将IYPT实验融入中学物理教学的理论思考与实践探索

陈 晨 陆建隆

(1. 金陵中学仙林分校中学部,江苏 南京 210000; 2. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210000)

将IYPT实验融入中学物理教学的理论思考与实践探索

陈 晨1陆建隆2

(1. 金陵中学仙林分校中学部,江苏 南京 210000; 2. 南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210000)

随着IYPT在我国的迅猛发展,越来越多的中学开始关注IYPT这一赛事．本文在IYPT赛题的基础上,提出了IYPT实验并对其进行界定,分析了IYPT实验与IYPT赛题、中学物理实验的联系与区别．在此基础上提出了改编实验的具体要求和方法,并以“环绕的光”为例进行分析,进而经过改编使其成为适合中学物理教学的实验．通过改编的实验能有效促进中学物理教学,进一步激发学习兴趣,提高学生的物理实验素养．同时作为传统物理实验的重要补充,也可使IYPT实验成为物理教师重要的教学资源．

IYPT赛题;IYPT实验;中学物理实验;中学物理教学；思考；探索

1 引言

国际青年物理学家锦标赛(简称IYPT)是国际三大物理赛事之一,凭借其开放性的赛题和独特的比赛风格风靡全世界．每年IYPT会有17道独具特点的开放性赛题,这些赛题需要学生进行实验探究和理论分析,最后以汇报的形式呈现,这对培养学生的实验技能和表达能力有积极的意义．而将IYPT赛题研究中的实验融入中学物理教学对改善课堂教学、提高学生物理实验素养都有重要的借鉴和参考价值．

2 IYPT实验融入中学物理教学的分析与探索

2.1 IYPT实验的界定及其特征

IYPT实验是基于IYPT赛题的探究性实验,它不单是一个独立实验,而是针对某一个物理现象或者某一个物理问题解决的系列实验．其实验过程既不是专家学者设定的也不是由教师设定的,而是由学生根据研究需要自主设计的．此外,实验中所需要的器材既有实验室中的仪器、材料,也包含学生自己制作的实验装置,甚至还会用到大学实验室中的实验设备．

IYPT实验最显著的特征是多因素化．影响实验结果的因素有很多,在这些影响因素中有的起主要作用,有的起次要作用,因此我们需要对所有可能的因素进行分类和分析,抓住主要因素,忽略次要因素．

例如，2015年第28届IYPT第14道题——环绕的光(Circle of Light):当一束激光照射在一根金属丝上时,可以在垂直于金属丝的屏幕上观察到一个光圈,解释这个现象并研究相关因素(When a laser beam is aimed at a wire, a circle of light can be observed on a screen perpendicular to the wire. Explain this phenomenon and investigate how it depends on the relevant parameters.)．在基于这道赛题的IYPT实验中,影响光圈形成的因素有很多,主要的影响因素有光的波长和频率、金属丝的直径以及入射角、入射点距光屏的距离等．对于每个影响因素都需要进行实验探究,因此进行的实验是多种多样的．正是由于IYPT实验的多因素化，导致了IYPT实验不可能只有一个实验,而是系列性实验．

2.2 IYPT实验与IYPT赛题、中学物理实验的联系与区别

相比于IYPT赛题,IYPT实验最大的不同就是去掉了理论研究部分．由于赛题具有极强的探究性,所以研究IYPT赛题普遍会采用大学物理的相关知识,在理论上对学生提出了较高的要求．而IYPT实验仅仅是实验部分,并不涉及太多的理论知识,强调的是实验操作以及数据的获得与处理．因此,IYPT实验本身就是IYPT赛题研究的一部分,实验现象的展示、实验探究及实验数据的获得,最后跟理论进行比对并验证作出误差分析,从而完成整个赛题的探究任务．

相比于中学物理实验,IYPT最大的特点是实验的开放性,主要体现在如下两点： (1) 设计实验方案的自主性,不同的学生设计的实验方案各不相同.由于IYPT实验的多因素,因此每个学生研究的因素不一样,即使研究相同的因素,所进行的实验操作也是因人而异的,而且记录的实验数据也各不相同； (2) 实验的综合性强,由于研究的因素多所以实验数量相对较多,这也决定了实验对应的理论知识更加广泛,不仅仅局限于课本上某一节的内容,很可能是某一章或者某一个分支的内容(如力学、光学等),故而实验的操作难度会更大．此外,所用的实验器材也相对较多,不仅有实验室中的器材,还会有很多日常生活中的物品(如坐凳、扫帚、旅行箱等),甚至还要借助大学的实验器材．

