基于IYPT培养学生物理学科核心素养的实践与思考①

耿宜宏　杨国庆

(1. 江苏省前黄高级中学,江苏　常州　213161；2. 江苏省常州市金坛区教师发展中心,江苏　常州　213200)



·名师论坛·

基于IYPT培养学生物理学科核心素养的实践与思考①

耿宜宏1杨国庆2

(1. 江苏省前黄高级中学,江苏常州213161；2. 江苏省常州市金坛区教师发展中心,江苏常州213200)

名师简介：耿宜宏，江苏省物理特级教师,中学高级教师,江苏省奥林匹克高级教练员.在二十多年的教学实践中,注重教育教学经验的积累,提炼了以问题为中心,充分体现以学生为主体、学生自主学习、合作学习、自主探究的教学模式,形成了“突出物理思想,强化思维过程,着眼学生发展,全面提高素质”的教学风格.参与或主持了多项国家级、省级课题研究,在省级以上期刊发表论文40多篇.曾荣获常州市师德模范、优秀班主任、首届学生最喜爱的班主任等称号.

IYPT赛事可以很好地培养学生的物理学科核心素养,在审题过程中激发其好奇心,提升问题意识,在方案设计过程中培养科学思维能力,在实验设计过程中培养探究能力,在理论模型与实验结果对比过程中培养反思能力,在探究过程中培养意志品质和协作能力,在研究问题过程中培养工具使用能力,在讨论和比赛的角色变换中培养把握规则和交流表达的能力.

IYPT；物理学科核心素养；实践

1　IYPT简介

简称为IYPT(International Youth Physical Tournament)的国际青年物理学家竞赛由前苏联在1988年发起,由大学组织实施、中学生参与,是一项以团队对抗为形式的物理竞赛，每年举办一届,目前已经举行了28届.参赛的学生们根据给定的17个开放性物理问题进行研究.赛题源于生活,具有很强的开放性和探究性.参赛者用半年到一年的时间,团队合作进行实验研究,解答题目.就基本知识、理论分析、实验方案、结果讨论等以辩论形式进行现场比赛.它以培养参赛者的创新意识、创新能力、协作精神和实践能力为根本理念.

2　物理学科核心素养

核心素养指“学生在学校教育的学习场所习得的、以人类文化遗产与现代文化为基轴而编制的教育内容,与生存于生活世界的学习者在学习过程中所形成的作为关键能力的内核”,它是支撑“有文化教养的健全公民”形象的心智修炼或精神支柱.

《普通高中物理课程标准(实验)》中明确了物理课程总目标：“学习终身发展必备的物理基础知识和技能,了解这些知识与技能在生活、生产中的应用,关注科学技术的现状及发展趋势.学习科学探究方法,发展自主学习能力,养成良好的思维习惯,能运用物理知识和科学探究方法解决一些问题.发展好奇心与求知欲,发展科学探索兴趣,有坚持真理、勇于创新、实事求是的科学态度与科学精神,有振兴中华、科学服务于人类的社会责任感.了解科学与技术、经济和社会的互动作用,认识人与自然、社会的关系,有可持续发展意识和全球观念.”物理学科核心素养的要素可总结为：好奇心和发问、合作交流与表达、问题解决与创新；科学概念与原理、实验探究能力、科学思维方法、环境调查研究、关注科技应用、科学评估与决策.

3利用IYPT培养学生物理学科核心素养的实践

与课堂教学等传统人才培养模式不同的是,IYPT不是用一张试卷来考察学生在有限时间里解决问题的能力.IYPT的研究方式与真正的科研方式相似,每一个课题研究要经历这样几个步骤：审题、查阅资料、建立模型、理论推导、实验验证和得出结论,还要进行误差分析和反思等,所以IYPT研究能激发学生的兴趣,培养学生问题意识、创新发散思维能力、实验探究能力、反思能力、意志品质和团队合作能力等素养.

3.1在审题过程中激发学生的好奇心,提升学生问题意识

传统物理问题通常将实际问题进行了人为加工、简化与抽象,使之成为理想化的抽象问题,即研究理想的物理模型(如质点、绳子、杆、理想气体等)、物理过程(如匀变速直线运动、匀速圆周运动、简谐运动等)等特定对象.而IYPT的所有赛题均来源于日常生活、生产与工程技术,为未被加工或被加工成份甚少的实际问题,它能激发学生的好奇心,让学生感到亲切而又有趣.

