基于IYPT的物理创新实验拓展课程的实践探索
摘要：尝试将IYPT融入物理创新实验拓展课程，分析了该课程对物理学习的意义。分析学生实验案例“拉玻璃”。初步得出该课程能够使学生体验科学研究的过程提高学生的物理思维能力。
关键词：IYPT；创新实验；过程
1 引言
自夸美纽斯确立了班级制度及其理论后1，课堂就成为了教师教学和学生学习的主阵地。物理学中大量伟大的成果往往是以“轻而易举”的方式呈现在学生的面前2，这些成果背后物理学家所付出的超出常人的艰辛却很少体现，而科学研究中的失败案例就提及的更少，学生很难体验到科学探索的过程。本着提高学生物理思维水平的目的，物理组结合IYPT长期题开设了《高中物理创新实验》拓展课程，该课程有别于传统的授课模式，学生以课题组的形式进行物理研究性实验，体验科学探索的全过程。
2 物理创新实验拓展课程的思考与设计
2.1 IYPT简介
国际青年物理学家锦标赛（International Young Physicists’ Tournament, IYPT）是一个新颖的有创新意义的赛事，其主要目的是训练学生针对物理实际问题进行研究，发表观点和进行辩论的能力。3 IYPT每年都会公布17个物理问题，一年的时间里全世界的青年物理爱好者对这些问题展开研究，最终各国的青年物理学家组成团队，聚集到一起交流讨论他们的研究成果。这些问题涉及到物理学的各大分支，其中有相当一部分并没有成型的理论解释。这些问题大都来自于生活，自由度大，开放性强。
参加IYPT要求参赛的学生具有一定的理论基础，文献搜索能力，科学实验能力，口头表达能力，团队合作精神。这些能力都是一个理工科学生在大学阶段，乃至踏入社会后的核心竞争力。所以基于IYPT开始一门课程非常有现实意义，一方面可以巩固物理课堂中所学的知识，另一方面可以为理工科学生在未来的学习和工作打下坚实的基础。考虑到IYPT问题的难度以及竞赛的方式，其中涉及的实验并不适合将其引入传统的物理课堂，但是这种物理实验可以在拓展课程中开展。
2.2.1研究性物理实验课程的基本框架设计
基于IYPT的物理创新实验拓展课程被分为三个主要部分：基础知识、科学素养和课题研究。基础知识还是以传统的授课模式为主，教授学生重要的物理知识和数学基础知识。科学素养部分，案例的形式传授学生如何进行科学研究。完成这两部分后学生自由选择研究课题形成课题组进行课题研究，完成课题后进行交流。
2.2.2基于IYPT的物理创新实验拓展课程的优势
IYPT所涉及的问题本身就具有一定的趣味性，这很大程度上激发了学生的兴趣。由于每位同学都要参与课题组的研究，很大程度上提高了学在课堂上的参与度。前期理论知识的学习和课题研究中的进一步思考巩固并深化了物理课堂中做学的知识。自行设计并实施的实验提高学生的实验能力。成果交流和辩论提高学生的学术表达能力，为现在的物理等级考试做好准备。
3 拓展课程中学生实验案例
这个案例是一个课题小组在研究“拉玻璃”问题的过程，该过程主要由学生自主完成，指导教师只是在一边观察并略作指导。
英文原题：
Problem10. Pulling Glasses Apart
Put a thin layer of water between two sheets of glass and try to separate them. Investigate the parameters affecting the required force.4
中文翻译：
问题10. 将玻璃拉开
在两块玻璃之间注入一层很薄的水，试图将玻璃拉开。研究有哪些因素会影响拉开玻璃时所需要的力。
几位参赛同学阅读了问题并讨论后，提出了以下猜想：两块玻璃之间的薄水层的面积和厚度可能是影响拉开玻璃时所需的力的主要因素。小组成员最初想到的研究思路是：要研究这两个因素对拉力的影响就要首先控制其中一个变量，如水层的面积不变，然后测量拉力，研究当水层的厚度变化时拉力是如何变化的。但是如何控制水层的厚度或面积中的一个量不变，而改变另一个量？同学们得出的结论是：很遗憾，现有的条件做不到！只有改变最初的研究方案。小组成员查阅了大量相关文献，做了许多推导和演算，从理论上得出了一个拉力关于水层厚度与面积的关系式，通过实验测出拉力，厚度和面积，就可以验证理论的正确性。但是要实施这个研究方案有许多实验测量上的潜在难点要克服：
难点1.如何测量拉开玻璃时所施加的力？
