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