陳晨

摘 要：本文從科學探究的視角出發(fā)，分析了IYPT的探究流程，并以“罐中罐冰箱”為例進行具體分析和探究，從而得到對高中物理探究式教學的啟示，并對此提出了三點建議。

關(guān)鍵詞：科學探究；IYPT；探究式教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）3-00012-4

1 引 言

IYPT（International Young Physicists Tournament）是國際青年物理學家錦標賽的簡稱，是當前世界上最主要的高中物理團體性對抗賽事，其主要目的是訓練高中生針對物理實際問題的合作解決、發(fā)表觀點和辯論的能力。比賽采用“物理對抗”的答辯形式進行。每一屆IYPT都會在開賽前一年提供17道新穎獨特的題目，其內(nèi)容大都來源于生活，沒有固定的答案，無法在短時間內(nèi)解決。每一道賽題都可以看成是一個微課題，對賽題的研究就是一個完整的科學探究過程。本文從IYPT的探究過程出發(fā)，通過探討IYPT賽題的探究過程并呈現(xiàn)具體的案例，找出其中的一些規(guī)律，讓一線高中物理教師從中受益，并給如今的高中物理探究式教學提供參考和借鑒。

2 科學探究視角下IYPT的探究過程探討

2.1 具有真實性、開放性、原始性、探究性的IYPT賽題

由于IYPT的別具風格的比賽形式，賽題與傳統(tǒng)的題目大不相同。IYPT的賽題最大的特點是真實性高，開放性程度大，原始性強，內(nèi)容涉及力、電、光、聲、熱等方面的知識，基本覆蓋了中學所要學習的知識，具有較強的綜合性。例如，2014年第六題為：泡沫晶體——在含有肥皂水的液體表面上，漂浮著大量非常小的、相似的氣泡。氣泡會自動排列成一個類似晶格的規(guī)則圖案。提出一種方法，以取得一致大小的氣泡，并研究這種氣泡晶體的形成。這道題貼近生活，沒有固定的解法和答案，需要學生自主探究。IYPT的賽題更接近原始物理問題。原始物理問題為來自于自然界、社會生產(chǎn)生活中的未經(jīng)過加工的物理題目；而課堂中的物理習題大都是經(jīng)過加工后呈現(xiàn)給學生的抽象問題，兩者的關(guān)系如圖1所示。原始物理問題比較適合學生進行科學探究，它沒有固定的解題思路，需要學生有發(fā)散性的思維和豐富的想象力。在探究過程中，學生自主查閱相關(guān)資料，將實際問題經(jīng)過簡化、抽象、加工變成一般的抽象的物理問題，然后再進行理論分析并建立物理模型，進行實驗驗證從而解出題目。學生的發(fā)散性思維得到訓練，自主學習能力得到不斷增強，科學探究的能力得到不斷提升。更為重要的是，在探究過程中，學生學會了如何將科學探究的方法和所學到的知識有機結(jié)合起來去解決實際問題，并提升了自己的科學素養(yǎng)。

2.2 注重猜想假設(shè)，強調(diào)實驗驗證的賽題探究模式

賽題的原始性、開放性和真實性決定了探究此類題目需要花費一定的時間和精力，而在探究過程中，最關(guān)鍵的步驟就是猜想與假設(shè)。猜想不是瞎猜、亂猜，而是根據(jù)賽題提供的情境以及現(xiàn)有的理論知識提出合理的假設(shè)，猜想什么原因?qū)е铝藛栴}的出現(xiàn)，有哪些因素會對問題產(chǎn)生影響。例如，2014年IYPT的第16題：磁制動器——當有強磁鐵從非鐵磁性金屬管降下來時，它會受到一個減速力，研究此現(xiàn)象。根據(jù)電磁學中學過的楞次定律的相關(guān)知識猜想：因為要阻礙磁通量的變化，所以，強磁鐵會受到一個向上的阻力從而使速度變慢，影響的因素可能是磁鐵的大小、鐵磁性、管子的長度、下落位置等。猜想、假設(shè)的目的就是將原始的物理問題抽象化，建立一個物理模型，便于運用所學的理論進行研究。但是，這樣就會造成一個問題，在抽象化過程中會忽略一些因素。因此，在理論分析中首先要對賽題進行多因素分析，找出影響題目的所有因素并將其分類。例如，可以分為物體自身因素、過程因素、周圍環(huán)境因素和誤差因素。然后對因素進行分析，列出主要因素，忽略次要因素，抓住問題的本質(zhì)，進行深入探究，避免研究太過寬泛或膚淺。最后，再結(jié)合所學的理論知識加上大膽的想象，建立一個物理模型，將所涉及的因素包含進去。