学生根据自己的兴趣和爱好选择一个课题,选择相同的课题的同学组成一个研究小组进行探究.选择了一个课题其实是选择了一系列问题,课题的研究过程实际上是伴随着一系列问题的提出和解决的过程,问题引领着课题研究的方向.审题过程就是提出问题的过程,针对课题提出一些问题供大家讨论和思考,每次活动时由课题主持人进行主题发言,提出问题解决的初步思路和方向,团队讨论交流.

如2015年IYPT的赛题的第15题为移动的刷子：将刷子放置在振动的水平表面,刷子可能会开始移动,研究这一运动.

研究小组经过几次讨论，分别从理论和实验两方面提出了一系列问题.

对理论模型的思考：

(1) 对于题目中的振动是怎么理解的？是否考虑过水平振动？

(2) 刷子是否与振台分离,对刷子的运动有没有影响？

(3) 振台方面的变量除了频率、振幅和动摩擦因数还有什么要考虑的？

(4) 驱动力是如何形成的？

(5) 刷子受到的力是摩擦力，还是弹力，还是都有？是什么力使刷子运动？

(6) 振台的振动周期与刷子的振动周期是否一致？

对实验设计与操作的思考：

(1) 将刷子放在振动的水平面上时，手或其他因素可能影响刷子的运动,是否有更好一点的实验方法将刷子更加平稳地放在振台上？

(2) 如果一开始就将刷子放在振台上,是否考虑过振台加速时对刷子的影响？

(3) 在修整刷子时怎么样才能调整好刷毛长度这个变量？

(4) 如何观测刷子的轨迹？

(5)用高速摄像记录刷子的轨迹,是否要垂直拍摄？

(6) 振台不同部分的振幅不一定相同,是否考虑到别的更好的方案或器材？

通过一系列问题的思考,也就勾画出大致的物理模型和实验方案,在以后的探究过程中还会遇到更多的实际问题,同学们在讨论中不断解决.因此在审题过程中培养了同学们的问题意识.

3.2在方案设计过程中培养学生科学思维能力

科学思维能力是学生智力、能力在科学学习中的具体表现,是科学能力的核心.IYPT为培养学生科学思维能力提供了平台.研究方案的设计是课题研究的必要步骤,IYPT课题来源于生活实际,虽然有些课题提供了一些参考资料,但如何研究？研究哪些参量？却是要研究者自己设定,有的研究量还要自己定义说明,这些给学生的研究带来了不小的挑战.为此,学生在审题的基础上进行研究方案设计讨论.讨论时他们先大胆地提出猜想,在纸上记录自己的研究想法,需要什么器材？控制哪些变量？运用什么手段？然后再进行总结、讨论,找出主要研究因素,确定研究方案,根据方案寻找实验器材，并着手探究.

如2015年IYPT比赛中的第10题为叶哨：横过一片草叶或一张纸条或其他类似的东西吹气，从而发声是可行的,研究这个现象.

审题中的变量分析：草叶与纸片的区别是什么？气流相关因素(粘性、是否可压缩、是否有旋)有哪些？如何研究音色(傅立叶变换)？声音性质通过声波的什么反映出来？纸片的表面粗糙程度有何影响?物理模型分析：重力对发声有没有影响？对抗弯刚度如何进行定义与计算？张力与抗弯刚度有何不同？如何测叶哨的振动图像？实验设计分析：喷嘴如何设计？如何测量气体流速？如何测量纸片所受张力?如何知道吹出的是不稳定气流?如何消除杂音？通过这样不断地思考,不断地提炼,不断地改进(如图1),从而达到实验与物理模型的统一,最终完成研究任务.通过讨论和实践使学生内化思维方法,培养科学思维能力,提升学习能力.

图1　改变纸片张力的实验装置

3.3在实验设计过程中培养学生探究能力

传统的物理竞赛试题一般都经过提炼、简化,已给出了较清晰的物理图像,待求的物理量也十分明确.对这样的问题,学生只要弄清楚用到的概念、原理,然后沿着传统的步骤,正确应用数学工具,一般是能够达到求解目的的.与传统物理竞赛的这种闭卷考试、求解做题的方式截然不同,IYPT的所有赛题均要求学生对某些实际物理问题进行相关理论与实验研究.课题的探究过程没有先例可以参照,探究的过程就是一个创新的过程,从探究方案设计到探究实验过程,以及探究过程中遇到的新问题都需要学生去面对、解决.

图2　两充气球的实验装置

如2015年IYPT比赛中的第5题为双气球：两个橡胶气球被不完全充满气并被一个带阀的塑料管连接(如图2),会发现空气由于初始气球体积不同而流向不同方向.

研究这个现象的最终任务是判断两气球在什么条件下能发生我们预见的流向.要解决这个问题,需要从理论和实验两方面进行探究.首先要建立模型，从理论上探究气流流动的原因.对气球作出假设,设定相关参量,从理论上探讨影响气流流向的因素.

