探索性實(shí)驗(yàn)的思考.doc

探索性實(shí)驗(yàn)的思考“創(chuàng)新是一個(gè)民族的靈魂”，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)的社會(huì)中人的最重要的素質(zhì)是創(chuàng)新能力。而物理是一門(mén)以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都必須以嚴(yán)格的物理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，并受到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。因此在物理教學(xué)中，尤其是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的能力，發(fā)展智力，特別在培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、發(fā)散性思維及發(fā)揮個(gè)性、提高學(xué)生的整體素質(zhì)方面有獨(dú)特的作用。但是傳統(tǒng)包辦式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索性實(shí)驗(yàn)作為近年來(lái)嶄露頭角的一種新型實(shí)驗(yàn)，它在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、訓(xùn)練動(dòng)手操作能力，特別是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力方面有著很好的作用。我們對(duì)探索性實(shí)驗(yàn)的定義是：由教師給出實(shí)驗(yàn)課題，提供實(shí)驗(yàn)器材，提出實(shí)驗(yàn)要求，讓學(xué)生自己擬定實(shí)驗(yàn)方案，制訂實(shí)驗(yàn)步驟，獨(dú)立地通過(guò)實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)和分析去探索研究，從而發(fā)現(xiàn)“新”的物理現(xiàn)象，并通過(guò)建立物理模型來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)出他們?cè)瓉?lái)并不知道的規(guī)律性認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)。探索性實(shí)驗(yàn)作為物理實(shí)驗(yàn)的一種形式，它既有別于測(cè)定性實(shí)驗(yàn)，又有別于一般的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。探索性實(shí)驗(yàn)的目的在于使學(xué)生獲得物理實(shí)驗(yàn)研究方法的訓(xùn)練，讓學(xué)生接觸探索、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的過(guò)程和方法。在探索發(fā)現(xiàn)的過(guò)程中，發(fā)展學(xué)生理性的、批判的思想方法，體驗(yàn)學(xué)者研究的苦衷和愉悅，培養(yǎng)他們的發(fā)現(xiàn)、探究能力。而要達(dá)到這種目的，首先要求教師樹(shù)立正確會(huì)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。那么，探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)應(yīng)該該具備什么樣的指導(dǎo)思想呢？瑞士心理學(xué)家皮亞杰的發(fā)生認(rèn)識(shí)論理論可以給我們以很好的啟示皮亞杰認(rèn)為，人的行為具有一種定向性平衡。本來(lái)處于平衡狀態(tài)的圖式，由于人與事物的相互作用而破壞了平衡狀態(tài)，出現(xiàn)了不平衡，為此，人再進(jìn)行反應(yīng)又恢復(fù)平衡，這種重新達(dá)到平衡狀態(tài)的心理反應(yīng)過(guò)程，稱(chēng)為平衡化。平衡化又可分為同化和順應(yīng)兩種形式。同化是主體面臨新的情境時(shí)，總是將新的知覺(jué)要素或刺激整合到原有的圖式中，引起主體原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)量的變化，以加強(qiáng)和豐富主體的動(dòng)作；而當(dāng)主體的圖式不能同化客體時(shí)，主體只有改變?cè)袌D式或建立新的圖式，引起主體認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)變才能適應(yīng)或容納新的刺激，這叫順應(yīng)。正是在同化、順應(yīng)的交替轉(zhuǎn)換過(guò)程中，新的認(rèn)識(shí)不斷整合為更高級(jí)復(fù)雜的認(rèn)知結(jié)構(gòu)。學(xué)生的心理發(fā)展，就是這種認(rèn)知結(jié)構(gòu)從平衡到不平衡再到新的平衡的過(guò)程。皮亞杰認(rèn)為，引起兒童認(rèn)知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激發(fā)兒童的求知欲和好奇心。按照他的平衡學(xué)說(shuō)，沖突是認(rèn)知結(jié)構(gòu)重新組織和隨后發(fā)展的基礎(chǔ)。探索性物理實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的一種積極主動(dòng)的認(rèn)識(shí)建構(gòu)手段，其目的和作用不僅僅只是作為一般的建構(gòu)手段，而是作為學(xué)生建構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)的手段。要達(dá)到這種目的，就要使學(xué)生在進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生認(rèn)知沖突。這要求探索性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)首先要足夠“新穎”。