通過中學物理教學怎樣培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力

怎樣通過中學物理教學培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力《中國高考評價體系》中指出：基于學科素養(yǎng)導向，承接學科素養(yǎng)要求，結(jié)合學生認知發(fā)展實際，高考評價體系確立了符合考試評價規(guī)律的三個方面的關鍵能力群：第一方面是以認識世界為核心的知識獲取能力群；第二方面是以解決實際問題為核心的實踐操作能力群；第三方面是涵蓋了各種關鍵思維能力的思維認知能力群。根據(jù)高考的特征，高考評價體系將這三個方面關鍵能力的發(fā)展水平作為主要考查內(nèi)容，以區(qū)分學生綜合能力水平的高低，引導基礎教育對學生綜合能力的培養(yǎng)。我認為“思維能力是重要關鍵能力的核心能力，而創(chuàng)新能力是思維能力的重要體現(xiàn)，也是中學物理教學應該重點培養(yǎng)的一種核心能力，特別是高中物理的實驗教學更應該如此。中學物理學是一門以實驗為基礎的科學。中學物理實驗一般分為1操作性實驗，例如組成串聯(lián)電路和并聯(lián)電路2測定性試驗：例如用單擺測重力加速度，3探究性實驗：例如探究感應電流產(chǎn)生的原因。下面我們主要介紹如何通過探究性實驗培養(yǎng)學生的探究創(chuàng)新能力探究性實驗的邏輯思維線索是：物理現(xiàn)象（物理情景）→發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想→實驗驗證（進行實驗→收集數(shù)據(jù)→處理數(shù)據(jù)→得出結(jié)論）→驗證猜想→理論解釋。這類實驗的邏輯思維線索大致可以分為前后兩個階段：第一階段為：物理現(xiàn)象（物理情景）→發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想；在第一階段要讓學生明確如何由物理現(xiàn)象通過科學思維活動發(fā)現(xiàn)問題提出猜想，第二階段為：實驗驗證→驗證猜想→理論解釋。在第二階段要讓學生明確如何通過科學實驗活動驗證猜想的正誤。要培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力就要從以下兩方面入手在第一階段要讓學生明確如何由物理現(xiàn)象通過科學思維活動提出猜想。下面是由物理現(xiàn)象通過科學思維活動提出猜想的幾種常用的方法：1類比推理法自然界中有很多物理現(xiàn)象與物理過程具有許多相似性與對稱性，在科學探究中人們常常用類比的思維方式把在探究中遇到的新的、未知的物理現(xiàn)象與人們熟悉的物理現(xiàn)象、物理過程進行類比從中受到啟迪，來推測未知物理現(xiàn)象、物理過程的性質(zhì)、提出猜想與假設。例如當我們要比較物體運動快慢時，我們用物體位置改變多少除以位置改變所用的時間（即位移與時間的比值——速度）來表示物體運動快慢再如在初中比較物體做功快慢的時候，我們能否也可以用物體做功的多少除以做這些功所用的時間（即功與時間的比值——功率）表示物體做功快慢呢？。又如如當我們要比較物體運動速度變化快慢時，能否也可以用物體速度改變多少除以速度改變所用的時間（即速度與時間的比值——加速度）表示物體運動速度變化快慢呢？是否今后我們只要比較一個物理量的變化快慢時，都可以用這個物理量的變化量除以產(chǎn)生這種變化所用的時間（變化量與時間的比值——變化率）表示這個物理量的變化快慢呢？把萬有引力定律與庫侖定律進行類比，可以更好的理解庫倫定律。再如把靜電力做功與重力做功類比，由重力勢能引入電勢能等。2逆向推理法這是由熟悉、正確的正向物理過程推測未知的反向物理過程的正誤而提出猜想與假設的一種科學思維方法。例如在進行探究感應電流產(chǎn)生的原因時，就可以通過逆向推理法提出猜想與假設：我們知道通過電流可以獲得磁場，那么反過來我們能否通過磁場來獲得電流呢？3歸納推理法這是由在特殊情況下正確的物理規(guī)律推測在一般情況下是否還正確而提出猜想與假設的一種科學推理方法。例如，前面我們通過功率、速度、加速度概念的比較，今后我們只要比較一個物理量的變化快慢時，是否都可以用這個物理量的變化量除以產(chǎn)生這種變化所用的時間（變化量與時間的比值——變化率）表示這個物理量的變化快慢呢？再如我們已經(jīng)根據(jù)牛頓運動定律證明對于物體受恒力而做勻變速直線運動的過程動能定理是正確的，那么動能定律對物體受變力而做非勻變速直線運動、曲線運動的運動過程是否也是正確的（應用積分學的知識已經(jīng)證明也是正確的）呢？