实验探究过程要解决的问题很多,如：如何测量气球体积？如何测气球内气体压强？如何设计图表找出相关量与气体流向的关系？如何通过实验与理论对比,进行误差分析？

图3、4展示了学生的探究情况,学生在探究过程中自学了流体力学等相关的知识,在实践中自制实验器材,设计实验,学会解决问题的一些方法,体会了探究的艰辛,体验到了成就感.

图3　用DIS测气体的压强

图4　气球内部的压强随半径的变化关系——实验值和理论值对比

3.4在理论模型与实验结果对比过程中培养学生反思能力

IYPT的探究是开放的,没有固定的结果,研究者可以根据自己的研究在不同的方向或层面上给出相应的结论,但对于探究的结果,除了实事求是外,学生还要有反思的意识和能力,反思结果要有充分的依据,要考虑方案的进一步优化.

如2014年IYPT比赛中的第5题为载重的铁环：给圆环的内部负载一个轻小重物,给环一个初始推动,研究这个环的运动.

这个课题研究小组通过理论探究得出环的运动有三种情景：滚动、跳动和滑动.实验中运用高速摄像机慢放很容易观察到滚动和跳动两种情景,但滑动情景却始终观察不到.研究小组再一次反思理论模型,进一步讨论理论模型是否正确或完善,得出的结论与一开始的结论是一致的,这就激发学生进一步反思,通过多次实验终于设计出证明滑动存在的方法：在环边附一块强磁铁,在环边上吸有少量的铁屑,铁屑上沾上墨汁,给环一个初速度,让环在白纸上滚动,于是在纸上留下铁屑的黑迹,测量相联的两个黑迹点之间的距离与其周长比较,就可以知道环在滚动过程中是否存在滑动了.

3.5在探究过程中培养学生意志品质和团队协作能力

IYPT所有的课题研究都是通过小组合作来完成的,合作的形式根据课题的内容、进展等因素而改变.研究初期主要是在小组内讨论,建立模型、进行理论分析时主要是与高校学长、校内的老师,甚至是大学的教授讨论,在PPT汇报成果时与不同组的同学讨论,最后在比赛时与对手讨论等.讨论中让学生养成善于倾听、尊重他人、尊重知识和不惧权威等素养,培养学生学会合作和团队协作能力.

如2015年IYPT第6题为马格努斯滑翔机(Magnus glider),影响滑翔机飞行的因素很多,探究过程中要运用控制变量法.但如何控制以相同的速度发射出去,是实验中的一个难题.研究小组经过大量实验,反复修改和测试,最终设计出既可以控制发射速度的大小,又可以控制发射方向的发射器,为实验顺利进行提供了条件.实验数据的处理更是团队合作的结果,研究小组先进行多次实验,选择若干组实验视频,运用视频跟踪分析软件Tracker进行跟踪,获得滑翔机飞行的轨迹相关数据,再用数据处理软件Mathematica进行分析,最后通过编程得出运动轨迹方程,与理论模型进行比对,得出结论.其中的数据获取和录入花了研究小组三位同学的一个星期的时间,没有坚强的毅力和团队的合作精神是很难完成这一任务的.面对困难与挫折,能保持清醒的头脑和顽强的意志,团结一致,保持队伍的战斗力,最后获得成功,这正是IYPT精神所在.

3.6在研究问题过程中培养学生工具使用能力

IYPT问题来源于生活,涉及到的知识也是多方面的,有物理学的,也有化学的,包含力学、光学、热学、电磁学、工程力学、材料力学等,每年的课题内容也是包罗万象,文献的检索、梳理为课题研究所必需,在IYPT网站虽然也提供了相关问题的背景材料,但也要学生去查找、理解,转化为自己的知识,才能运用到理论模型中.

在研究工具的使用上,除了常见的PPT、Excel、Photoshop等办公、图形处理软件外,学生还学会了视频跟踪分析软件Tracker、音频编辑软件Cool Edit Pro、仿真实验软件等的应用,甚至还要学会编程来解决相关问题.

硬件方面的工具除了原来使用过的数字实验系统、示波器、电压和电流表等常见的工具外,还有如摄像机、数字万用表、红外温度计、烙铁和车床等等.