然而，僅有猜想和假設(shè)是遠遠不夠的，還必須通過實驗才能檢驗理論假設(shè)是否成立。IYPT賽題的開放性程度高，每道賽題涉及的探究因素有很多。對于這些探究因素，有的只需從理論上進行分析，有的則需要進行探究實驗，還有的需要進行驗證實驗。因此，在同一道賽題中，可能需要進行兩個或兩個以上的不同性質(zhì)的實驗，這不僅增加了實驗數(shù)量，還對學生設(shè)計實驗的能力提出了更高的要求。針對不同的假設(shè)，學生需要設(shè)計出不同的實驗方案（包括實驗器材、實驗操作、數(shù)據(jù)記錄、誤差分析等）；而在實驗中，實驗儀器需要自己設(shè)計并制作，實驗結(jié)束后將得到的結(jié)果與假設(shè)相比較，檢驗假設(shè)正確與否。通過這樣的過程培養(yǎng)學生的動手能力并提升學生的實驗技能。

2.3 交流過程中科學思維的碰撞

IYPT以團隊合作的形式比賽，每支隊伍由五名左右的成員組成，對賽題的研究要進行分工合作。在賽題探究階段，隊員們對于同一道賽題會產(chǎn)生不同的想法，通過交換各自的想法來拓寬探究的思路。比賽的過程就是大家相互交流學習的過程，與他人分享自己對某道題目的研究，將自己的探究思路、過程和方法展現(xiàn)出來，在肯定他人研究成果的同時指出其研究中的不足之處并一起進一步研究題目，有利于學生整體的科學素養(yǎng)的提升。

3 IYPT賽題“罐中罐冰箱”的案例分析

3.1 賽題的解讀

“罐中罐冰箱”為2014年IYPT的第七題：罐中罐冰箱（Pot-in-pot refrigerator）——“罐中罐冰箱”是一個利用蒸發(fā)冷卻的原理讓食物冷卻的裝置（如圖2所示）。它由一個大罐子和一個放置在其中的小罐子，以及填充在兩個罐子之間的濕的多孔材料構(gòu)成（例如，沙子）。怎樣才能使這樣一個裝置達到最佳的冷卻效果？

這道賽題與我們的日常生活聯(lián)系得十分緊密，生活中經(jīng)常要對食物進行保鮮，最常用的方法就是利用降溫使食物不容易變質(zhì)。由題目可知，本題涉及熱學的相關(guān)知識，基本原理是蒸發(fā)吸熱，通過蒸發(fā)吸熱可以達到降溫的目的。而這種方法的效果如何，能否產(chǎn)生大幅度的降溫則是本題所要探究的內(nèi)容。閱讀題目可以找出以下關(guān)鍵詞，如表1所示。

3.2 猜想和假設(shè)階段

3.2.1 罐中罐冰箱的工作原理的猜想

本題主要運用熱學方面的知識，根據(jù)學過的知識可以將罐中罐冰箱抽象成一個帶有夾層的散熱容器，食物裝在里邊的小罐子中。小罐子中產(chǎn)生的熱量主要有兩個來源：一個是食物自身散發(fā)的熱量，另一個是外界傳到罐子中的熱量。通過熱傳導，兩個罐子間的填充物將小罐子中的熱量帶出，填充物由于自身較濕會蒸發(fā)吸熱，從而將熱量傳遞到周圍的環(huán)境中，使內(nèi)部的小罐子達到降溫的效果。

3.2.2 影響因素的分析

本題的主要影響因素可以分為兩大類：裝置自身的因素和外部環(huán)境的因素（如表2）。

1）罐子的材質(zhì)和尺寸

罐子的材質(zhì)不同，散熱的效果也不一樣。有的材料導熱性能好，有的材料導熱性能差。且罐子的大小會通過改變散熱面積來影響降溫的效果。

2）填充物的種類

根據(jù)Q=cmΔT可知，在總熱量一定的情況下，一種物質(zhì)的比熱容越大，吸收熱量所需要的時間越短。對于題目而言，即降溫所需要的時間越少，降溫的效果越好。因此，需要探究不同種類的填充物，找出效果最好的一種。

