物理教學實驗的“原型”及設計原理

母小勇

(蘇州大學教育學院,江蘇蘇州 215123)

教育部制訂的《全日制義務教育物理課程標準》(實驗稿)(以下簡稱《課標》)于 2001年7月正式頒布,對全面推進素質教育、拓寬學生學習的時空領域和個性發展的空間提供了基本保障.《課標》首次闡述了“科學探究”學習方式和“過程與方法”課程目標,認為只有學生經歷了觀察物理現象、發現物理問題、物理科學探究和交流討論的過程,才能夠領悟物理學的探究方法和發展能力,才算真正學習了物理和學會了物理.由于物理學以實驗為基礎、以實驗為內容,所以,物理課程的經驗和探究活動都以物理教學中的實驗活動為基本形式.我們把物理課程中設計的物理實驗稱為“物理教學實驗”,以區別于物理學家曾經做過的物理實驗.按照《課標》的精神和要求,目前已經通過審定并正式出版的六套義務教育初中物理教科書都力圖把以“物理教學實驗”為中心的“科學探究”作為課程的主要內容.因此,物理教師必須清楚教科書中設計的“物理教學實驗”的教育價值,充分挖掘其科學與人文教育價值.每一個中學“物理教學實驗”的內在價值決定于它是根據什么設計的,決定于它是基于什么考慮設計的.中學“物理教學實驗”不是憑空設計的,總有這樣或那樣的“原型”.要最大限度地發揮“物理教學實驗”的功能,物理教師必須知道并理解其“原型”,從“原型”發現并凸顯這些中學“物理教學實驗”所包含的豐富的科學與人文教育價值,以實現《課標》提出課程目標.

1 “物理教學實驗”的“原型”

我們知道,在初中物理課程中,任何物理概念、物理定律和物理原理都直接來源于物理學,都能夠找到物理學家早期關于這些概念、定律和原理的觀點以及他們思考的路徑.也就是說,初中物理課程所設計的概念形成和探究原理的過程都是以物理學發展過程中形成概念和探究原理的軌跡為“原型”.那么,初中物理課程所設計的“物理教學實驗”是否也是物理學家曾經做過的呢?這是一個值得物理教師關注的問題.物理學是以實驗為基礎的,更是以實驗為內容的.只有物理教師知道了教科書設計“物理教學實驗”的依據是什么和是怎樣設計出來的,才能夠最大限度地利用這些實驗去培養和發展學生,進而自己開發和設計新的教學實驗;只有讓學生清楚了物理教學實驗的來龍去脈,才能夠真正理解物理學,才能真正學會進行物理實驗.筆者認為,經典的初中甚至高中“物理教學實驗”都來自3個方面的“原型”.

1.1 物理學家發現物理規律時設計并完成的經典實驗

跟中學物理概念、原理一樣,絕大多數經典的初中甚至高中“物理教學實驗”都能夠找到對應的物理學家曾經做過的“原型”實驗.依據這些“原型”實驗,后繼的物理學家一般則按照其思路進行進一步的探索.這些“原型”實驗就逐步被改造成為中學、大學的“物理教學實驗”.例如,中學“探究歐姆定律”實驗就是完全按照歐姆(Georg Simon Ohm)發現歐姆定律過程中所做的實驗設計的,中學“探究光的折射規律”實驗也是完全按照托勒玫(Claudius Ptolemaeus)光的折射實驗設計的.一些新課程初中物理教科書采用冰來進行“探究熔化和凝固的特點”實驗,這恰巧符合布萊克(Joseph Black)等人最初用冰探究熔化和凝固的特點所做的實驗.中學“水的低壓沸騰”實驗與格里克(Otto von Guericke)用黃銅泵抽取裝水的密閉木桶聽到沸騰噪聲的實驗也有直接的關聯,中學“水和酒精混合”實驗則是對攝爾修斯(Anders Celsius)曾經將水和硫酸混合后發現混合物體積減少了的實驗的改造.可見,這些“物理教學實驗”與“原型”實驗幾乎如出一轍.

以中學物理“水的低壓沸騰”實驗為例,可以清楚地體驗到“物理教學實驗”與“原型”實驗之間的內在邏輯關系.

1660年玻意耳(Robert Boyle)出版的《關于空氣的彈性及其物理力學的新實驗》一書論證了壓強對水的沸點的影響,指出當使周圍的空氣稀薄時熱水就能沸騰起來.即當熱水上方的氣壓降低時,水的沸點會降低.這就是所謂水的低壓沸騰.德國實驗物理學家格里克(Otto von Guericke)曾經在1684年用黃銅泵抽取裝滿水的密閉的木桶,希望形成真空.在抽水的過程中,格里克聽到一些噪聲,他認為桶內剩余的水似乎在沸騰.實際就是因為水上方的氣壓降低后水的沸點降低了,產生了水的低壓沸騰現象.隨著抽水的繼續進行,由于木桶開始漏氣,空氣進入木桶,格里克發現噪聲沒有了.即進入木桶內的空氣使水上方的氣壓增加,水的沸點又升高到平常狀態,水的沸騰就停止.