4演繹推理法這是由在一般情況下正確的物理規(guī)律推測在特殊情況下是否還正確而提出猜想與假設的一種科學推理方法。例如，我們已經(jīng)知道能量守恒定律是自然科學中的基本定律之一，那么對在力學、熱學、電學、原子物理學中的能量轉(zhuǎn)化的物理情景過程中能量也是否守恒呢？。也就是機械能守恒定律、熱力學第一定律、閉合電路的歐姆定律、愛因斯坦的光電效應方程是否都應該遵循能量守恒定律，都應該正確呢？5直覺推理法所謂直覺，或者稱為靈感，就是偶爾在頭腦中閃過的對問題的某種特別具有獨創(chuàng)性的設想．它往往是人們對某個問題研究已久，絞盡腦汁，冥思苦想不得其解，就在處于"山重水復疑無路"的困境中時，突然因某種刺激而引起聯(lián)想，得到啟發(fā)，茅塞頓開，發(fā)現(xiàn)端倪或使問題迅速得到解決，文學藝術上常有許多膾炙人口的例子．相傳宋代著名文人秦少游結(jié)婚時，新娘蘇小妹（大文學家蘇東坡之妹）出的上聯(lián)"閉門推出窗前月",時難倒了新郎，在庭院里來回踱步低頭沉思．蘇東坡見狀，從地上拾起一顆小石子丟人庭院里的水池中，秦少游立即受到啟發(fā)，吟出了千古傳誦的絕對："投石沖開水底天"．在物理學上也不乏這種例子．常常被人津津樂道的阿基米德巧稱金王冠就是生動的一例．據(jù)傳說，敘拉古希羅大帝（KingHiero，前269-﹣前216在位）在錫拉丘茲稱王以后，為了標榜自己的功績，決定在一座圣廟內(nèi)安放一頂金王冠．金匠根據(jù)國王的命令，按時做好一頂精美的王冠，但有人告發(fā)，說金匠貪污了部分金子，攙進了等量的白銀或銅．希羅感到自己受了騙，是奇恥大辱，但又苦于沒有辦法查出來，于是就請阿基米德（ArchimedesofSyracuse，約前287﹣前213）想辦法．阿基米德雖然經(jīng)過苦思冥想，也沒有想出一個好辦法來，困難的是難以測出金冠的體積．大，阿基米德去洗澡，由于澡盆的水放得太滿，他一進澡盆水就溢出，他發(fā)現(xiàn)身體浸人水中越多，溢出的水也越多，并且感到水對他身體的托力也越大．他好像發(fā)現(xiàn)什么秘密似的，把身子在澡盆里沉下浮起，浮起沉下，使他頓時領悟到：一個不規(guī)則形狀的物體的體積可用它排開的水的體積來測定．他想到這里，高興地跳了起來，竟然忘記了自己是赤身而沖出浴室，跑上街去．邊跑邊喊："攸勒加！攸勒加！"意思是"我想出來了！我想出來了！"阿基米德用排水法巧妙地測出了金王冠的體積，再根據(jù)它的重量，終于證實了金匠確在王冠中攙入了白銀，并在此基礎上進步實驗研究，發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的浮力定律。第二階段要讓學生明確如何通過科學實驗活動驗證猜想的正誤。下面是通過科學探究實驗活動驗證猜想的探究因果聯(lián)系的常用的方法——探因五法1、求同法求同法（或稱契合法）的內(nèi)容是：在被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場合，其中只有一個情況是共同的，而其他情況則不完全相同，那么這個唯一的共同情況就是被研究現(xiàn)象的原因．求同法的公式．場合先行情況被研究對象ABCQaADERMaAFGLKa………………所以A可能是a的原因例如棉花能保溫，積雪能保溫（保持地表溫度），海綿也能保溫，泡沫塑料還能保溫……．他們有一個共同的情況："疏松多孔、含有空氣"．因此我們得出的結(jié)論："疏松多孔、含有空氣"是"易于保溫"的原因．．求同法的特點是異中求同，在上面例子中就是通過排除不同因素，尋找共同的因素來確定原因的．運用求同法時應注意以下事項：（1）．各場合中除了已知的共同情況外是否還有其他共同情況存在．（2）．進行比較的場合越多，結(jié)論的可靠程度就越高（3）.這種方法只能確定因果之間的定性關系，不能確定因果之間的定量關系，常用在物理概念的形成過程中。2、求異法求異法（或稱差異法）是從兩個的差異中尋求原因的方法．為了應用求異法來找出現(xiàn)象的原因，必須有兩個場合，即所研究的現(xiàn)象出現(xiàn)的正面場合和所研究的現(xiàn)象不出現(xiàn)的反面場合．在這兩個場合中，其他情況都相同，只有一個情況在正面場合中出現(xiàn)，而在反面場合中不出現(xiàn)，那么，這個情況就是被研究現(xiàn)象的原因或部分原因．求異法的公式．場合先行情況被研究對象ABCa—BC—所以A可能是a的原因例如，把電鈴放在玻璃罩內(nèi)，通電使錘敲鈴，則可聽到鈴聲；如果把玻璃罩內(nèi)的空氣抽凈，再通電敲鈴，則聽不到鈴聲．