3）蒸發(fā)面積

根據(jù)熱力學中蒸發(fā)速度的公式可知，蒸發(fā)的面積越大，蒸發(fā)速度越快，所需要的時間越少。蒸發(fā)的面積又與罐子的尺寸和形狀有關(guān)。

4）濕度和空氣流速

濕度越大，表明蒸發(fā)面上方的空氣中水蒸氣的含量越高，越不利于蒸發(fā)。若空氣加速流動，則有利于帶走水蒸氣，從而減小濕度，加快蒸發(fā)，縮短蒸發(fā)的時間。

3.3 設(shè)計實驗方案，進行探究實驗

1）實驗器材

需要用到的實驗器材有玻璃燒杯、瓦盆、陶瓷盆、不銹鋼杯、塑料盆、鐵盆、泥土、沙子、酒精、水、濕紙、溫度計、濕度計、手表、電風扇等。

2）實驗過程

教師事先準備好可能用到的實驗器材，將學生分成幾個小組。每個小組選取一個因素進行探究，要求制定出詳細的實驗方案，包括實驗器材的選擇、實驗的探究步驟、數(shù)據(jù)記錄以及最后得到的實驗結(jié)論。在實驗中，提醒學生使用控制變量法進行實驗探究，對每一個探究因素，都應(yīng)該有詳細的實驗記錄。這里僅以探究罐子的材質(zhì)與降溫效果的關(guān)系為例進行說明。教師給學生提供不同物質(zhì)的導熱系數(shù)，學生參考物質(zhì)的導熱系數(shù)，決定內(nèi)、外罐選用什么材料，設(shè)計出較合理的組合進行探究實驗（如表3），從而提高探究的質(zhì)量和效率。

3）數(shù)據(jù)分析

在實驗探究中需要對相關(guān)數(shù)據(jù)進行記錄，如表3所示。測出初始溫度、末溫度和所需時間，在分析時，需要對數(shù)據(jù)進行一些必要的處理。教師可以啟發(fā)學生通過某一個物理量來表示制冷效果。例如，比較相同時間內(nèi)的ΔT，或者比較相同的ΔT所需要的時間t。

4）實驗結(jié)論

對所有的因素進行探究后，根據(jù)對數(shù)據(jù)的分析，學生得出實驗的總結(jié)論。結(jié)論可以是定性的，也可以是定量的?？梢酝ㄟ^表格的形式展現(xiàn)（如表4），并且需要指出不足和改進之處。

3.4 賽題總結(jié)

這是一道非常適合學生進行科學探究的題目。上面給出了對賽題進行科學探究的一個完整過程，并且已經(jīng)根據(jù)中學的實際教學情況做了一定的改動。本題主要運用了熱學中的蒸發(fā)吸熱原理。因此，中學教師可以將賽題稍作修改用于物理熱學的相關(guān)教學。運用科學探究的方法進行教學，讓學生體會科學探究的過程，可以提高學生的科學探究能力和物理素養(yǎng)，激發(fā)學生學習物理的興趣。

4 IYPT過程分析對高中物理探究式教學的啟示

4.1 整合賽題資源，聯(lián)系實際教學，激發(fā)探究興趣，提升學習能力

高中的物理知識涉及面廣，不易理解，傳統(tǒng)的講授式教學讓學生學習起來比較吃力。若是能讓學生通過科學探究自主學習知識，并與實際生活相聯(lián)系，可以降低學習的難度，激發(fā)學生學習物理的興趣。IYPT作為面對中學生的一項物理賽事，其賽題與高中物理內(nèi)容聯(lián)系緊密，具有生活性和探究性，有利于學生開展自主學習，能激發(fā)學生的發(fā)散性思維。因此，在平時的物理教學中，教師可以適當?shù)匾靡恍┡c所教內(nèi)容相關(guān)的IYPT賽題，組織學生進行交流討論，讓學生自主探究。例如，在講到熱傳導的相關(guān)知識時，教師可以引用上面“罐中罐冰箱”的例子，讓學生思考“降溫的效果與哪些因素有關(guān)”，指導學生設(shè)計探究方案，進行實驗探究，根據(jù)實驗結(jié)果自主設(shè)計一個罐中罐冰箱。最后，讓學生進行展示、相互交流，提高學生的自主學習能力。

