科学探究视角下IYPT的过程分析及对高中物理探究式教学的启示

陈晨

摘 要：本文从科学探究的视角出发，分析了IYPT的探究流程，并以“罐中罐冰箱”为例进行具体分析和探究，从而得到对高中物理探究式教学的启示，并对此提出了三点建议。

关键词：科学探究；IYPT；探究式教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）3-00012-4

1 引 言

IYPT（International Young Physicists Tournament）是国际青年物理学家锦标赛的简称，是当前世界上最主要的高中物理团体性对抗赛事，其主要目的是训练高中生针对物理实际问题的合作解决、发表观点和辩论的能力。比赛采用“物理对抗”的答辩形式进行。每一届IYPT都会在开赛前一年提供17道新颖独特的题目，其内容大都来源于生活，没有固定的答案，无法在短时间内解决。每一道赛题都可以看成是一个微课题，对赛题的研究就是一个完整的科学探究过程。本文从IYPT的探究过程出发，通过探讨IYPT赛题的探究过程并呈现具体的案例，找出其中的一些规律，让一线高中物理教师从中受益，并给如今的高中物理探究式教学提供参考和借鉴。

2 科学探究视角下IYPT的探究过程探讨

2.1 具有真实性、开放性、原始性、探究性的IYPT赛题

由于IYPT的别具风格的比赛形式，赛题与传统的题目大不相同。IYPT的赛题最大的特点是真实性高，开放性程度大，原始性强，内容涉及力、电、光、声、热等方面的知识，基本覆盖了中学所要学习的知识，具有较强的综合性。例如，2014年第六题为：泡沫晶体——在含有肥皂水的液体表面上，漂浮着大量非常小的、相似的气泡。气泡会自动排列成一个类似晶格的规则图案。提出一种方法，以取得一致大小的气泡，并研究这种气泡晶体的形成。这道题贴近生活，没有固定的解法和答案，需要学生自主探究。IYPT的赛题更接近原始物理问题。原始物理问题为来自于自然界、社会生产生活中的未经过加工的物理题目；而课堂中的物理习题大都是经过加工后呈现给学生的抽象问题，两者的关系如图1所示。原始物理问题比较适合学生进行科学探究，它没有固定的解题思路，需要学生有发散性的思维和丰富的想象力。在探究过程中，学生自主查阅相关资料，将实际问题经过简化、抽象、加工变成一般的抽象的物理问题，然后再进行理论分析并建立物理模型，进行实验验证从而解出题目。学生的发散性思维得到训练，自主学习能力得到不断增强，科学探究的能力得到不断提升。更为重要的是，在探究过程中，学生学会了如何将科学探究的方法和所学到的知识有机结合起来去解决实际问题，并提升了自己的科学素养。

2.2 注重猜想假设，强调实验验证的赛题探究模式

赛题的原始性、开放性和真实性决定了探究此类题目需要花费一定的时间和精力，而在探究过程中，最关键的步骤就是猜想与假设。猜想不是瞎猜、乱猜，而是根据赛题提供的情境以及现有的理论知识提出合理的假设，猜想什么原因导致了问题的出现，有哪些因素会对问题产生影响。例如，2014年IYPT的第16题：磁制动器——当有强磁铁从非铁磁性金属管降下来时，它会受到一个减速力，研究此现象。根据电磁学中学过的楞次定律的相关知识猜想：因为要阻碍磁通量的变化，所以，强磁铁会受到一个向上的阻力从而使速度变慢，影响的因素可能是磁铁的大小、铁磁性、管子的长度、下落位置等。猜想、假设的目的就是将原始的物理问题抽象化，建立一个物理模型，便于运用所学的理论进行研究。但是，这样就会造成一个问题，在抽象化过程中会忽略一些因素。因此，在理论分析中首先要对赛题进行多因素分析，找出影响题目的所有因素并将其分类。例如，可以分为物体自身因素、过程因素、周围环境因素和误差因素。然后对因素进行分析，列出主要因素，忽略次要因素，抓住问题的本质，进行深入探究，避免研究太过宽泛或肤浅。最后，再结合所学的理论知识加上大胆的想象，建立一个物理模型，将所涉及的因素包含进去。

然而，仅有猜想和假设是远远不够的，还必须通过实验才能检验理论假设是否成立。IYPT赛题的开放性程度高，每道赛题涉及的探究因素有很多。对于这些探究因素，有的只需从理论上进行分析，有的则需要进行探究实验，还有的需要进行验证实验。因此，在同一道赛题中，可能需要进行两个或两个以上的不同性质的实验，这不仅增加了实验数量，还对学生设计实验的能力提出了更高的要求。针对不同的假设，学生需要设计出不同的实验方案（包括实验器材、实验操作、数据记录、误差分析等）；而在实验中，实验仪器需要自己设计并制作，实验结束后将得到的结果与假设相比较，检验假设正确与否。通过这样的过程培养学生的动手能力并提升学生的实验技能。