通过上述分析我们发现,IYPT实验既不同于IYPT赛题,也不同于传统意义上的中学物理实验,它是从IYPT赛题过渡变成中学物理实验的中间态(如图1)．如果在IYPT实验的基础上加上理论分析和理论实验对比分析的部分,IYPT实验就变成了完整的IYPT赛题．如果将IYPT实验分解成一个个子实验而分别用在不同的教学内容上,给出一定的实验步骤,避免使用一些学生没有接触过的实验器材,IYPT实验就能变成我们传统的物理实验．将IYPT实验从研究IYPT赛题的实验改编成中学物理实验,有利于促进我们的物理教学,进而成为物理课堂教学的一个崭新亮点．

IYPT实验跟IYPT赛题和中学物理实验之间的关系

2.3 IYPT实验融入中学物理教学的功能分析

由于IYPT实验是一个系列实验,并且每个实验的作用各不相同,因此每个实验融入中学物理教学中的作用和功能各不相同．

2.3.1 演示实验与新课导入

IYPT实验通常会有预实验和针对某一影响因素的探究实验.预实验是为了呈现物理现象,一般只是作定性分析,而不做定量研究,可以作为演示实验在课堂引入环节进行展示,以便引起学生的好奇心并且激发他们的学习兴趣．这些实验容易使学生迅速进入到课堂之中,开始对新知识的迫切学习.教师可以在课堂的结尾阶段，让学生结合所学的知识解释先前的演示实验,既达到巩固提高的目的,又可以让课堂教学首尾呼应了起来.

2.3.2 探究实验与小组合作

IYPT最主要的组成部分是针对某一影响因素的探究实验,对不同的影响因素进行研究需要不同的实验,其中一些与教学内容切合度高的探究实验可以作为课堂的探究实验,或者专门作为实验内容进行实验教学,让学生分组完成实验探究,使IYPT实验成为课堂教学的一种有效载体．学生通过实验探究得出实验结论并尝试进行分析,教师在此基础上引导学生进行总结,从而归纳得到物理概念或者物理定律、规律,完成好教学任务．

2.3.3 扩展实验与课后延伸

此外,IYPT实验中还有一些实验可以让学生课后尝试进行拓展性研究．这些实验的综合性比较强,涉及的因素不止一个,对物理知识和物理实验器材的要求较高,需要一定的时间和场所才能进行研究,属于课堂教学的课后、课外延伸及扩展,鼓励对物理感兴趣的学生自己去尝试和研究．通过对不同的实验进行分层次教学,针对不同类型的学生进行因材施教,从而促进每一个学生的成长、发展．

2.4 IYPT实验融入中学物理教学的基本要求与方法

虽然每个IYPT实验是一个系列实验,但并不是所有的实验都适用于中学物理教学,而且将IYPT实验直接引入到课堂中也是不可取的,必须在原有基础上进行适当的改编使其成为适用于中学物理教学的实验．

2.4.1 所选IYPT实验必须与教学内容和教学目标相一致

将IYPT实验改编为中学物理实验主要目的是为了更好地完成教学目标,使学生能够更有效地掌握所学内容,因此改编的实验一定要与我们的教学内容和教学目标相一致,否则不利于最大化地发挥IYPT实验的教育教学价值．例如，2014年27届IYPT中的第16题——磁制动器(Magnetic brakes):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,请研究此现象(When a strong magnet falls down a non-ferromagnetic metal tube, it will experience a retarding force. Investigate the phenomenon.)．基于这道赛题的IYPT实验与人教版选修3-2教材中的楞次定律一节的教学内容十分相符,选用铁球和塑料球这两种不同材质的小球分别让其下落,使学生产生认知冲突,以便自然地引出本节课的教学内容,并在学完后尝试让学生运用所学知识进行解释,使其更加深刻地理解楞次定律,从而达到巩固提高的效果,完成既定的教学目标．

2.4.2 细化每一个IYPT子实验的教学功能

由于IYPT实验是研究某一物理问题或者物理现象的系列实验,因此会有一系列子实验,这些子实验的教学功能各不相同,有些可以作为演示实验,有些可以让学生分组实验,有些则是拓展研究．例如，在上文中提及的磁制动器实验中,预实验可作为学习楞次定律前的演示实验,用于激发学生的兴趣,引出所学内容．而对下落速度的探究，则可以让学生进行分组实验,利用打点计时器测出磁铁下落的速度,研究磁铁最后下落的速度是否匀速,从而验证楞次定律,达到较好的学习效果．而磁感应强度对下落速度影响的探究可以作为拓展性研究让学生课后进行．

