高中物理教學(xué)論文《以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為載體培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力》

1、初中物理教學(xué)論文以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為載體，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維能力近年來(lái)高考物理試卷對(duì)實(shí)驗(yàn)的考查，已從一般性的實(shí)驗(yàn)知識(shí)記憶轉(zhuǎn)向?qū)?shí)驗(yàn)原理和方法的理解與遷移，開始出現(xiàn)了以學(xué)生實(shí)驗(yàn)和演示實(shí)驗(yàn)為背景的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)試題。所謂設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，就是要打破現(xiàn)成的實(shí)驗(yàn)方案，在一些特定的要求和條件下自行設(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)方案和步驟，完成其實(shí)驗(yàn)要求。由于這種設(shè)計(jì)具有較大的靈活性，需要學(xué)生在牢固掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本方法的前提下富有創(chuàng)造力，因此，以設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)為載體，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維能力的一條重要途徑。本文重點(diǎn)探討與設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相關(guān)的幾種創(chuàng)造性思維品質(zhì)。一、實(shí)驗(yàn)方案的多樣性與思維的廣闊性人類正步入信息社會(huì)，各種信息的數(shù)量急劇增加，成份日

2、趨復(fù)雜。顯然只有單通道的集中思維，已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的要求，還需要有多通道的發(fā)散思維與之協(xié)同互補(bǔ)。所謂發(fā)散性思維，指的是一種沿著不同方向、不同角度思考，從多方面尋求多樣性結(jié)論的輻射型思維方式。在物理實(shí)驗(yàn)中，即使實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵笙嗤?，但如果?shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)器材不同，實(shí)驗(yàn)方案也往往具有多樣性。因此實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如能選擇典型的課題。通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，則可有效地訓(xùn)練學(xué)生思維的廣闊性。具體可采用的方法有：1、根據(jù)同一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，開放常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。例如，測(cè)干電池的電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻是高中物理的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這一實(shí)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)了閉合電路歐姆定律以后就可編制

3、如下一道實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)訓(xùn)練題：（1）利用電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的儀器和儀表，可能有哪幾種測(cè)量電池電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的方法。試畫出實(shí)驗(yàn)電路，并說(shuō)明其測(cè)量的原理和方法。（2）如果再補(bǔ)充些儀器（如電勢(shì)差計(jì)），你還有其它方法嗎？（3）這些方法中，哪些是比較合理的？哪些是比較精確的？哪些方法中需要附加些條件？（4）試就你所想到的各種方法，作一歸納總結(jié)，從中能得到測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻的一般規(guī)律嗎？學(xué)生通過(guò)廣泛聯(lián)系和運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和方法，集思廣益，初步提出了近十種可能的實(shí)驗(yàn)方案，其中一些不乏閃爍著創(chuàng)造性思維的火花。對(duì)此，再組織學(xué)生討論、辯析，對(duì)合理的加以肯定，不恰當(dāng)?shù)闹赋鰡?wèn)題所在，對(duì)無(wú)法完成的方案闡明其原因。各種方案在一一論證

4、以后，只要條件許可，都可組織學(xué)生自己動(dòng)手操作，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。2、根據(jù)限定的實(shí)驗(yàn)器材，要求學(xué)生進(jìn)行發(fā)散性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，看看最多能做多少種不同的實(shí)驗(yàn)。例如，在電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，提供以下實(shí)驗(yàn)器材：電流表（006a3a）、電壓表（03v15v）、滑動(dòng)變阻器（050歐）、電池、小燈泡、幾個(gè)阻值不一的定值電阻、電鍵、導(dǎo)線若干。要求：利用上述儀器盡可能多地設(shè)計(jì)一些電學(xué)實(shí)驗(yàn)。筆者曾讓學(xué)生練習(xí)過(guò)，結(jié)果學(xué)生共提出了十多種可行的方案，茲例舉如下：如圖1（a），用伏安法測(cè)定值電阻的阻值。如圖1（a），驗(yàn)證歐姆定律iur。如圖1（b），用伏安法測(cè)伏特表的內(nèi)阻。如圖1（c），研究小燈泡的伏安特性規(guī)律如圖1（d），用伏安法測(cè)電池的電

5、動(dòng)勢(shì)和內(nèi)電阻；如圖1（e），驗(yàn)證并聯(lián)電路總電阻的公式；探索并聯(lián)電路的總功率與各支路功率的關(guān)系。如圖1（f），研究滑動(dòng)變阻器的限流和分壓變化規(guī)律。如圖1（g），研究照明電路中電燈的亮暗隨負(fù)載變化的規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)儀器的局限性與思維的求異性審視傳統(tǒng)的物理教學(xué)，我們的觀念總是強(qiáng)調(diào)確定性，排斥可能性，在這種教育的熏陶下，培養(yǎng)的學(xué)生往往長(zhǎng)于求同，而弱于求異，其結(jié)果往往是墨守成規(guī)，缺少創(chuàng)新。要真正塑造創(chuàng)造型的人才，教師在教學(xué)中必需要鼓勵(lì)學(xué)生勤于觀察、敢于質(zhì)疑，勇于發(fā)問(wèn)，即便對(duì)那些已成定論的東西也不妨去重新審視或爭(zhēng)論一番，使之不成為僵死的教條。誠(chéng)如笛卡爾所說(shuō)：“科學(xué)產(chǎn)生于懷疑”。以測(cè)量性實(shí)驗(yàn)為例，由于每一種測(cè)