正是這種“新穎”的刺激，才會(huì)激發(fā)學(xué)生對(duì)探索的興趣，才能引起學(xué)生探索的欲望，才使得它與主體原有的“定勢(shì)”相矛盾、相對(duì)立，才能產(chǎn)生認(rèn)識(shí)上的不協(xié)調(diào)和沖突。比如，如果設(shè)計(jì)“測(cè)定沒(méi)有系統(tǒng)誤差存在時(shí)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻”的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自己設(shè)計(jì)電路、得出數(shù)據(jù)，并求出沒(méi)有系統(tǒng)誤差存在時(shí)電池的電動(dòng)勢(shì)與內(nèi)電阻，就比高中教材上的實(shí)驗(yàn)“新穎”。那么，設(shè)計(jì)的“新穎”要達(dá)到什么程度呢？這涉及一個(gè)“度”的問(wèn)題，太弱的刺激由于不能引起認(rèn)知上的不平衡，因而也就不能引起同化和順應(yīng)。相反，如果外部刺激超過(guò)主體認(rèn)知結(jié)構(gòu)同化的范圍，那么同化和順應(yīng)都無(wú)法進(jìn)行，主體的反應(yīng)也無(wú)從談起。這正如皮亞杰所說(shuō)的那樣：“一個(gè)人既不注意太熟悉的東西，因?yàn)橐呀?jīng)司空見(jiàn)慣了，他也不注意太不熟悉的東西，因?yàn)楹退麍D式中的任何東西都沒(méi)有聯(lián)系。”為了引起學(xué)生認(rèn)知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還要遵循“適度”原則?！斑m度”是指設(shè)計(jì)既要與學(xué)生已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)有一定聯(lián)系，同時(shí)又要有一定的難度。這樣的設(shè)計(jì)如同樹(shù)上的果子一樣，學(xué)生必須“跳一跳”才能摘下來(lái)，這樣就最大限度地激發(fā)了學(xué)生的求知欲和好奇心。當(dāng)他們依靠已有的知識(shí)解決了一個(gè)新問(wèn)題時(shí)，往往會(huì)在緊張的智力勞動(dòng)之后帶來(lái)精神上的滿(mǎn)足。這種求知欲滿(mǎn)足后，又會(huì)產(chǎn)生新的刺激，激勵(lì)他們進(jìn)一步去探索新的課題，從而轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)上的一種內(nèi)驅(qū)力。概括以上兩個(gè)方面可知，探索性實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想應(yīng)該是“新穎、適度”。探索性實(shí)驗(yàn)的涵義及相關(guān)理念1探索性實(shí)驗(yàn)的程序探索性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生靈活、綜合地運(yùn)用所學(xué)的物理以及相關(guān)學(xué)科的知識(shí)和技能，完成如下的程序。一是準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)階段：查閱資料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選配實(shí)驗(yàn)儀器，擬定實(shí)驗(yàn)步驟；二是實(shí)驗(yàn)階段：正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù)，思考和分析問(wèn)題；三是小結(jié)階段：可以以課題論文形式提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也可以進(jìn)行口頭形式的交流討論。2探索性實(shí)驗(yàn)選題的原則探索性實(shí)驗(yàn)選題的原則，一般不要求突出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的復(fù)雜性，課題只給出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵螅蓪W(xué)生根據(jù)目的要求去查閱資料，獨(dú)立制訂實(shí)驗(yàn)方案。提出分析解決問(wèn)題的設(shè)想，然后在教師的指導(dǎo)下獨(dú)立去解決，最后寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3探索性實(shí)驗(yàn)分類(lèi)(1)從形式上可分為兩種類(lèi)型：第一，給定某種儀器設(shè)備，要求完成某一物理量的測(cè)定或某一物理現(xiàn)象的觀察研究。課本中一些“做一做欄目中介紹的小實(shí)驗(yàn)，有些就是這種類(lèi)型的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。如平拋物體運(yùn)動(dòng)中的“用尺測(cè)量玩具手槍子彈射出時(shí)的速度”。又如在“顯示微小形變”小實(shí)驗(yàn)中，變換一下問(wèn)題方式就可以成為此類(lèi)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，可以提出問(wèn)題： “給你一個(gè)大玻璃瓶，你如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)顯示微小變形?”第二，只提測(cè)量要求，不限實(shí)驗(yàn)方法和所用儀器，完成某一物理量的測(cè)量任務(wù)。(2)從內(nèi)容上可以分為三種類(lèi)型：第一，測(cè)量某一物理量的課題，如“怎樣測(cè)量半圓柱形下玻璃磚的折射率”，由學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案；第二，探討研究和應(yīng)用的課題，如“太陽(yáng)能電池的應(yīng)用”，由學(xué)生閱讀相關(guān)材料后，對(duì)工作原理和應(yīng)用前景進(jìn)行了解分析；第三，研究測(cè)量方法的課題，要求設(shè)計(jì)一種實(shí)用的方法。