2.4.3 IYPT实验引入中学物理教学要适合学生的操作

虽然IYPT实验基本上与我们的中学物理教学内容相关,能够吸引学生,但是有些实验的过程较为繁琐,数据不容易测量,某些实验所需要的器材又可能是大学的实验器材,超出了中学生的认知范围,对测量出来的数据学生也可能不理解其中的物理意义,这些实验不适合引入中学物理教学之中．因此我们改编的IYPT实验要简洁可行,所需器材应该是学生较为常见且容易操作的．例如，2015年第28届第9题——气垫船(Hovercraft):用一张CD片(光盘)和一个气球做一个简单的气垫船,气球充满气并且与CD片用一根管子连接．气球向下放气可以让CD片上升高于地面从而减小摩擦,研究的相关因素是如何出现“小摩擦力”情形的持续时间(A simple model hovercraft can be built using a CD and a balloon filled with air attached via a tube. Exiting air can lift the device making it float over a surface with low friction. Investigate how the relevant parameters influence the time of the ‘low-friction’ state.)．实验中所需的器材十分简单,光盘、气球、胶水、秒表、打气筒、连接器等．学生很容易做出模型,向气球中吹入不同量的气体,并记录“气垫船”运动的时间,从而得出两者间的联系．这样的实验更容易让学生接受,他们也更容易在脑海中形成简单的物理图像,对滑动摩擦力也有一个更加深入的理解．

3 以“环绕的光”为案例的相关分析

这里我们以上面提到的“环绕的光”为例,探讨如何将IYPT实验改编成课堂教学中可使用的中学物理实验．光圈形成的主要原因是，当用一束激光照射圆柱体时,其反射光、折射光(柱体透明时)、衍射光(柱体较细时)的叠加形成了以入射点为顶点的空间圆锥形光面(空间光锥),并且在垂直于柱体轴线方向的观察平面上投影成一圈光环(如图2所示)．涉及到的物理知识有光的反射、折射和衍射,进行简单的理论分析可知光环的半径(R)与入射角度(θ)、入射点到观察平面的距离(L)有关,用公式表示即为R=Ltanθ．通过分析，我们可以将光环实验分为以下几个方向进行研究:产生光环现象的预实验、探究光环的半径与入射角度的关系、探究光环半径与入射点到接收屏距离的关系，以及对光强分布的研究、折射对光环形成的影响等．这样，其每一个实验便可对应于高中光学的内容而改编成中学物理实验了．

光环形成的示意图

3.1 产生光环的预实验

预实验中的光环图3

预实验的主要作用是产生实验现象,使学生对整个实验有一个大致的了解．光环的预实验则是产生光环这一现象(如图3所示)．学生在之前只学习过二维空间光的反射,几乎没有涉及过三维空间光的反射．因此光环的预实验比较适合作为演示实验,在高中学生刚开始学习选修3-4光学时,教师就可以进行实验展示.为了让现象更为明显,可以向空气中喷些水,以便显示光路,让学生看到空气中的光锥,激起他们的好奇心和学习兴趣,让学生更好地理解在三维空间中光的反射原理．

3.2 探究光环半径与入射角度关系的实验

这个实验可以在高中学生学习完全反射和激光的知识后作为分组实验进行,从中可以培养学生的实验操作技能．由于这两节教学内容学生比较容易接受,引入该实验不会影响教学进度,而且能有利于学生加深对反射定律和激光特征的理解．教师可让学生在实验室中进行分组实验,准备好实验所需的器材,包括激光笔、金属丝、直尺、量角器等．在实验前教师要说明实验的目的,实验的大体流程以及需要记录的数据等,要求学生测量在30°、45°、60°下光环的半径,进行实验验证,并将实验数据填写在表1中．

表1 入射角度与光环半径关系的实验数据记录

3.3 探究光环半径与入射点到接收屏距离关系的实验

与探究光环半径与入射角度关系的实验一样,这个实验也可以作为学生分组实验在实验室中进行．教师同样要在实验前说明相关情况,保持入射角度不变,改变入射点到接收屏的距离,分别测量不同距离下光环的半径,将测量的数据记录到表2中．

表2 入射角度与光环半径关系的实验数据记录

3.4 光强分布的实验研究

之所以要研究光强的分布,主要是为了研究衍射对光圈形成的影响,可作为光的衍射教学的扩展性实验,让学生利用DIS进行实验,通过软件得到光强分布图,间接验证衍射是光环形成的原因之一,进一步理解教材上所示的明暗条纹的形成原因,从而帮助学生更好地掌握光的衍射知识．

我们发现基于一个赛题的IYPT实验可以拆分成几个子实验而用于不同的教学内容之中．对于上述实验中的探究光环半径与入射角度关系和探究光环半径与入射点到接收屏距离关系的实验,在进行分组实验后需要学生撰写实验报告,进行实验验证和误差分析．当然,涉及这道赛题的实验还有很多,例如对光环做频谱分析,但因超出了中学阶段的学习要求,没有引入到我们的实验之中．所以，不是IYPT实验中所有的实验都可以改编成中学物理实验,必须要有选择地加以改编,有的适合演示,有的适合学生分组探究,有的则适合作为拓展性研究,但这些做法都必须基于中学物理教学的层面以及中学生的认知水平．

