xué)習(xí)主題,最終繪制出電火花打點計時器的電路圖,學(xué)生從中學(xué)習(xí)了變壓器、二極管、三極管等電子元件的相關(guān)知識,掌握了電路設(shè)計的基礎(chǔ)知識.

(2)常規(guī)實驗改進和拓展.測量重力加速度實驗中,許多學(xué)生測量出的結(jié)果都出現(xiàn)嚴重的偏差.經(jīng)過分析,發(fā)現(xiàn)測量的偏差跟測量器材、操作方案等因素都有關(guān).于是筆者給學(xué)生布置了一個特殊作業(yè):使用不同的方案,盡可能精確測量重力加速度.于是便有了“探究西鄉(xiāng)中學(xué)重力加速度”的小課題,課題的最初目的就是讓學(xué)生在探究過程中學(xué)會尊重實驗事實,實事求是,然而學(xué)生在探究過程中獲得的比預(yù)期多得多.

(3)為解決實際問題開展研究.由于深圳市西鄉(xiāng)中學(xué)高中部建在機場附近,每天受飛機的噪音困擾,于是有學(xué)生提出了“探究降低西鄉(xiāng)中學(xué)飛機噪音的方案”的研究性學(xué)習(xí)課題.根據(jù)防治噪音的3個方面“聲源防治”“傳播防治”和“受音者防護”進行分析,最后決定結(jié)合聲子晶體的模型通過傳播防治的途徑隔斷噪音.通過測量飛機噪音的主頻,制作匹配的聲子晶體模型測試隔音效果.

2 例說研究性學(xué)習(xí)的開展

研究性學(xué)習(xí)的一般流程是:提出假設(shè)→建立模型→尋找證據(jù)→印證或推翻模型→總結(jié)及反思,如圖1所示.研究性學(xué)習(xí)的開始是“問題”,這是選題的關(guān)鍵,這里不再贅述.在解決問題時需要提出基本的假設(shè),并在假設(shè)的基礎(chǔ)上建立物理模型.結(jié)合模型能夠推演出某些推論,再通過實驗或者客觀事實尋找證據(jù)印證或推翻模型.下面以“探究旋渦的力學(xué)模型”為例簡述物理研究性學(xué)習(xí)的開展過程.

圖1 研究性學(xué)習(xí)的一般流程

2.1 提出疑問 明確研究的問題

學(xué)生學(xué)習(xí)了萬有引力定律后發(fā)現(xiàn)宇宙中的天體運動圖像很像水中的旋渦,于是提出疑問:天體旋渦與水中的旋渦是否滿足相同動力學(xué)規(guī)律?根據(jù)萬有引力定律,天體受萬有引力作用,滿足受力與距離的二次方成反比,結(jié)合圓周運動動力學(xué)方程,推導(dǎo)出:越接近旋渦中心,天體的向心加速度越大,線速度越大,角速度也越大.比較水旋渦的受力情況、線速度、角速度和向心加速度,看是否能得到相同的結(jié)論?

2.2 提出猜想 建立模型

水旋渦形成的水面形狀是錐面,如果只考慮重力和水的支持力,結(jié)合水的旋轉(zhuǎn)可以視作圓周運動,很容易就能夠聯(lián)系到錐面上的圓周運動模型.水在錐面的同一個水平面上可以看作是勻速圓周運動.設(shè)圓錐母線與水平方向的夾角為θ,模型建立如表1所示.

表1 錐面上的勻速圓周運動模型

2.3 探究實驗 尋找證據(jù)

水旋渦大致可以分為擾動型旋渦和漏斗型旋渦兩種,擾動型旋渦通過攪動,使水面形成穩(wěn)定的旋渦,例如洗衣機、水流沖擊到岸邊形成的旋渦等.而漏斗型旋渦則是水從排水口流出時沿側(cè)向的分速度不斷放大形成的旋渦,如常見的洗手盆、漏斗等放水時形成的旋渦.

擾動型旋渦:在圓形臉盆中放入清水,把卷尺固定在盆的直徑上用于讀取小紙片隨旋渦圓周運動的半徑.用手攪動水,使水面形成旋渦.放入小紙片,觀察并記錄小紙片圓周運動的半徑并用停表記錄周期.使用的實驗器材、測量方法、實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)論如表2所示.

表2 擾動型旋渦模型檢驗實驗及數(shù)據(jù)處理

從實驗中可以明顯觀察到靠近旋渦中心的紙片轉(zhuǎn)動的角速度大,線速度小,經(jīng)過計算可以發(fā)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)動半徑的紙片的向心加速度幾乎相等,這跟圓錐面上的圓周運動模型是完全吻合的.

表3 漏斗型旋渦實驗及數(shù)據(jù)處理

從實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)該實驗證據(jù)與所建立的模型并不匹配.

經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn)洗手盆放水時并不是每次都能夠形成旋渦,當不形成旋渦時水流是沿著斜面流入排水口的,其力學(xué)模型類似于斜面模型,水流應(yīng)該是勻加速進入排水口的.

2.4 修正模型 分類探討

通過觀察發(fā)現(xiàn)水流沿著漏斗狀洗手盆下滑時,水流是在加速的.水流沿著錐面上的螺旋線下滑,如果把螺旋線拉直可以把水流看做沿著斜面勻加速下滑,速度越來越快,進而分析角速度和向心加速度.修正的模型如表4所示.

