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月球城堡磁防护 ——真实问题驱动的高中物理项目式学习实践

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文_李洪健 滕雪爱

(北京市八一学校)


摘要:本文以“月球城堡磁防护”项目式课程为例,围绕认识、观察、测量与防护宇宙射线4个递进式学习任务,系统阐述课程的背景立意、设计理念、实施流程、评价体系与实践成效,构建“问题驱动—实验探究—协作建构—评价反馈”的完整教学闭环。实践表明,依托任务学习能力、思维拓展能力、团结协作意识、语言表达能力、任务完成程度5个维度评价体系开展教学,能够有效提升学生的物理观念、科学思维、实践操作与团队协作能力,并显著激发学生对物理学科与航天科技的学习兴趣。

关键词:航天教育 项目式学习 宇宙射线 磁场 核心素养

课程背景

空间环境通常指距离地表100千米以上的外层空间区域,这里具备真空、低温、微重力、等离子体、微流星体、高能粒子辐射等极端环境特征。与地球拥有稳定、强大的地磁场屏障不同,月球未形成全球性磁场,无法像地球一样通过磁场偏转高能带电粒子,宇宙射线与太阳风粒子能直接作用于月球表面,对长期驻留的航天员、探测仪器与科研设施构成严重且持续的威胁。因此,构建月面人工电磁防护系统成为未来月球科研站、月球基地建设必须解决的核心技术难题,也为高中物理教学提供了极具真实性、挑战性、前沿性的项目式学习情境。

在传统物理教学中,电磁辐射、磁场对电荷的作用、洛伦兹力等内容往往抽象难懂,学生缺乏直观体验与实践应用场景,容易出现理解浅层化、知识碎片化、学习动机不足等问题。当前,普通高中物理课程标准强调以核心素养为导向,倡导开展基于真实情境的探究式学习、项目式学习[1,2],推动学生从知识接受者向知识建构者、问题解决者转变。将航天工程真实问题引入课堂,以“月球城堡磁防护”为项目任务,可将抽象物理知识转化为可探究、可操作、可验证的具体任务,让学生在解决真实问题的过程中理解物理原理、提升探究能力、培育科学精神。

传统的辐射防护以被动屏蔽为主,通过增加铅、聚乙烯等高密度材料厚度阻挡射线,但这种方式会大幅增加设备重量与火箭发射成本,且无法解决高能粒子穿透问题,甚至可能因碎裂效应加剧风险。在此背景下,主动磁防护逐渐成为前沿研究方向[3],即利用强磁场偏转高能带电粒子,在月球基地外围形成一道“看不见的防护盾”,实现轻量化、高效率、大范围的辐射防护效果。这一技术路径与高中物理中磁场、洛伦兹力、电磁感应、匀强磁场等核心知识高度对应,为项目式学习提供了天然的知识对接点。

课程设计理念

真实问题驱动以月球辐射防护这一真实、前沿、具有国家战略价值的工程问题为驱动,打破课堂与现实、知识与应用的壁垒,让学生在解决真实问题的过程中建构知识、提升能力。

素养导向以物理学科核心素养为目标,聚焦物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个维度,融合技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力等具有跨学科特性的素养,实现全面育人。

探究递进遵循“从定性到定量、从现象到本质、从认知到应用”的认知规律,将项目拆解为认识宇宙射线—观察宇宙射线—测量宇宙射线—防护宇宙射线4个递进式阶段,层层深入、螺旋上升。

评价伴随 坚持以评促学、以评促研、以评促创,构建全过程、多维度、可操作的评价体系,将评价嵌入每一节课、每一项任务、每一次活动,确保学习目标可达成、学习过程可监控、学习成果可衡量。

做中学突出学生主体地位,强调动手操作、实验探究、小组协作、成果表达,让学生在搭建云室、使用仪器、测量数据、仿真模拟、讨论交流过程中实现深度学习。

课程基本信息

实施对象高一年级学生,24人,采用异质分组,4人1组,共6组,兼顾不同层次学生,促进互助学习。

实施方式理论讲解、资料研读、实验操作、小组合作、仿真模拟、任务单驱动、成果展示。

核心器材大型云室、自制云室套件、干冰、液氮、盖革计数器、强磁铁、亥姆霍兹线圈套件、磁力计、巨磁阻探头、匀强磁场粒子运动仿真软件等。

实施阶段活动分为4个阶段(4次课),聚焦辐射认知、观测、测量与防护原理探究,形成完整、独立的学习闭环。

评价方式包括教师评价、小组互评、个人自评,每节课设置阶段性评价,整个课程形成综合性评价,与课程激励机制结合,提升学生专注度与参与度。

课程实施过程

阶段1.认识宇宙射线——空间环境与辐射风险认知

本节课为项目式学习启动阶段,承担团队组建、情境导入、知识启蒙、激发兴趣的作用。课程以我国航天发展成就导入,教师通过视频、图片与文字资料,介绍外层空间环境特点,重点对比地球与月球的磁场与辐射差异,帮助学生理解地球依靠地磁场屏蔽大量高能带电粒子,而月球无全球性磁场屏障,建设月球基地必须构建人工防护系统。随后进行宇宙射线基础知识学习,学生通过资料研读、小组讨论、教师讲解,掌握宇宙射线的来源、主要类型、带电性质、质量特点及穿透能力等知识,区分电磁辐射与电离辐射,建立对辐射的科学认知。