4 IYPT实验融入中学物理教学的重要性认识

4.1 IYPT实验是物理教师重要的教学资源

IYPT从1988年举办至今已有近29年了,按照每年17道题计算一共有493道赛题,而每一道赛题就对应着一个IYPT的系列实验,这是一个巨大的物理实验资源库．IYPT实验中不同的实验有不同的用处,预实验可以作为演示实验在课堂导入中使用;对某一因素研究的实验可以作为课堂中的探究活动让学生进行分组实验;还有一些实验可以作为扩展性实验,让学有余力的学生进行课后的研究．此外,IYPT实验大都与实际生活相联系,有不少实验场景学生还是相对熟悉的，符合学生的学习心理,也有利于师生一起达成教学目标．例如2016年IYPT赛题中的第8题——磁列车(Magnetic Train):将两个按钮磁铁连接到一个柱状电池的两端,将其放置在一个铜线圈内部并使磁铁接触线圈,此时“小火车”开始移动．试解释这一现象并研究相关参数是如何影响列车的速度和功率的．基于这道赛题的IYPT实验原理与高中生学习的安培力知识有关,因此教师在介绍安培力时可以将该实验中的预实验作为演示实验,使学生产生好奇并思考“小火车”为什么会动,从而引出安培力概念的教学．最后在这堂课结尾时，请学生结合所学知识解释“小火车”移动的原因,做到了首尾呼应．

4.2 IYPT实验更易吸引学生并激发学习兴趣

现今的中学物理实验较多还是以验证性实验为主,而探究性实验相对较少．验证性实验是对某一定理或定律进行实验操作,以验证它正确与否的实验．例如欧姆定律、机械能守恒定律实验等．在进行这些实验前，教师通常会介绍实验的具体操作流程、所需使用的实验器材,学生只需要规范操作即可．这类实验确实可以提高学生对仪器的使用及操作技能,但是学生还缺乏对实验探究的自主性,久而久之会让学生失去对物理实验的浓厚兴趣．而IYPT实验由于其贴近生活,就容易吸引学生．以上述的磁列车为例,用两个纽扣磁铁和一节电池组成了一个“小火车”,学生肯定会问这样的“火车”能跑吗?经过尝试发现“小火车”不仅能在线圈内部跑,在线圈上也可以跑,他们的兴趣和好奇心就一下子被激发起来了．在后续的实验中,学生会发现“小火车”的运动速度和磁铁的磁场强弱、电流及线圈的疏密程度等因素都有关,教师借此可以让学生进行分组实验,每组选取一个因素进行探究,最后学生便知晓了安培力跟磁场、电流等的关系,这跟我们的教学内容和教学目标是相一致的.

4.3 IYPT实验有利于培养学生的物理实验素养

IYPT实验具有很强的探究性,又没有固定的探究思路,对于每一个影响因素都可以进行探究．例如2014年第27届IYPT赛题中的第6题泡沫晶体(Bubble crystal):在含有肥皂水的液体表面,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．题中提出了一种方法,以便取得大小一致的气泡,并研究这种气泡晶体的形成．由于这道赛题的IYPT实验现象十分贴近实际生活,人们平时在用肥皂水洗衣服时通常会产生泡泡,但是对于泡泡是怎么样形成的，以及在水面上是如何排列的却很少有人思考、研究过，这样的实验跟一般的中学实验确有很大的不同.由于这类IYPT实验,探究方式不固定,实验器材来源广泛,既有实验室中的器材,也有随手可取的日常生活用品,学生通过这些实验活动会意识到物理学跟实际生产生活密切相关,可以运用物理知识解决实际问题,而在此过程中,学生也能学到不同的实验研究方法(如控制变量法、放大法、等效替代法等等).久而久之,学生们不仅能在物理实验技能方面得到加强,更重要的是促进学生逐步具备运用物理实验解决实际问题的科学意识,进而使他们在物理实验意识、物理实验方法和物理实验技能3个方面有效地提升自己的物理实验素养．

1 陈晨,陆建隆.IYPT赛题解决中的多因素分析及对高中物理实验教学的启示[J].物理教师,2014(10):93-96.

2 陈晨.三维空间中光反射的趣味实验探究[J].物理教师,2015(8):45-47.

3 陈晨,王峰,陆建隆.IYPT模式融入高中物理课堂教学的思考与实践探索——以电动势教学为例[J].物理教师,2016(5):1-8.

2016-10-17)