2.3 交流过程中科学思维的碰撞

IYPT以团队合作的形式比赛，每支队伍由五名左右的成员组成，对赛题的研究要进行分工合作。在赛题探究阶段，队员们对于同一道赛题会产生不同的想法，通过交换各自的想法来拓宽探究的思路。比赛的过程就是大家相互交流学习的过程，与他人分享自己对某道题目的研究，将自己的探究思路、过程和方法展现出来，在肯定他人研究成果的同时指出其研究中的不足之处并一起进一步研究题目，有利于学生整体的科学素养的提升。

3 IYPT赛题“罐中罐冰箱”的案例分析

3.1 赛题的解读

“罐中罐冰箱”为2014年IYPT的第七题：罐中罐冰箱（Pot-in-pot refrigerator）——“罐中罐冰箱”是一个利用蒸发冷却的原理让食物冷却的装置（如图2所示）。它由一个大罐子和一个放置在其中的小罐子，以及填充在两个罐子之间的湿的多孔材料构成（例如，沙子）。怎样才能使这样一个装置达到最佳的冷却效果？

这道赛题与我们的日常生活联系得十分紧密，生活中经常要对食物进行保鲜，最常用的方法就是利用降温使食物不容易变质。由题目可知，本题涉及热学的相关知识，基本原理是蒸发吸热，通过蒸发吸热可以达到降温的目的。而这种方法的效果如何，能否产生大幅度的降温则是本题所要探究的内容。阅读题目可以找出以下关键词，如表1所示。

3.2 猜想和假设阶段

3.2.1 罐中罐冰箱的工作原理的猜想

本题主要运用热学方面的知识，根据学过的知识可以将罐中罐冰箱抽象成一个带有夹层的散热容器，食物装在里边的小罐子中。小罐子中产生的热量主要有两个来源：一个是食物自身散发的热量，另一个是外界传到罐子中的热量。通过热传导，两个罐子间的填充物将小罐子中的热量带出，填充物由于自身较湿会蒸发吸热，从而将热量传递到周围的环境中，使内部的小罐子达到降温的效果。

3.2.2 影响因素的分析

本题的主要影响因素可以分为两大类：装置自身的因素和外部环境的因素（如表2）。

1）罐子的材质和尺寸

罐子的材质不同，散热的效果也不一样。有的材料导热性能好，有的材料导热性能差。且罐子的大小会通过改变散热面积来影响降温的效果。

2）填充物的种类

根据Q=cmΔT可知，在总热量一定的情况下，一种物质的比热容越大，吸收热量所需要的时间越短。对于题目而言，即降温所需要的时间越少，降温的效果越好。因此，需要探究不同种类的填充物，找出效果最好的一种。

3）蒸发面积

根据热力学中蒸发速度的公式可知，蒸发的面积越大，蒸发速度越快，所需要的时间越少。蒸发的面积又与罐子的尺寸和形状有关。

4）湿度和空气流速

湿度越大，表明蒸发面上方的空气中水蒸气的含量越高，越不利于蒸发。若空气加速流动，则有利于带走水蒸气，从而减小湿度，加快蒸发，缩短蒸发的时间。

3.3 设计实验方案，进行探究实验

1）实验器材

需要用到的实验器材有玻璃烧杯、瓦盆、陶瓷盆、不锈钢杯、塑料盆、铁盆、泥土、沙子、酒精、水、湿纸、温度计、湿度计、手表、电风扇等。

2）实验过程

教师事先准备好可能用到的实验器材，将学生分成几个小组。每个小组选取一个因素进行探究，要求制定出详细的实验方案，包括实验器材的选择、实验的探究步骤、数据记录以及最后得到的实验结论。在实验中，提醒学生使用控制变量法进行实验探究，对每一个探究因素，都应该有详细的实验记录。这里仅以探究罐子的材质与降温效果的关系为例进行说明。教师给学生提供不同物质的导热系数，学生参考物质的导热系数，决定内、外罐选用什么材料，设计出较合理的组合进行探究实验（如表3），从而提高探究的质量和效率。

3）数据分析

在实验探究中需要对相关数据进行记录，如表3所示。测出初始温度、末温度和所需时间，在分析时，需要对数据进行一些必要的处理。教师可以启发学生通过某一个物理量来表示制冷效果。例如，比较相同时间内的ΔT，或者比较相同的ΔT所需要的时间t。