6、量?jī)x器都有其基本的固定的作用，如用刻度尺測(cè)長(zhǎng)度、用天平測(cè)質(zhì)量等，但如果要求突破測(cè)量?jī)x器固有的功能（局限性）去測(cè)量一些看似沒有因果聯(lián)系的物理量，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的求異思維品質(zhì)無(wú)疑是一條“綠色通道”。例如：提供一定容積的并盛滿清水的“可樂(lè)瓶”一只（瓶底有一小孔）、細(xì)線一根、米尺一把、小祛碼一只和用來(lái)盛水的桶一只。試估測(cè)水從此瓶底小孔連續(xù)流出的平均流量，并進(jìn)行測(cè)量的誤差分析。此題是1997年浙江省中學(xué)生物理競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)試題。從題意來(lái)看：水的平均流量q水的總體積v水流盡的時(shí)間t。從提供的條件來(lái)看：其中水的體積可從瓶貼的標(biāo)簽上直接觀察得到（這里考查的是學(xué)生的觀察能力，遺撼的是一些考生并未發(fā)掘出這一點(diǎn)）；最困難的

7、問(wèn)題還在于，如何測(cè)量水流盡所用的時(shí)間？要想突破這個(gè)難點(diǎn)，需要從實(shí)驗(yàn)方法上尋找解決辦法：用題目提供的細(xì)線與祛碼組裝成一單擺，用它作用一間接的計(jì)時(shí)儀器去替代秒表。它的擺長(zhǎng)l可由米尺測(cè)出，周期可由公式算出，只要以此作為“參照量”數(shù)出水流盡過(guò)程中單擺全振動(dòng)的次數(shù)n，即可測(cè)得時(shí)間tnt。顯然，該題運(yùn)用的是物理實(shí)驗(yàn)中典型的替代法，即用已知的標(biāo)準(zhǔn)量去代替未知的待測(cè)量，以保持狀態(tài)和效果相同為判斷依據(jù)，從而求出待測(cè)量。又如：試用一根卷尺估測(cè)一堆砂粒間的動(dòng)摩擦因數(shù)。如果說(shuō)上述實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)還是“有法可依”的話，那么本題的設(shè)計(jì)可謂是“無(wú)法無(wú)天”，因?yàn)榫沓邷y(cè)得的長(zhǎng)度與砂粒間的動(dòng)摩擦因數(shù)似乎是風(fēng)馬牛不相及的兩碼事。但是，我

8、們可以這樣來(lái)思考，要測(cè)定砂粒間的動(dòng)摩擦因數(shù)，必須讓砂粒間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)；再聯(lián)想到力學(xué)中一個(gè)常見的斜面模型，如圖2（a）：逐漸增大斜面傾角0使木塊在斜面上將要發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，此時(shí)有p受這一原型的啟發(fā)，我們可將題給的一堆砂從高處慢慢漏下，在地面上形成一圓錐體，并不斷增高以至高得不能再高，即表面砂粒將要開始滑動(dòng)。如圖2（b）、此時(shí)的砂堆不就構(gòu)成一“蠢蠢欲動(dòng)”的斜面了嗎？隔離出其表面的任一顆砂粒，不就相當(dāng)于斜面上的一木塊了嗎？這樣一來(lái)，通過(guò)這個(gè)中間變量即可把動(dòng)摩擦因數(shù)u的測(cè)量轉(zhuǎn)化為可用卷尺測(cè)量的長(zhǎng)度（圓錐的高h(yuǎn)和周長(zhǎng)l）。在物理實(shí)驗(yàn)中，將不易直接測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為另一種易觀測(cè)的物理量進(jìn)行測(cè)量的方法，稱為轉(zhuǎn)

9、換法。本題運(yùn)用的正是這種轉(zhuǎn)換法。除以上所用的幾種方法外，還有一些常用的實(shí)驗(yàn)方法，如比較法、放大法、補(bǔ)償法、共軛法等。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)方法起著關(guān)鍵的作用，而求異思維則為實(shí)驗(yàn)方法的選擇開拓了思考的不同途徑。當(dāng)然，科學(xué)求異決不是胡思亂想，它來(lái)源于扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)和敏捷的思維能力，既要敢于想，又要善于想，才能充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)方法的長(zhǎng)處，以較高的效率、簡(jiǎn)明的方法去解決面臨的新問(wèn)題。三、實(shí)驗(yàn)誤差的客觀性與思維的批判性實(shí)驗(yàn)誤差總是客觀存在的。在很多情況下，系統(tǒng)誤差是影響測(cè)量結(jié)果的主要因素，可是它又常常不明顯的外現(xiàn)出來(lái)，有時(shí)卻給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)嚴(yán)重影響。因此，用“批判”的眼光發(fā)現(xiàn)并正視實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)誤差，再想方設(shè)法

