运用趣味物理培养中学生物理素养

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　　基金项目：
　　江苏省高等学校大学生创新创业训练计划项目 （201813843006Y）。
　　
　　摘 要
　　实践能力与科技的创新关系密切。如何尽可能提升学生对物理的兴趣，有效地开发学生的智力，培养学生在实验中的观察能力和实践能力，是在课外开设趣味物理实验的关键，也是未来科技创新的基础。本文结合笔者制作的趣味物理实验仪器和开展的中学生物理活动，探讨了如何运用趣味物理实验来培养学生的物理素养。
　　关键词
　　趣味物理;物理素养;实践能力;创新
　　中图分类号： O4-4 文献标识码： A
　　DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.001
　　物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及其所使用的实验手段和思维方法的自然科学。在物理学的教学过程中，教师都会通过视频中的实验演示或者自己做实验演示来加深学生对实验现象和实验原理的认识和理解，可是俗话说，百闻不如一见，百见不如一干，实践才能出真知，而课堂时间和器材的限制都导致了学生的动手机会较少，以至于其实践能力得不到提高。
　　这样的困扰伴随了教师与学生许多年，教师迫于班级升学率的压力，以至于没有办法寓教于乐;学生迫于分数的压力，只能死板地跟随教师学硬知识。好在国家教育部一直在教育方面做着合理的改进，认为教育应当对学生的各方面发展负责，而不仅仅是学习知识。因此，教育部颁布了《普通高中课程方案和各学科课程标准（2017年版）》，而其中对物理学科的核心素养进行了精确的定义，以物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任四个方面进行了水平划分。使得物理学科方面的教学要求更加综合、全面、具体。
　　所以笔者认为在课外开展趣味物理实验以提升学生的实践能力、培养学生的物理素养是一条切实可行的路径，它对激发学生学习兴趣，发展学生创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养
　　心理学表明，学习兴趣是学习活动中最现实最活跃的心理成分，它是非智力因素中最主要的一个因素，它是调动学生学习积极性的强大动力。只有让学生对物理这门学科有一个好的兴趣基础，才能使学生在物理学习的过程中进一步加深对物理知识的理解和掌握。趣味物理中最基本的理念正是如此。
　　中学物理学科的核心素养包括：①形成物理基本观念;②掌握科学探究方法;③形成良好科学思维;④培养正确科学态度。而这些核心能力也正是趣味物理所培养的。笔者认为，成立趣味物理实验的创新实验小组，对初中生开展趣味物理实验活动，将趣味物理理念应用到物理核心素养培养中，有以下几点要素。
　　1.1 情境转化——将抽象的物理知识转化为具体的趣味研究
　　基于物理素养的趣味物理理念下的情境转化主要包括两方面：1）生活中有很多有趣的具有物理意义的情境，学生被引导通过抽象的物理知识发现生活中的这些奥秘。2）将生活中的实际情境转变成趣味物理模型，运用物理知识分析、解释从而学会应用。
　　从学生心理角度看，因为有趣，学生的思维也会因此变得发散，这使得学生能够更好地根据具体需求，灵活考虑问题。
　　1.2 实际体验——学生亲自感受趣味物理实验
　　活动器材取材于生活，这使得学生感到更为亲切，从而可以提高学生对物理学习的积极性。毕竟，实验教学是物理教学的重要组成部分，是全面提高学生素养的重要途径。
　　让学生体验趣味物理实验不仅仅是做趣味物理实验演示给学生看，还会让学生利用生活中常见的物品自己动手操作实践，做出有趣的物理实验。在活动中，学生最直接的收获便是体验了自己做实验的乐趣，而更深层次的是体验了物理概念和规律的形成。
　　1.3 科学态度——责任感
　　要使学生认识到科学、技术、社会和环境之间的关系，形成严谨，实事求是的科学态度。还要培养学生保护环境、节约资源、从而促进可持续发展的责任感。大部分趣味物理实验恰恰就可以做到这一点。因为趣味物理实验的创新实验小组正是秉承着“节约、环保”的意识利用身边的废旧物品制作简单的物理模型来证明一些物理原理的。
　　当然，不只是这样。通过一些物理与其他学科的组合实验也会引导学生意识到物理与其他学科的紧密联系，使责任感上升到学科的价值导向。
　　2 基于趣味物理的核心素养培养实践案例
　　2.1 听话的小球
　　丹尼尔·伯努利在1726年提出了“伯努利原理”，其实质是流体的机械能守恒。其最为著名的推论为：等高流动时，流速大，压力就小。在生活中，伯努利原理应用广泛，飞机、喷雾器、乒乓球的上旋球以及足球運动中的旋转球都是利用它实现的。中学生往往对其只知其然而不知所以然，本实验利用小球在方形管中的循环运动让学生直观感受伯努利原理的实现，从而增强学生学习物理学科的兴趣，丰富其对于物理知识以及物理学科在生活中的作用的认识与理解，保持和增强学生对生活中物理现象的好奇心和探究欲。
　　2.1.1 实验设计思路及原理的理解
　　设计思路：首先运用简单的工具进行试探性的实验，并总结经验。然后购买相对专业的器材，不断实验，做出最完善的实验器材以供展览参观。最后，通过展示实验，接收学生反馈，对实验进行适应教学的改善。
　　实验原理：当小球被吹到出口处时，会因为伯努利原理被压回到管道内，于是小球就这样循环往复的再管道内运动了。
　　2.1.2 设计模型的理解