课堂的核心体验环节为专业云室演示实验。教师利用大型云室设备,带领学生直观观察高能粒子穿过过饱和蒸汽区形成的清晰轨迹,不同粒子呈现直线、弯曲、分叉等不同轨迹特征。学生在观察中产生了强烈的好奇心:“这些轨迹是什么?为什么形状不同?它们来自哪里?对人类有什么危害?”一系列问题驱动学生进入深入探究状态。学生通过填写任务单,梳理宇宙射线相关知识,完成从被动听讲到主动探究的转变。

设计意图 营造项目式学习氛围,建立空间环境与辐射风险认知,激发探究动机,明确项目核心问题,培养学生初步的信息获取与整理能力。

阶段2.观察宇宙射线——云室制作与粒子轨迹观测

本节课以“看得见的宇宙射线”为核心,从理论认知走向动手实践与直观观测。课程首先进行云室原理学习,教师介绍云室的科学史、基本结构与工作原理(云室通过冷却形成过饱和蒸汽,带电粒子穿过时会使气体电离,以离子为核心形成雾滴,从而显示出粒子运动轨迹),并对云室进行拆解演示,讲解冷却系统、蒸汽系统、照明系统、密封结构等的作用,帮助学生理解云室能看见粒子的原因。

在小组合作制作云室环节,学生使用云室套件、酒精、干冰、泡沫盒、黑布、亚克力板等材料,按照制作说明完成组装。各组自主选择冷却剂与工作介质,对比不同介质对轨迹显示效果的影响,在切割、粘贴、搭建、调试中不断优化。教师巡回指导,强调操作规范与安全注意事项。最先完成制作并调试成功的小组获得激励加分,提升竞争与合作氛围。

云室制作完成后,学生开展观测实验:将烟雾报警器放射源靠近云室,观察并记录粒子运动轨迹,用手机拍摄视频,对比不同粒子轨迹的形态,判断轨迹对应的粒子类型。学生在成功观测到轨迹时,表现出强烈的成就感与探究兴趣。

设计意图 提升学生的动手操作、工具使用及团队协作能力;通过自制云室并成功观测粒子轨迹,让抽象粒子变得直观可感;培养学生的科学态度、实证意识与创新设计能力,为后续测量与防护奠定基础。

阶段3.测量宇宙射线——辐射剂量与定量探究

本节课实现从定性观测到定量测量的跨越,是科学探究能力提升的关键环节。首先,学生通过资料研读,理解辐射剂量单位,了解生活中常见物品的辐射水平,对比普通公众安全辐射剂量、国际空间站辐射剂量与月球表面辐射剂量,深刻认识月球上辐射的危害性。教师以真实事件为例,讲解大剂量辐射对人体与设备的损伤,强化防护必要性认知。随后,教师讲解盖革计数器的探测原理、结构组成、使用方法及读数规则,并进行示范操作。学生以小组为单位,使用盖革计数器对石材、陶瓷、烟雾报警器、金属片等样品进行实测,记录每分钟计数值,计算辐射水平,填写“辐射测量任务单”,对比不同物品的辐射差异。在测量过程中,学生学习控制变量、重复测量、数据记录、误差分析等科学方法,体会定量研究在科学与工程中的重要性。通过实测,学生发现:日常生活中许多物品都存在微量辐射,辐射并不可怕,可怕的是过量辐射与无防护暴露。

设计意图 帮助学生建立辐射剂量概念,掌握科学测量方法与仪器使用技能;培养学生数据处理、分析论证、实证探究等方面的能力;让学生从“知道辐射”升级为“会测量辐射”,为后续防护探究提供数据支撑。

阶段4.防护宇宙射线——材料防护与磁场屏蔽探究

本节课对接项目核心目标——磁防护,让学生从认识辐射、观测辐射、测量辐射走向理解如何防护辐射。


学生探究材料防辐射性能

材料防辐射性能探究学生利用盖革计数器,分别测量纸片、塑料片、金属片、铝板等材料对辐射的屏蔽效果,计算防护效率,填写任务单。通过实验,学生理解了不同材料对不同射线的防护效果不同,高密度材料对部分射线防护效果更好,但无法完全解决高能带电粒子防护问题,从而引出主动磁防护的必要性。