例如，在用伏安法測(cè)電阻后，可以提出：“一位無(wú)線電修理工手邊有最大阻值為50的滑動(dòng)變阻器R0和未知電阻Rx各一只，除用伏安法測(cè)量外，還有哪些方法能測(cè)出它的大小(器材自選)”的研究課題，讓學(xué)生根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)出多種測(cè)量方法。一、教學(xué)案例實(shí)驗(yàn)課題：重力加速度的測(cè)定 1課題的提出重力加速度是物理學(xué)中最重要的常數(shù)之一，它在高中的物理學(xué)習(xí)章節(jié)里大量頻繁出現(xiàn)，其數(shù)值的測(cè)定方法很多，有些方法在物理學(xué)發(fā)展史乃至在科學(xué)史上有重要的價(jià)值。請(qǐng)同學(xué)們根據(jù)所學(xué)知識(shí)以及了解的知識(shí)設(shè)計(jì)一種可行的實(shí)驗(yàn)方案。涉及到重力加速度的知識(shí)點(diǎn)很多。靜力學(xué)中的重力，運(yùn)動(dòng)學(xué)中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等；在動(dòng)力學(xué)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律，超重、失重、力的平衡、勻速圓周運(yùn)動(dòng)、萬(wàn)有引力定律、機(jī)械能守恒定律等；在電學(xué)、原子物理中帶動(dòng)粒子的受力也涉及到重力加速度。2探索實(shí)驗(yàn)的要求(1)學(xué)生分為若干實(shí)驗(yàn)小組，根據(jù)所學(xué)知識(shí)作為實(shí)驗(yàn)原理，可以找到多種測(cè)量方法，但至少選擇一種以上你認(rèn)為切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行具體詳盡的方案設(shè)計(jì)。包含確定實(shí)驗(yàn)原理，選配實(shí)驗(yàn)器材，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，提示重要操作事項(xiàng)等。(2)正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù)，思考和分析問(wèn)題。(3)提交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所設(shè)計(jì)方案在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)偏差或誤差的原因進(jìn)行分析，注意實(shí)驗(yàn)的可行性和實(shí)驗(yàn)價(jià)值的分析評(píng)估。3探索實(shí)驗(yàn)的互動(dòng)和幫助(1)從方案設(shè)計(jì)到實(shí)驗(yàn)過(guò)程到總結(jié)，學(xué)生以自主完成為主，疑惑較大時(shí)，師生間可以討論，教師可給予適當(dāng)指導(dǎo)。 (2)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室可以提供學(xué)生較熟悉的一些儀器，如秒表、光電計(jì)時(shí)裝置、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、電火花計(jì)時(shí)器、單擺裝置等。4探索實(shí)驗(yàn)的思考(1)對(duì)各小組的設(shè)計(jì)方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從實(shí)驗(yàn)的新穎性、可行性、實(shí)用性、先進(jìn)性設(shè)計(jì)方法的價(jià)值等方面作對(duì)比，相互間作出評(píng)價(jià)。(2)查閱資料，了解一種比較精確的測(cè)定重力的加速度方法凱特?cái)[測(cè)量法，思考其設(shè)計(jì)思想在科學(xué)史上有何重要價(jià)值。二、教學(xué)思考1本案例課題極富開(kāi)放性和挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)方案時(shí)，要求學(xué)生提出盡可能多的設(shè)想，再根據(jù)時(shí)間和條件，實(shí)踐一、二種方案，有的實(shí)驗(yàn)無(wú)條件進(jìn)行，也可以提出各種新的設(shè)想，這是創(chuàng)新思維訓(xùn)練的有效模式。由于課題較熟悉，要設(shè)計(jì)一個(gè)方案并不難，難就難在設(shè)計(jì)一個(gè)好方案，好方案就好在測(cè)量方法新穎、準(zhǔn)確可行上。在研究此課題中學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)出不少方案，如自由落體(s=1/2gt2)，物體由靜止在斜面滑下的方法s=1/2at2=1/2(gsin-ug)t2，單擺法，力的平衡(彈簧拉力F=G=mg)；帶電粒子在勻強(qiáng)電場(chǎng)平行板電容器中平衡(mg=qud)等方法，僅是自由落體的方法，也有不同的方案，如通過(guò)光電門(mén)裝置來(lái)測(cè)物體下落時(shí)間的，也有通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器所打的紙帶來(lái)計(jì)算g。同一方案，為了更準(zhǔn)確測(cè)量，都有不同的測(cè)量方法。2設(shè)計(jì)中的反思促使創(chuàng)新意識(shí)轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力。書(shū)面知識(shí)和實(shí)際操作之間存在巨大差異，想到一套好的思路并不等于有了實(shí)際操作的可行性。因此應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生在探索實(shí)驗(yàn)中不斷對(duì)比、反思、借鑒，通過(guò)對(duì)測(cè)量手段的優(yōu)化創(chuàng)新來(lái)提高實(shí)驗(yàn)的可行性。如有不少學(xué)生在方案中采用多次測(cè)量或圖表的方法來(lái)減少偏差和誤差，正確使用較好的儀器，如光電計(jì)時(shí)裝置、電火花計(jì)時(shí)器等來(lái)保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了