基于中学生科创培养物理尖子生的几点思考

唐勇 林震苍 王学光

摘   要：文章论述了如何基于中学生科创来培养物理尖子生，尝试通过科创项目来锻炼学生的创新思维，培育他们科学探究的基本素养，并从“创意激发”“资源支持”和“成果检验”三个维度解析了中学生科创流程，通过科创让学生体验差异化思考，锻炼学生的实践能力，学以致用，知行合一。

关键词：中学生科创;头脑风暴;创新思维培养

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0074-3

21世纪呼唤创新型人才，谁拥有更多的创新人才，谁才能赢得未来，而人才的培养源于我们的教育。

本文利用中学生科创这个突破口来培养物理尖子生，给他们“开知识小灶”和“补思维短板”。

接下來以一道省级科创项目为例来解读如何通过科创培养物理尖子生：

装载水杯的小车，自斜坡顶端下滑，在碰到障碍物后，如何让杯中水溢出最少（水杯不能加遮盖）？

1    贵在真实

中学生科创，贵在真实地锻炼学生的创新能力，而不是苛求拿出“超水平”的作品。

我们拿到科创课题后，没有去简单地指定学生参加这个活动，也没有帮学生去做作品，而是将这次活动举办成校际科创比赛，凡是有兴趣的学生都可参与。报名结果令人惊喜，愿意参与科创的学生有数十位之多，中学生对探索未知的热情，确实超乎想象。

2    “头脑风暴”

拿到课题之后，我们科创指导老师迅速构思了一两个设计方案。但是我们并不打算透露想法给科创小组的成员，老师提前透露想法很容易影响到学生自己的判断，会违背举办科创比赛的初衷。在科创训练中，学生需要避免“思维固化”，老师更多扮演的是“引导者”的角色——我们倾向于采用“头脑风暴”的方式来激发科创小组的想象力和创造力。

“头脑风暴”是一种近似于无限制的自由联想和讨论，这种自由而热烈的讨论很容易点燃讨论者的智慧火花。教学方法中的“小组讨论”就比较像轻度的“头脑风暴”。采用“头脑风暴”法教学时，师生都应力求真诚和宽容，围绕问题本身进行思考和讨论，避免狡辩乃至诡辩。一个良好的“头脑风暴”氛围会激发学生的思考，也会锻炼他们交流与合作的能力。

拿到科创课题后，科创小组成员首先讨论了这个问题的“探究本质”，他们经过激烈的辩论，最终达成一致观点：这道题考查的知识是“惯性”和“能量转化”。自斜坡顶端滑下时，小车整体的重力势能转化为小车的动能，当小车撞到障碍物从运动状态变成静止状态时，车上搭载的水由于具有惯性，会继续保持运动，从杯中洒出而导致损失。

从科学原理来看，这个课题比较简单。但是真正实践起来，就会发现想要让水完全没有损失，是需要精心设计的。科创小组提出了好几种设计方案，奇思妙想，创意频出，有一两种方案更是突破常规，独树一帜。

设计方案甲：给小车增加缓冲装备。这个设计方案是最先被提出的，而且支持的人数是最多的，指导老师们第一时间想到的也是这种方案。

设计方案乙：减少杯中水的质量。这个设计方案乍听比较离谱，因为课题要求的是减少水的损失，结果方案设计者却主动减少了水的质量。但是学生的理由是符合科学道理的：惯性的大小和物体的质量有关，减少水的质量可以减少水的惯性。听了学生的解释之后。老师们虽然心里犯嘀咕，但是也鼓励他把这个方案做出来，然后进行实验验证。在创新思维的培养过程中，指导老师要尽量保护学生的创意，不能轻易否定学生的想法。我们要的不是一个想法，我们要的是一个懂得思考和喜欢思考的人。

设计方案丙：用一根摆线将水杯悬空吊起来。这个方案是一个初三学生提出来的，他曾做过水杯做圆周甩动而水不会洒落的实验，所以自然而然地将这种创意用到了设计之中。听完他的设计，我们指导老师不禁相视一笑，心里都认定这种方案很可能是最佳方案。但是我们依然鼓励他先做出模型，然后进行验证实验。