地磁场与磁场防护学习教师讲解地磁场的形成、作用,以及地磁场如何偏转宇宙射线,保护地球生物。学生通过云室外加磁场实验,直观观察到粒子轨迹发生明显弯曲偏转,证明磁场可以改变带电粒子运动方向。

仿真软件探究学生使用“匀强磁场粒子运动仿真软件”,模拟不同强度、不同方向的磁场对带电粒子的偏转作用,调节磁场强度、粒子速度、入射角度,观察轨迹变化,推测磁场防护的最优条件。通过实验学生得出结论:强磁场可以在短距离内使高能带电粒子发生显著偏转,从而实现对被保护区域的屏蔽。

核心结论月球缺乏天然磁场,可通过人工构建强磁场实现主动磁防护,为“月球城堡磁防护”提供物理原理支撑。

设计意图理解辐射防护的基本方法,掌握材料防护与磁场防护的区别;通过实验与仿真结合,理解洛伦兹力与磁场偏转原理;建立“主动磁防护”科学观念,完成知识、能力、素养的全面整合。

课程实施效果

4个阶段课程实施完成后,从任务学习能力、思维拓展能力、团队协作意识、语言表达能力、任务完成程度5个维度开展综合评价。

任务学习能力:知识掌握扎实,目标达成度高

在任务学习能力维度,全体学生均能按时、规范完成每节课任务单,准确理解宇宙射线、辐射剂量、云室原理、盖革计数器使用、磁场偏转等核心知识。绝大多数学生能够独立描述射线类型、辐射危害、防护方法,正确操作实验仪器,准确记录现象与数据,知识目标达成度接近100%。学生从对辐射一无所知转变为能讲清原理、会操作仪器、懂防护方法的探究者,知识结构化、系统化水平显著提升。

思维拓展能力:从现象到本质,推理能力提升

在思维拓展能力维度,学生能够基于实验现象推理物理本质,基于测量数据得出科学结论,实现从直观形象思维到抽象逻辑思维的进阶。在云室观测中,学生能根据轨迹形态判断粒子类型;在辐射测量中,能分析数据差异并解释原因;在磁场偏转实验中,能总结磁场强度、粒子速度与偏转程度的关系。学生表现出良好的分析、推理、论证、迁移能力,科学思维素养得到有效建构。

团队协作意识:分工明确高效,全员深度参与

在团队协作意识维度,各小组均形成明确分工,操作员、记录员、发言人和材料管理员各司其职,成员间主动配合、互助互补。在云室制作、辐射测量、仿真探究等任务中,小组内部讨论充分、沟通顺畅,能够共同解决操作难题、优化实验方案。全员深度参与率高,团队凝聚力、协作效率显著提升。

语言表达能力:表述清晰准确,逻辑严谨

在语言表达能力维度,学生能够在小组分享、课堂展示、实验解释环节,清晰、准确、流畅地表述观点,描述现象条理清楚,解释原理逻辑严谨。部分学生从最初不敢发言、表达混乱,逐步提升为能够自信表达、论据充分。在小组互评环节,学生能够使用科学术语进行评价与建议,表达规范性显著提高。

任务完成程度:成果质量优异,探究成效突出

在任务完成程度维度,云室制作成功率100%,辐射测量任务完成率100%,仿真探究与磁场实验完成率83%。多数小组能够高质量完成所有任务,实验现象明显、数据可靠、结论正确、阶段性成果丰富。学生在探究过程中表现出专注、投入、敢于创新的良好状态,课程满意度与评分均达到优秀水平。

实践反思与改进方向

部分小组在云室调试、磁场测量中耗时较长,时间分配仍可优化,为调试、讨论、展示预留更加充足的时间;对个别基础薄弱学生的个性化指导不足,分层任务可进一步细化,通过设计基础任务、提升任务、挑战任务三级分层任务,适配不同水平学生;仿真软件操作熟练程度差异较大,可增加课前预习提示,如通过制作简易操作微视频,帮助学生提前熟悉仪器与软件使用;强化小组互评与自评,让评价更精准、更具指导性。

参考文献

[1]林妹. 核心素养视域下高中物理项目式学习策略[J]. 广西物理,2025,46(4):121-123.

[2]邵明超. 核心素养视域下高中物理项目式学习策略探析[J]. 广西物理,2024,45(1):97-99.

[3]孟立飞,易忠,张超. 航天器防护高能带电粒子的新方法[J]. 航天器环境工程,2008(2): 198-200,100.

本文系北京市教育科学“十四五”规划2022年度青年专项课题成果。课题名称:在项目式活动中培养学生科技素养的实践研究——以“月球电磁堡”项目式课程为例;课题编号:CECA22140。

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来源 | 《中国科技教育》2026-3

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜

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