4.2 提倡問題驅(qū)動式的教學模式，提高教師探究式教學水平

探究式教學需要以問題為平臺，教師在教學中提出問題，引導、提示學生進行合理的猜想與假設(shè)，使學生自主、有效地學習物理知識，從而完成教學目標。然而，雖然現(xiàn)在高度重視探究式教學，但是效果并不明顯。并且，教師對探究式教學的理念并不是十分清楚，未能領(lǐng)會探究式教學的精髓，只是滿足于探究式教學的形式和流程，不能最大化地發(fā)揮探究式課堂的優(yōu)勢。學生的學習自主性不強，這都會直接影響教學效果。因此，教師可以借鑒IYPT賽題的探究模式，將所要教學的內(nèi)容以課題探究的方式向?qū)W生提出，將課題分成若干個子課題，每個子課題就相當于一個小問題，讓學生以小組合作的形式對一個小問題進行探究，提高探究效率。

例如，在學習碰撞時，教師可以提出這樣一個問題：兩個運動的小球在水平面上相撞，請?zhí)骄績汕蛳嘧睬昂蟛蛔兊奈锢砹恳约八裱奈锢硪?guī)律。教師先引導學生對問題進行分析，在碰撞時涉及到的物理量只有兩個，即小球的速度和質(zhì)量。質(zhì)量一般情況下不發(fā)生變化，而速度在碰撞前后會發(fā)生改變。因此，不變的物理量可能既包含質(zhì)量又包含速度，猜想不變量可能是mv、mv2、等。而兩個小球碰撞的形式大致有以下幾種：①兩球都在同一條直線上運動，這種情況又可以分為兩種，即相向運動和追擊運動；②兩球不在同一條直線上運動，運動速度間有夾角，也分為相向碰撞和追擊碰撞。對于上述四種現(xiàn)象，可以將學生分為四組進行探究，每組研究一種情況。讓學生自己設(shè)計實驗方案，選取所需要的實驗器材，做好數(shù)據(jù)的記錄。最后，教師將這幾種情況綜合起來，引出動量這個物理量，得到動量守恒定律。教師還可以進一步追問：若水平面不平，有坡度，物體的碰撞還遵循動量守恒定律嗎？讓學生課后自己探究，激發(fā)學生的興趣。

4.3 課外探究與課堂教學相結(jié)合，開發(fā)探究式物理作業(yè)

探究性不僅要體現(xiàn)在課堂教學中，還要與課后作業(yè)相結(jié)合。然而，在現(xiàn)實中，探究式教學受到高度重視，探究式作業(yè)卻似乎被忽略，沒有很好地進行開發(fā)與研究。通過探究作業(yè)，教師可以了解學生的理論水平、提出問題的能力、實驗?zāi)芰Α⒆珜懶≌撐牡哪芰Φ?。例如，在學習沖量時，可以設(shè)計如下探究性題目。先創(chuàng)設(shè)情境：一只普通的未經(jīng)加工的雞蛋從高處落到地上很容易摔碎，若落在海綿上則不易損壞。然后，通過小問題的形式引領(lǐng)學生進行探究（例如，雞蛋落在什么樣的物體上不會損壞，學生可能會猜想海綿、泡沫等）。接著要求學生自己從不同的高度、嘗試利用不同的物體進行實驗，觀察雞蛋是否損壞。然后，對實驗現(xiàn)象進行理論分析，學生會想到用沖量定理的知識解決，得出結(jié)論。最后，根據(jù)這個結(jié)論，啟發(fā)學生思考，這個結(jié)論對我們有什么幫助，從而跳出物理范圍，將其與實際生活相聯(lián)系，并鼓勵學生將其以小論文的形式呈現(xiàn)出來。通過這樣的探究作業(yè)，學生不再局限于枯燥的傳統(tǒng)物理習題，而是借助探究作業(yè)的平臺充分發(fā)揮自己的實踐才能，并能提高自己的動手能力和寫作技能，為自身的全面發(fā)展打下一個堅實的基礎(chǔ)。

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