在這兩個場合中，玻璃罩、鈴、通電、錘敲鈴等情況相同，只有一個情況不同即在正面場合有空氣，在反面場合沒有空氣．有空氣就能聽到聲音，沒有空氣就聽不到聲音，于是得出結(jié)論：空氣是傳聲原因上例子是空氣有無的對比實驗是在條件大體相同的情況下找差異，從差異的對比中找原因，即同中求異法．與求同法相比，求異法在探究活動中具有更大的認識作用。第一，求異法主要用于實驗，實驗可使我們用人工方法改變自然條件，因此，它的應用范圍比以觀察為基礎的求同法要廣泛得多．第二，求異法的結(jié)論具有更大的可靠性．當相同情況不止一個時，單用求同法就不行了，如果我們用求異法對正反兩個場合進行正確分析，那么求異法的結(jié)論就更可靠了．因而求異法常用檢驗求同法所得到的結(jié)論．運用求異法時應注意事項：（1）．兩場合中是否還有其他的不同情況．（2）．兩場合中唯一不同情況是被研究現(xiàn)象的整個原因，還是部分原因．3、求同求異并用法求同求異并用法的內(nèi)容是：如果在被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的一組場合（正面場合）中，只有一個共同情況；在被研究現(xiàn)象不出現(xiàn)的一組場合（反面場合）中，都沒有這個情況，那么，這個情況就是被研究現(xiàn)象的原因．其公式表示如下場合先行情況被研究現(xiàn)象ABCa正面場合ADEaAFGaBMN—反面場合DOP—FQR—所以A是a的原因例如：①敲鑼發(fā)聲時，用于手指摸鑼面，會感覺到鑼面在振動．②人說話時，用手去摸咽喉，會感到振動．③人不說話時，再用手摸咽﹣喉，會感到咽喉停止振動．④用琴弓拉琴弦發(fā)聲時，讓紙條與發(fā)聲的弦接觸，紙條能跳動起來．⑤反之，紙條不跳動．這些例子中有六個場合，其中三個正面場合，三個反面場合．三個正面場合中有振動情況，因而出現(xiàn)聲音現(xiàn)象；另三個反面場合無振動情況，因而不出現(xiàn)聲音現(xiàn)象，根據(jù)"求同求異并用法"我們可以得出結(jié)論：振動是產(chǎn)生聲音的原因．在上面的例子中，聲音現(xiàn)象是被研究的現(xiàn)象，振動是正面場合的共同之處，也是兩組場合之間的不同之處，在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．再如高中物理必修三114頁，在“電磁感應現(xiàn)象及應用”一節(jié)課中應用求同求異法探究產(chǎn)生電磁感應的原因高中物理（必修三114頁問題？）中①當導體棒水平向左運動時，右邊靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。②當導體棒水平向右運動時，右邊靈敏電流計指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。③當導體棒傾斜向右運動時，右邊靈敏電流計指針同樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。④當導體棒在豎直平面前后運動時，右邊靈敏電流計指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑤當導體棒在豎直平面內(nèi)上下運動時，右邊靈敏電流計指針也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑥無論導體棒在豎直平面內(nèi)怎樣運動時，右邊靈敏電流計指針都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些例子中有六個場合，其中三個正面場合，三個反面場合．三個正面場合中有導體切割磁感線運動，因而出現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)，閉合回路中產(chǎn)生感應電流；另三個反面場合中沒有導體切割磁感線運動，因而沒有出現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)，閉合回路中沒有產(chǎn)生感應電流；根據(jù)"求同求異并用法"我們可以得出結(jié)論：閉合電路的部分導體做切割磁感線運動是產(chǎn)生感應電流的原因．在上面的例子中，感應電流是被研究的現(xiàn)象，導體做切割磁感線運動（磁場垂直穿過閉合回路的面積S發(fā)生變化）是正面場合的共同之處，也是兩組場合之間的不同之處，在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．