测量力同学们首先想到的是弹簧测力计，但是拉玻璃时玻璃受到的力在不断变化，如何精确的测量某个瞬间的力呢？DIS力传感器可以测量并记录每个时刻的力，但是其测量的量程较小，无法满足要求。最终，同学们购买到大量程的力传感器测量并记录玻璃被拉开瞬间的力。
难点2.如何测量水层的面积和厚度？
同学们首先利用累计法测出了一滴水的体积，然后将水滴在一块玻璃上合上另一块玻璃，尽量使水层中不产生气泡，在玻璃边放置参照物，拍摄照片，利用软件对比照片中水层的像素与参照物的像素就可以精确的测出水层的面积，使用体积除以面积就得到水层的厚度。
难点3.玻璃易碎，用什么方式能保证实验安全的前提下拉两块玻璃？
小组的成员提议使用吸盘，因为他曾经如果玻璃店，观察到工人在移动巨大的玻璃时都是用吸盘吸住玻璃后再搬运移动玻璃的。
在分别解决了实验中可能出现的问题后同学们制定了详细的试验步骤：
（1）将一块较大玻璃水平放置
（2）滴一滴水（水滴的体积已经事先测定）
（3）合上另一块较小玻璃（玻璃面积大于水滴所能散开的面积）
（4）拍摄散开的水滴并利用软件计算面积和厚度
（5）用吸盘吸住上层玻璃
（6）利用力传感器测量拉开玻璃的瞬间所需要的力
（7）记录一组数据包括开玻璃的瞬间所需要的力，水层的厚度和面积
同学们相互合作开始实验，测量出几十组拉力与水层厚度和面积的数据。他们将时间数据绘制成图表，和理论得出的理论曲线对比，发现有较大的差异。经过讨论小组内的同学从两个方向解决这个问题，由一名同学负责理论的复查，其他同学再次实验，并观察试验中可能出现的缺陷。不久，负责实验的同学就发现了一个重大问题，当实验进行到第5步将吸盘吸在上层玻璃上时会发生奇怪的现象，原有的两层玻璃之间已经形成的薄水层的形状发生了变化，由此导致面积也发生了变化，实验步骤中第4步的面积和厚度就不再适用，于是同学们将实验步骤中第5步改为使用有粘性的挂钩来固定玻璃，又测量了几十组数据，最终实验测得的数据与理论值有较小的偏差，实验数据的总体趋势和理论相吻合。实验结束后，同学们分析了实验结果与理论有偏差的可能原因，使用ppt的形式撰写了该实验的实验报告。
4 物理创新实验课程的效果与启示
4.1 物理创新实验课程的效果
物理思维能力可以概括为以下七个因素5：物理抽象与概括能力；物理判断与推理能力；物理比较与鉴别能力；物理分析与综合能力；物理直觉与想像能力；运用数学解决物理问题的能力；创造性思维能力。
在这个案例中，课题组的同学们体验到了一个完整的科学研究的过程：提出问题—理论猜想—实验求证—改良实验—修正猜想……同学们运用了大量物理课堂中的所学到的知识来解决较为复杂的实际问题，在对拉玻璃这个课题的理论推导和研究中培养了推理能力和运用数学解决物理问题的能力。运用“油膜法测分子直径”的思想测量了薄水层的厚度，在这个将课堂知识迁移的过程中，同学们将课堂中的实验进行了抽象，领悟到测量薄物体的体积的一般方法，培养了物理抽象与概括能力。同学们从生活中提炼出有用的方法运用到科学研究中，培养了创造性思维能力。在得到实验数据后对实验数据进行了深入分析，与理论值比较，断定实验的数据存在问题，形成修正方案，发现实验存在的问题改良实验，这个实验过程培养了判断能力、比较与鉴别能力以及分析与综合能力。此外同学们根据自己的想法和需求自行设计搭建了实验设施，培养了物理直觉与想像能力。总之，将IYPT融入物理创新实验拓展课程后，培养了同学们的物理思维能力。
4.2 物理创新实验课程的启示
IYPT所公布的问题中涉及到的物理分支很广，并不是所有的问题都适合引入物理创新实验课程，但是不可否认，其中的一些与力学和电学的相关的问题非常出色。学生在研究这些物理问题时既能巩固物理课堂所学的知识，又能拓宽知识面，同时具有一定的趣味性。当然更重要的是让同学们体验到了科学研究的全过程，尤其是实验失败，也许只有在这种不断的失败改良再失败再改良的过程中同学们才能真正体会科学研究的真谛。
基于IYPT的物理创新实验课程还刚刚起步，课程的框架和内容还有待完善，但是这门研究性课程对传统的物理课堂教学做了很好的补充，也为喜欢物理的同学提供了研究物理问题的良好平台。
参考文献：
[1]夸美纽斯，傅任敢，译，大教学论，北京，教育科学出版社，2014:12
2宋峰，李川勇，王慧田，物理教学中让学生感知科学探索过程提高认知水平培养物理思维能力，43-47页，第28卷，第12期，2009
3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，大学物理，1-4页，第31卷，第5期，2012
5乔际平，物理创造思维能力的培养，北京，首都师范大学出版社，1998:4