　　本实验装置较为简单，b为入风口，稳定的风从b处垂直进入管道，从a出均匀散出，此时左侧下管中空气在b-a的气流带动下，产生如图所示方向的气流。若将一小球放入管中，因为气流均匀从a口散出，气流在小球底部分布均匀，产生小于小球上方空气的气压，在上方气压的挤压下，加上自身重力，尽管b-a中气流很大，但是小球依然于a口处悬浮。又知c口处在b-a方向的风的作用下产生了微小的气流且不断沿c口向馆内流动，使得管内气压小于小球上方气压，打破小球上下气压的平衡，小球从c口被吸入管中，并沿c-b-a不断循环。通俗来说：向ab管吹进空气。如果管的切面小，空气的速度就大;而在切面大的地方，空气的速度就小。在速度大的地方压力小，速度小的地方压力大。 　　图 1
　　2.1.3 物理模型的关键点
　　关键点1： 输入气流应是持续均匀的
　　在本实验中，a-b管中的气流应该分布均匀，这样才能使小球在a口时下方气流均匀散出，小球漂浮在a口以便从c口进入管口。
　　关键点2 ：输入气流应该足够大
　　此处从两个方面考虑①小球自身质量。a-b管中气流应足够推动小球从b运动到a，并飞出a口。②管内气流的运动。即b-a的气流应足够大，从而带动c-b的气流，以达到从c吸入小球的目的。
　　关键点3 ：管的内壁光滑，各个拐角是平滑的曲线。
　　本实验动力为气流的推力以及重力（仅在与ab对称一段），在上水平管中和下水平管中，小球都要予以下管壁压力，若水平管较为光滑，则水平方向微弱气流可以带动小球运动，同理，下端口拐角需为平滑的曲线。
　　关键点4 ： 小球的直径质量问题
　　①小球自身质量不宜过大或者过小，考虑到非精密仪器风的大小不可细调的问题，小球质量过大则无法吹起或循环的周期时于长（主要为在上、下两个平管运动时间过长），而小球质量者过小则极易被吹飞出a管管口.经过综合实验后，发地使用硬管塑料球壳效效果最佳。
　　②小球的直径应适当，经实验发现，小球直语小于管口1/2时小球直接从a管口飞出的概率要远大于完成循环的概率，这点应与小球在下水平管运动后碰撞b管壁后的位置及速度有关，在当前实验条件下较难控制。小球的直径若大于4/5则会直接飞出管口，此应为所留缝隙较小造成空气挤压以及狭缝效应影响了实验结案。最后，我们选用了管直径为管口2/3的小球.成功率高且较为美观.
　　2.1.4 实验创新
　　①因为限所用的鼓风机较风口较大，我们使用硬纸板、胶带纸将b风口与鼓风机接连在一起，发现效果不是很理想。联系到上述风不够集中的问题，我们使用橡皮泥塞住b风口而只留一小点通风口之后发现可以使小球在a口悬停的几率大大增加。经实验，在我们所用的实验设备中，通风口半径为管口半径的1/2效果最佳。
　　②注意到小球先会在a管口悬停而后才会被吸入到c管管口。因为小球并不能恰好在a管的中心轴运动，而是在中心轴附近来回碰撞管壁，这样在a管口悬停时小球极易从管口掉落（做平抛运动飞出）。我们模仿资料视频中用铁丝网做出口后发现效果不是很理想（主要为无法做到保证美观的同时在教学中不影响对学生的启发性，即不给参观学生留有太大的疑问）。经过尝试，我们发现使用大一号的塑料管套在管口，效果更加，小球在运动到a时会打转后被吸入c口。
　　3 在物理素养培养中正确运用趣味物理实验科普
　　趣味物理实验中魔术般的展现能让学生在感受乐趣的过程中学到知识，在自己制作实验的体验探究过程中体验醍醐灌顶和恍然大悟的喜悦。因此，课余生活中，科学的趣味物理实验有利于对学生物理素养的培养，从而有利于学生未来的发展。
　　3.1 在趣味的基础上构建比赛机制
　　可以让学生在熟悉了一些趣味物理实验之后，开展实验改进比赛，比比谁能把实验装置改进得更加简便或者更加精确而没有破绽。
　　比赛应以促进学生物理素养的提升和实验探究能力的提高为目的。围绕“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等物理学科核心素养，建立合理的比赛判定机制尽可能对每一位学生所改进的实验装置全面的考量;也增加让学生之间互相评论的环节，使学生充分了解自己实验装置模型的优缺点。
　　3.2 推陈出新
　　学生毕竟还是孩子，兴趣会直接影响学习效果，新鲜的事物才能更好地激发和培养学生的学习兴趣，才能充分调动学生学习的积极性。
　　每次趣味物理实验活動时，一定要根据大部分学生的兴趣走向，带一些之前学生没见过的趣味物理实验，灵活调整实验仪器的外观，以便发挥学生的主观能动性，使学生始终处于积极踊跃的精神状态，轻松愉快地在实验中学习物理知识。
　　4 结语
　　趣味物理实验对培养中学生物理素养有着很关键的作用，它不仅能够激发学生的学习兴趣，还能锻炼学生的实验探究能力。它让学生懂得“勤俭节约”的美德，意识到生活与物理的密切联系，使学生今后可以对物理更加感兴趣。
　　现如今，物理学科在应试中变得越来越必不可少，可见物理学科的重要。所以，让趣味物理实验普及到各个中小学校，让全民都爱上物理是笔者对未来的憧憬与展望。
　　参考文献
　　
　　[1]张隋潇.物理学[OL].2014-11-29.
　　[2]教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：78-80.
　　[3]Liuxinyuan2012.物理学科的核心素养[OL].2017-10-27.
　　[4]廖伯琴.义务教育物理课程标准（2011版）解读[M].北京：北京师范大学出版社，2012：28.
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