4）实验结论

对所有的因素进行探究后，根据对数据的分析，学生得出实验的总结论。结论可以是定性的，也可以是定量的。可以通过表格的形式展现（如表4），并且需要指出不足和改进之处。

3.4 赛题总结

这是一道非常适合学生进行科学探究的题目。上面给出了对赛题进行科学探究的一个完整过程，并且已经根据中学的实际教学情况做了一定的改动。本题主要运用了热学中的蒸发吸热原理。因此，中学教师可以将赛题稍作修改用于物理热学的相关教学。运用科学探究的方法进行教学，让学生体会科学探究的过程，可以提高学生的科学探究能力和物理素养，激发学生学习物理的兴趣。

4 IYPT过程分析对高中物理探究式教学的启示

4.1 整合赛题资源，联系实际教学，激发探究兴趣，提升学习能力

高中的物理知识涉及面广，不易理解，传统的讲授式教学让学生学习起来比较吃力。若是能让学生通过科学探究自主学习知识，并与实际生活相联系，可以降低学习的难度，激发学生学习物理的兴趣。IYPT作为面对中学生的一项物理赛事，其赛题与高中物理内容联系紧密，具有生活性和探究性，有利于学生开展自主学习，能激发学生的发散性思维。因此，在平时的物理教学中，教师可以适当地引用一些与所教内容相关的IYPT赛题，组织学生进行交流讨论，让学生自主探究。例如，在讲到热传导的相关知识时，教师可以引用上面“罐中罐冰箱”的例子，让学生思考“降温的效果与哪些因素有关”，指导学生设计探究方案，进行实验探究，根据实验结果自主设计一个罐中罐冰箱。最后，让学生进行展示、相互交流，提高学生的自主学习能力。

4.2 提倡问题驱动式的教学模式，提高教师探究式教学水平

探究式教学需要以问题为平台，教师在教学中提出问题，引导、提示学生进行合理的猜想与假设，使学生自主、有效地学习物理知识，从而完成教学目标。然而，虽然现在高度重视探究式教学，但是效果并不明显。并且，教师对探究式教学的理念并不是十分清楚，未能领会探究式教学的精髓，只是满足于探究式教学的形式和流程，不能最大化地发挥探究式课堂的优势。学生的学习自主性不强，这都会直接影响教学效果。因此，教师可以借鉴IYPT赛题的探究模式，将所要教学的内容以课题探究的方式向学生提出，将课题分成若干个子课题，每个子课题就相当于一个小问题，让学生以小组合作的形式对一个小问题进行探究，提高探究效率。

例如，在学习碰撞时，教师可以提出这样一个问题：两个运动的小球在水平面上相撞，请探究两球相撞前后不变的物理量以及所遵循的物理规律。教师先引导学生对问题进行分析，在碰撞时涉及到的物理量只有两个，即小球的速度和质量。质量一般情况下不发生变化，而速度在碰撞前后会发生改变。因此，不变的物理量可能既包含质量又包含速度，猜想不变量可能是mv、mv2、等。而两个小球碰撞的形式大致有以下几种：①两球都在同一条直线上运动，这种情况又可以分为两种，即相向运动和追击运动；②两球不在同一条直线上运动，运动速度间有夹角，也分为相向碰撞和追击碰撞。对于上述四种现象，可以将学生分为四组进行探究，每组研究一种情况。让学生自己设计实验方案，选取所需要的实验器材，做好数据的记录。最后，教师将这几种情况综合起来，引出动量这个物理量，得到动量守恒定律。教师还可以进一步追问：若水平面不平，有坡度，物体的碰撞还遵循动量守恒定律吗？让学生课后自己探究，激发学生的兴趣。

4.3 课外探究与课堂教学相结合，开发探究式物理作业

探究性不仅要体现在课堂教学中，还要与课后作业相结合。然而，在现实中，探究式教学受到高度重视，探究式作业却似乎被忽略，没有很好地进行开发与研究。通过探究作业，教师可以了解学生的理论水平、提出问题的能力、实验能力、撰写小论文的能力等。例如，在学习冲量时，可以设计如下探究性题目。先创设情境：一只普通的未经加工的鸡蛋从高处落到地上很容易摔碎，若落在海绵上则不易损坏。然后，通过小问题的形式引领学生进行探究（例如，鸡蛋落在什么样的物体上不会损坏，学生可能会猜想海绵、泡沫等）。接着要求学生自己从不同的高度、尝试利用不同的物体进行实验，观察鸡蛋是否损坏。然后，对实验现象进行理论分析，学生会想到用冲量定理的知识解决，得出结论。最后，根据这个结论，启发学生思考，这个结论对我们有什么帮助，从而跳出物理范围，将其与实际生活相联系，并鼓励学生将其以小论文的形式呈现出来。通过这样的探究作业，学生不再局限于枯燥的传统物理习题，而是借助探究作业的平台充分发挥自己的实践才能，并能提高自己的动手能力和写作技能，为自身的全面发展打下一个坚实的基础。

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