又如高中物理（必修三115頁）圖13.3—3中，①當開關閉合的瞬間，右邊靈敏電流計指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。②當開關斷開的瞬間，右邊靈敏電流計指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。③當開關閉合時迅速移動滑動變阻器的滑片瞬間，右邊靈敏電流計指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。④當開關閉合以后，右邊靈敏電流計指針不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑤當開關斷開以后，右邊靈敏電流計指針也不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑥當開關閉合，滑動變阻器的滑片不動時，右邊靈敏電流計指針不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。我們用分析高中物理（必修三114頁問題？）中實驗的科學思維方法去分析（必修三115頁）圖13.3—3中的實驗現(xiàn)象會得出結(jié)論：A線圈的磁場的變化（磁感應強度B的變化）是產(chǎn)生感應電流的原因我們再分析這兩個演示實驗又有什么共同特征呢？第一個實驗說明：閉合回路部分導體做切割磁感線運動（磁場垂直穿過閉合回路的面積S發(fā)生變化）是產(chǎn)生感應電流的原因第二個實驗說明：A線圈的磁場的變化（磁感應強度B的變化）是產(chǎn)生感應電流的原因。我們前面學過這樣一個（既與B有關又與S有關）的物理量——磁通量Φ=B?S 這兩個演示實驗的共同特征：穿過閉合回路的磁通量都發(fā)生變化。綜上所述我們得出的結(jié)論：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時閉合回路中就會產(chǎn)生感應電流在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．第一步，把被研究現(xiàn)象a出現(xiàn)的正面場合加以比較，發(fā)現(xiàn)只有A這一個共同情況，應用求同法得出結(jié)論：A是a的原因第二步，把a不出現(xiàn)的反面場合加以比較，發(fā)現(xiàn)A也不出現(xiàn)，再應用求同法得出結(jié)論：在反面場合中A的不存在是a的不存在的原因．第三步，比較正反兩組場合：有A有a無A無a所以A是a的原因這里應用求異法得到的結(jié)論比每組場合單獨得出的結(jié)論更為可靠．運用求同求異并用法時應注意的事項：1．被考察的正反兩組事例的場合越多，其結(jié)論的可靠程度越高．2．與正事例場合相比較的反事例場合除了有無某個共同情況外，其他情況越是相似，結(jié)論越可靠．四、共變法共變法：如果某一現(xiàn)象發(fā)生一定程度的變化，另一現(xiàn)象也隨之發(fā)生一定程度的變化，那么第一個現(xiàn)象就可能是另一個現(xiàn)象的原因．共變法的公式場合先行情況被研究對象(1)A1BCa1(2)A2BCa2(3)A3BCa3………………所以A是a的原因例如，天氣越熱，溫度計里的水銀柱隨之升得越高，天氣越冷，溫度計里水銀柱隨之降得也越低，因此得知，氣溫變化是溫度計中水銀柱升降的原因．共變法適用于觀察和實驗，主要是實驗的方法，在實驗中比觀察更便于找到現(xiàn)象間的共變關系．共變法的優(yōu)點是：首先，它不但求出原因，而且還找出因果的數(shù)量關系．其次，它比求異法更簡單易行，只要有共變關系，共變法便可據(jù)之得出結(jié)論，不必像求異法那樣必須從有到無、比較有無正反兩方面事例．運用共變法時應注意的事項：應用共變法時，只有一個現(xiàn)象變化而另一個現(xiàn)象隨之變化其他現(xiàn)象保持不變（這也叫單因素分析法）．如果還有多個其他現(xiàn)象在變化，應用共變法時首先要控制只有一個現(xiàn)象變化而另一個現(xiàn)象隨之變化其他現(xiàn)象應保持不變，然后再應用共變法探究其因果聯(lián)系（這就是我們常說的控制變量法）。否則，往往會得出錯誤的結(jié)論．3．各場合中唯一變化的情況與被研究現(xiàn)象之間是一種不可逆的單向作用，還是可逆的相互作用．例如，應用共變法探究單擺周期和擺長的關系時，只讓擺長變化而單擺周期隨之變化其他因素應保持不變．逐漸改變擺長L為L1L2L