3.7在讨论和比赛的角色变换中培养学生把握游戏规则和交流表达的能力

任何一种比赛都有一定的比赛规则,参赛者只有把握好比赛规则才能赢得最后的胜利.在IYPT比赛中每一个代表队都要担任不同的角色,而不同的角色必须遵守相应的规则.如作为正方,应该在规定的时间内表达清楚,尽可能用足时间.而作为反方只能针对正方的报告提问和讨论,不得提及自己的研究过程,否则被视为违规而被扣分,因此反方常有“有话不能说”的感觉.反方还要针对正方报告，指出其优点的同时,更应该找出其实验或理论中存在的问题进行有理有节的讨论,而不是辩论,是双方有问题讨论,而非让对方无话可说等,这些都是赛手所必须掌握的规则.评论方既要关注正方的陈述报告,又要关注正、反方讨论过程中表现,在评论方提问环节提出双方未讨论清楚的问题,或者未涉及到的有争议的问题,在评论方报告中必须指出正、反方的优缺点,同时还可以提出自己对这一课题中有关问题的看法.

表达交流能力是IYPT探究活动中最重要的能力之一,是IYPT比赛中独有的要求,也是这项比赛最吸引人的特色.在探究活动中如何表达自己的想法,让他人理解和接受你的观点？在比赛中如何与对方选手交流自己的想法？如何抓住对方存在的问题,切中对方的要害？既需要敏感的洞察力,又要有简明的语言表达能力,只有这样才能表达出自己的观点,赢得对方和评委的认可.

4　反思

4.1IYPT项目是对课堂教学的延续

课堂教学是学生学习的主阵地,是学校培养创新性人才、提高学生科学核心素养的主要渠道.因此,学生的科学核心素养的培养主要还是由日常课堂教学完成,社团活动以及其它研究性学习等课外活动是课堂教育功能的延续.教师应该在课堂教学中不断强化核心素养的意识,与社团活动等有机结合,让课本知识在活动中得到进一步应用,核心素养得到进一步的强化.IYPT是实现这一目的的最佳选择,它能为学生提供探究学习的资源,也为学生提供了充分思考的时间与空间,把所学知识灵活地运用到实际的课题研究中去.教师应敢于放手,相信学生的学习能力,给学生更多的机会.

4.2IYPT研究为教师成长提供了有利的平台

IYPT对教师提出了较高的要求,教师参与活动的方式有两种,一种是做学生的导师,当学生在研究过程中遇到困难时能给予适当的知识和方法的指导；另一种参与方式是做学生的同伴,与学生一起讨论、一起做实验.笔者常以后一种方式参与课题研究过程,有时充当同伴,有时充当反方和评论方,在不断的交流中,课题也深深地吸引了教师本身,激发了教师的探究兴趣.为了设计实验和建立模型,教师也需翻阅大量的参考资料,尝试各种实验方案.教师本身也要不断学习,才能参与课题组的讨论.随着课题研究步步深入,自身的指导能力也在提高,在提高了学生能力的同时也完善了自己.

4.3学校应为学生提供系统的指导

IYPT是一个学术性很强的活动,高中一、二年级的学生研究能力还远远没有达到自己开展小组研究的能力,特别是刚接触课题研究时需要了解IYPT的规则,更需要了解、掌握研究方法和技能.例如如何自主学习？如何进行探究？如何写实验研究报告？如何进行团队对抗？如何表达自己的观点？如何理解对方的观点,并能从中找出其优点和不足之处？这给我们物理教学提供了很好的校本化的教学资源.从2014年起我们开发了校本课程——《IYPT课题研究指导》,课程包括IYPT发展史、IYPT比赛规则、实验研究报告的撰写、实验数据的测量与误差分析、模型的建立、基本实验测量工具的使用、数据处理软件的使用等.在此基础上还准备了开展实验系列校本课程,让更多的学生了解物理,对物理感兴趣,更重要的是提升学生的核心素养,让学生终生受益.

[1] 董耀.IYPT与IPhO的比较[J].物理之友,2014,30(4).

[2] 张一驰.依托JSYPT培养高中生物理创新能力初探[J].物理之友,2015,31(3).

[3] 吴志山.在IYPT选修活动课中提升学生科学素养[J].物理教学,2015,(3).

[4] 胡卫平,林崇德.青少年的科学思维能力研究[J].教育研究,2003,(12).

[5] 辛涛,姜宇,刘霞.我国义务教育阶段学生核心素养模型的构建[J].北京师范大学学报(社会科学版),2013,(1).

[6] 李川勇,王慧田,宋峰,刘玉斌,孙骞.中国大学生物理学术竞赛及其对培养学生综合能力的作用[J].大学物理,2012,(5).

[7] 耿宜宏.基于JSYPT转变学生学习方式的实践与思考[J].物理教师,2015,(6).

①本文为2014年江苏省实验教学研究课题“依托JSYPT项目实验培养创新人才的实践研究”的成果之一.