10、予以修正以盡量消除它的影響，這既是誤差分析的重要內(nèi)容，也是從理性的角度進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)原理。設(shè)計(jì)更精確的實(shí)驗(yàn)方案的重要依據(jù)。愛因斯坦曾在論教育中談到：“發(fā)展獨(dú)立思考和獨(dú)立批判的一般能力，應(yīng)當(dāng)始終放在首位。如果一個(gè)人掌握了他的學(xué)科基礎(chǔ)理論，并且學(xué)會(huì)了獨(dú)立地。批判性的思考和工作，那么他必定會(huì)找到自己的道路，而且比那種主要以獲得細(xì)節(jié)知識(shí)為其培訓(xùn)內(nèi)容的人來(lái)，他一定會(huì)更好地適應(yīng)進(jìn)步和變化?！崩纾涸诟?jìng)賽輔導(dǎo)中，我們?cè)龑?dǎo)學(xué)生對(duì)如何測(cè)電阻這一課題進(jìn)行了深入的研究。具體的運(yùn)作大致是；用簡(jiǎn)單的伏安法電路，不論是采用電流表內(nèi)接還是電流表外接，都有因電表的內(nèi)阻對(duì)電路的影響而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。針對(duì)這一問(wèn)題，先給學(xué)生介紹

11、補(bǔ)償?shù)乃枷?，然后由學(xué)生自行設(shè)計(jì)出電流補(bǔ)償和電壓補(bǔ)償兩種線路（電路圖略）。補(bǔ)償法解決了由于實(shí)驗(yàn)電路不完善帶來(lái)的系統(tǒng)誤差，但這個(gè)矛盾解決了，電流表和電壓表不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題便上升為主要矛盾。怎么辦？經(jīng)過(guò)進(jìn)一步思考改進(jìn)，大家認(rèn)為可以用準(zhǔn)確度高得多的電阻箱來(lái)取代電壓表和電流表，再輔以靈敏度很高的電流表，便可大大提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，這就是常用的惠斯通電橋（電路圖略）。最后讓學(xué)生分別用上述三種方法實(shí)際測(cè)量了同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值，比較測(cè)量結(jié)果證實(shí)了理性的分析。歷史上，從伏安法到電橋法經(jīng)歷了很長(zhǎng)的一個(gè)過(guò)程，而在這堂實(shí)驗(yàn)課中，學(xué)生親身體驗(yàn)了這樣一個(gè)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的全過(guò)程。這種有序的啟發(fā)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維

12、能力的培養(yǎng)是大有稗益的。又如：在用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器做驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)時(shí)，如果用進(jìn)碼盤和砝碼代替砂桶和砂，如給定四個(gè)質(zhì)量均為m的小砝碼，已測(cè)出進(jìn)碼盤的質(zhì)量m2m，小車的質(zhì)量m4m，假定小車與木板間的摩擦已被平衡且其它所需器材不變。為了較準(zhǔn)確地驗(yàn)證牛頓第二定律，該如何設(shè)計(jì)并完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)？實(shí)驗(yàn)中若以小車為mgtma和tma可得出，其中m為小車和車上所載圖3硅碼的總質(zhì)量，m為祛碼盤和所載過(guò)碼的總質(zhì)量，顯然，只有滿足mm時(shí)，才有tmg，即可以m作為小車所受合外力進(jìn)行研究。但在題給的器材中，即便將砝碼全部載入小車，也不能滿足上述條件。為解決小車所受拉力的矛盾，我們可以通過(guò)轉(zhuǎn)換研究對(duì)象，即以小車、以砝碼盤和

13、盤中所裝砝碼所受重力為系統(tǒng)所受的合外力，這樣就可較準(zhǔn)確地達(dá)到驗(yàn)證的目的。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：保持質(zhì)量不變，改變外力，測(cè)加速度驗(yàn)證a與f的關(guān)系：首先將4個(gè)砝碼載入小車，以空砝碼盤所受重力作為外力f12mg，測(cè)出第一個(gè)加速度a1；然后每次將一個(gè)小砝碼從小車上移到砝碼盤中，系統(tǒng)的質(zhì)量始終保持10m不變,而外力則依次變?yōu)閒23mg，f34mg，f45mg，f56mg，分別測(cè)出各次的加速度a2、a3、a4、a5。作出a-f圖象即可驗(yàn)證之。保持外力不變，改變質(zhì)量，測(cè)加速度驗(yàn)證a與m的關(guān)系。先讓小車空載，砝碼盤也空載，測(cè)出第一個(gè)加速度a1，對(duì)應(yīng)外力f2mg，系統(tǒng)質(zhì)量m16m；然后依次將一個(gè)砝碼載入小車，使系統(tǒng)質(zhì)量逐次變?yōu)閙27m，m38m，m49m，m510m，而外力始終保持f2mg不為難，分別測(cè)出相應(yīng)的加速度a2、a3、a4、a5。作出圖象圖象即可驗(yàn)證之?！盎?/p>