设计方案丁：给小车安装摩擦系数很大的车轮，让小车慢速滑动。这个设计方案最令人意想不到。我们事后采访了很多参赛者，绝大部分参赛者都在小车缓冲和水杯保护上动脑筋。而直接让小车以超慢速滑行的设计方案，出乎了我们指导老师的意料，也出乎了很多参赛者的意料。所以，我们也鼓励学生做出模型来。而且令我们惊喜的是，当指导老师“友善”地提醒学生摩擦系数很大的小车轮不好找时，学生的解决方法非常有创意：在普通车轮上粘贴不同粘度的双面胶，从而获得不同摩擦系数的车轮。学生提出创意并能自主解决不足之处，这本身就是一种思维提升。

3    资源支持

经过数轮“头脑风暴”，科创小组最终确定了四种设计方案，但是方案终究是方案，是纸面上的东西，我们需要学生把方案落实为成果。而在制作模型的过程中，学生需要很多资源支持，比如，需要科创老师提供电脑给学生查资料，需要科创老师给他们提供木板、锯子、胶水等必备用品，开放通用技术教室给科创小组作场地。同时，也需要学生自己从生活中发掘材料，比如海绵、气泡垫、棉花和双面胶等。没有资源支持，学生很难有好的作品。就像一颗好的种子，没有好的土壤和好的环境，也很难成长为栋梁之材。

4    搭建平台，检验成果

经过两个星期左右的精心准备，科创小组成员分别制作好了实验模型，并在指导老师的见证下，依次展开无防护器具的小车碰撞实验和使用了防护措施的小车碰撞实验，并收集了各次小车碰撞实验的数据。实验数据如表1所示。

表1  无防护器具的小车碰撞实验数据

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方案甲：缓冲型设计。小车模型分别在30°、45°角的斜坡（斜坡长度：100 cm;材质：木板）上进行数次实验。实验数据如表2所示。

表2  缓冲型设计实验数据

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通过表2数据可知缓冲型设计在斜坡角度较小时，对水杯中的水有一定的保护作用，但是角度变大后，保护效果很弱，海绵的形变会带动小车前后摇晃，水量损失较大。

方案乙：减少车上杯中水的质量和体积。小车模型分别在30°、45°角的斜坡上各进行数次实验。实验数据如表3所示。

表3   減少杯中水的质量实验数据

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实验结果分析：减少杯中水的质量这种实验设计无法保护杯中的水，水量损失非常大。

方案丙：水杯悬挂式设计。该方案小车模型（如图1所示）由于采用了水杯悬挂设计，重复前述实验步骤，撞击到障碍物后，水杯不会静止而是进入摆动状态，进而将水的动能转化为重力势能。该方案碰撞实验数据如表4所示。

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图1  水杯悬挂式实验装置图

表4  水杯悬挂式小车模型实验数据

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实验结果分析：杯子中的水几乎没有任何损失。取得了非常好的保护效果。

方案丁：增大车轮摩擦力设计。该小组在进行实验时，不断根据斜坡的角度调整车轮上的双面胶的粘度，进而改变小车车轮的摩擦系数，操作的复杂度比其他设计都大。重复前面实验步骤，结果显示：在角度较小的斜坡下，车上的水量损失较少，但是车容易卡在斜坡上静止不动。在斜坡角度偏大时，水量损失依然比较多。 具体碰撞实验数据如表5所示。

表5  增大车轮摩擦力小车实验数据

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经过这次科创训练，无论实验结果如何，科创小组成员的探究能力都得到了一定的提高。而且指导老师也切身感受到科创对学生创新能力的培养作用。“麻雀虽小，五脏俱全”，一次小型的科创让学生们完整地体验了科学探究过程。

5    心得体会

在进行科创教学时，指导老师应尽量做到如下几点：第一，让学生保持足够的独立性，让学生有足够的独立思考和独立实践的时间。第二，鼓励学生交流和协作，现代的科研工作往往都是几人协作乃至几百人的协作，“闭门造车”式的科研已经不太适应时代的要求。所以在进行科创教学时，指导老师应该有意识地培养学生交流和协作的能力。第三，学校和指导老师要积极配合学生，提供必要的研究资源。我们的学生是不缺创意的，但如果不重视科创，便会导致学生的创意往往只停留在纸面上，最后束之高阁。

中学生科创训练能让学生享受主动探究的乐趣。科学的高峰布满荆棘，非热爱和坚持不足以攀登。

参考文献：

[1]沈伟云.基于科学思维品质发展的实验教学策略研究[J].物理教师，2016，36（9）：14-16.

[2]张玉玲.“头脑风暴”法在初中物理教学中的运用[J].物理教学探讨，2010，28（6）：19-20.

[3]宋海峰.物理尖子生是怎样“炼”成的[J].物理教师，2012，32（2）：16-17.

（栏目编辑    李富强）