表4 螺旋線加速模型

可見隨著紙片順著旋渦下滑,圓周軌跡的曲率半徑減小,物體線速度增大,角速度增大,向心加速度增大.該模型與漏斗型旋渦的觀測結(jié)果是吻合的.盡管該模型跟天體運動形成的旋渦在線速度、角速度和向心加速度的變化趨勢上近似,然而因為其受力原理不同,故滿足的力學(xué)模型是不同的.

3 展示和評價

研究性學(xué)習(xí)的評價應(yīng)側(cè)重過程性評價,對問題、建模、推理論證、質(zhì)疑、實踐、證據(jù)、解釋、交流等要素需要融合到評價中,如表5所示.研究后需要完成研究報告,并通過研究成果分享會的方式展示.由研究報告、小組評價和教師評價的方式進行綜合評價.研究報告結(jié)構(gòu)和內(nèi)容如圖2(a)和(b)所示.

表5 研究性學(xué)習(xí)研究報告的評價維度

(a) (b)圖2 研究性學(xué)習(xí)報告

每位學(xué)生填寫一份研究報告,經(jīng)過自我反思、小組評價并由教師綜合考慮評價要素最終給該成員打出成果報告的評價分.

集中3～4個相似的課題組進行集中展示.成員輪流上臺介紹研究過程、成果和體會(圖3),給每個學(xué)生提供合作、反思、表達的機會.最后由其他小組和教師共同對課題研究的“價值”“過程”和“展示”進行評價.

(a)

(b)圖3 研究性學(xué)習(xí)匯報會

4 開展研究性學(xué)習(xí)的建議

4.1 重視研究性學(xué)習(xí)的學(xué)科屬性

研究性學(xué)習(xí)被定義為一門實踐課程,這就賦予了研究性學(xué)習(xí)綜合性、探究性和學(xué)習(xí)性的屬性.然而正是因為綜合性,使研究性學(xué)習(xí)被排除在學(xué)科之外.任何一個學(xué)科都能參與研究性學(xué)習(xí),然而又沒有一個學(xué)科能夠獨立開展研究性學(xué)習(xí).目前研究性學(xué)習(xí)的開展都是由其他學(xué)科教師兼任,受限于教師自身學(xué)科背景的局限,研究性學(xué)習(xí)的開展困難重重.在沒有形成獨立課程之前,研究性學(xué)習(xí)的開展應(yīng)提倡從單一學(xué)科的視角開展.例如從物理學(xué)科的角度展開相應(yīng)的研究,解決實際問題,聚焦培養(yǎng)物理學(xué)科素養(yǎng).讓多個學(xué)科共同支撐起研究性學(xué)習(xí)的課程.

4.2 建立基于學(xué)科的研究性學(xué)習(xí)的選題目錄

研究性學(xué)習(xí)側(cè)重于學(xué)習(xí),是為學(xué)習(xí)而進行的研究.研究的選題應(yīng)該有目的性,不可漫無目的地研究.選題既需要結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,也需要接近學(xué)生的認知和能力水平;既需要依據(jù)課標內(nèi)容凝練出研究的問題,又需要考慮學(xué)生的生活體驗和興趣點,激發(fā)研究的興趣.因為每個學(xué)段學(xué)生的教學(xué)內(nèi)容是相同的,認知和能力水平也接近,因此研究性學(xué)習(xí)的選題也具有相對穩(wěn)定性.在實踐中可以根據(jù)本校的實際情況,選取以一批經(jīng)過實踐檢驗切實可行的課題,編制研究性學(xué)習(xí)的選題目錄,供學(xué)生選擇.

4.3 建立研究范例

研究范例指普遍適用于學(xué)生開展研究性學(xué)習(xí)的研究方法和研究路徑.研究性學(xué)習(xí)又區(qū)別于正規(guī)的課題研究,其研究往往已知結(jié)果,并可以重復(fù).在研究中更關(guān)注學(xué)生的配合、參與,解決問題的決心,以及在過程中體現(xiàn)出的證據(jù)意識和科學(xué)精神.中學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)可以歸納為探究、調(diào)研和綜述3類,制定相應(yīng)的研究范例可以規(guī)范研究性學(xué)習(xí)的過程.

4.4 規(guī)范的評價形式

研究性學(xué)習(xí)作為過程性評價的重要內(nèi)容,起到考試評價無法替代的作用.尤其是對科學(xué)態(tài)度和責任、科學(xué)探究素養(yǎng)的呈現(xiàn)比考試評價更全面、更客觀.研究性學(xué)習(xí)評價的規(guī)范性和在學(xué)生升學(xué)中的作用都有待提高.采用研究報告結(jié)合成果分享會的雙項評價以及結(jié)合“自主反思”“相互評價”和“教師評價”的立體評價方式,更能客觀反映學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)中的真實表現(xiàn).

5 總結(jié)

研究性學(xué)習(xí)不僅是高中物理課程內(nèi)容的一部分,也是落實多元化評價體系建設(shè)的重要方式.通過開展研究性學(xué)習(xí)能夠加深學(xué)生對物理知識的理解,培養(yǎng)科學(xué)思維和方法,還能提高跨學(xué)科綜合能力,培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和價值觀,激發(fā)學(xué)生的科學(xué)研究興趣,為學(xué)生的終身學(xué)習(xí)和科學(xué)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ).研究性學(xué)習(xí)選題時教師可以通過充分利用教材提供的研究主題和引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)習(xí)生活中的問題展開研究來實現(xiàn).在實施過程中,教師則需要指導(dǎo)學(xué)生制定研究框架,充分發(fā)揮學(xué)生的好奇心和主動性,引導(dǎo)學(xué)生進行研究.評價上則需要研制評價標準對學(xué)生的研究過程和結(jié)果進行評價,提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)和關(guān)鍵能力.