我國在 1978、1986和1990年頒布的教學大綱中,開始要求用演示實驗研究“沸點跟壓強有關系”.雖然《課標》對水的低壓沸騰實驗沒有明確要求,只是作為大氣壓強在日常生活中的應用的內容要求學生了解.但是,水的低壓沸騰實驗的確具有重要的教育價值,因此,有些版本的教科書仍然安排了水的低壓沸騰這一演示實驗.上海科技出版社、廣東教育出版社出版的8年級下冊新課程教科書中就設計了用燒瓶做水的低壓沸騰實驗.[1]這本教科書幾乎完全按照格里克的探究過程設計了兩個小實驗:(1)增大液體上方的氣壓,使原來沸騰的水不沸騰;(2)減小液體上方的氣壓,使原來不沸騰的水沸騰.江蘇科技出版社出版的8年級下冊新課程教科書中也安排這一實驗.[2]采用了澆冷水的方法使倒置燒瓶水面上方氣壓減小,讓學生觀察水重新沸騰的現象.

1.2 生產生活中的物理現象或產生認知沖突的事實

物理學就在我們身邊,生產生活中大量存在與物理有關的現象和事實.為了讓學生形成物理概念、掌握物理規律,物理課程往往將一些學生容易產生認知沖突的現象或事實設計成“物理教學實驗”.例如,皮亞杰(Jean Piaget)在研究兒童守恒概念形成的實驗中,利用兒童容易產生認知錯誤的守恒概念,設計了與現在中學物理課程中“質量是物體的屬性”實驗類似的心理學實驗.中學“探究平面鏡成像特點”實驗的設計則完全依據了兒童可能產生的認知沖突:兒童希望在鏡子后面找到另一個自己形象,結果根本找不到.因此,這一中學“物理教學實驗”被設計成用兩支同樣的蠟燭和一塊透明玻璃板進行實驗,以比較物體和它的虛像,并同時可以看到物體和它的虛像.類似的中學“物理教學實驗”還很多.又例如,中學“觀察光的折射現象”實驗與生活中筷子在碗中水里看上去被“折彎”的現象和硬幣在杯子注滿水后“消失”的現象,中學“用牙齒聽聲音”實驗與貝多芬(Ludwig van Beethoven)作曲過程中的“聽”聲音的事實,中學“保險絲的作用模擬”實驗與現實生活中的短路現象等.

以中學物理“用牙齒聽聲音”實驗為例,可以知道生活中學生產生認知沖突的現象或事實往往可以作為設計“物理教學實驗”的“原型”.

德國音樂家貝多芬很早就顯露了音樂上的才能,8歲開始登臺演出.1792年他到維也納深造之后,藝術就突飛猛進.但是,他26歲時不幸患了中耳炎,1820年兩耳完全失聰,這對音樂家來說無疑是致命的.貝多芬并沒有屈服.他說:“我要扼住命運的咽喉,它決不能使我完全屈服.”貝多芬1824年創作了《第九交響曲》,這是他最杰出的作品.他用牙齒咬住一根小木棒的一端,將另一端插進鋼琴內,借著鋼琴弦的振動來獲得聽覺,就這樣憑著他堅強的意志,用了6年時間完成了這一偉大創作.這個特別的“聽音器”至今還保存在波恩貝多芬博物院里.貝多芬實際上是利用了聲音通過“骨傳導”方式傳播“聽”到自己的華美樂章的.

我國建國后的歷次教學大綱均沒有提出“用牙齒聽聲音”實驗要求,只用文字和圖示介紹人類聽到聲音的過程和骨傳導的原理.人民教育出版社出版的8年級上冊新課程教科書就設計了“用牙齒聽聲音”這一學生“邊學邊實驗”.[3]該教科書首先讓學生通過實驗知道用手堵住耳朵,切斷了聲音通過空氣傳播,不能夠聽見聲音.接著,讓學生模仿貝多芬“用牙齒聽聲音”,體會失去聽覺的人怎樣利用骨傳導來“聽”聲音.

1.3 科學技術應用活動中的物理現象或產生認知沖突的事實

科學技術的發展,往往也會帶來物理教學方法和媒體的變革.為了讓學生理解物理原理,物理課程經常利用科技手段,采用更加形象、生動的方式幫助學生理解抽象的物理規律.這類“物理教學實驗”的突出特點是,既引起學生的認知沖突,也為學生揭示物理規律.例如,聲波看不見摸不著,為了讓學生直觀地認識聲波,中學教科書設計了用示波器“觀察聲波的波形”的實驗,這里顯然利用了示波器音頻信號顯示技術或“原型”.利用光纖的原理,設計了中學“光沿水流傳播”實驗,幫助學生理解全發射現象,生動地展現了光纖通信的過程.

以中學物理“觀察聲波的波形”實驗為例,可以發現科學技術“原型”對設計“物理教學實驗”的重要性.

現在示波器廣泛應用于工業、科研、教學、醫療和生活等領域,是人們分析、研究裸眼不可見信號及變化的不可或缺的工具.其特點是既能觀察、研究各種電信號及變化,更能將各種非電子信號及變化轉化為電信號及變化,以便人們分析、探究.在醫院,醫生通過示波器將患者心臟的微弱電磁波或腦部微弱的電磁波及其變化,“直觀”地在顯示屏上呈現出來,這就是心電圖、腦電圖.雷達的核心裝置就是一個靈敏的示波器.借助示波器等機電設備,可準確地獲得目標物的距離、方位、高度與速度以及是什么物體等有用的信息.這就是“用示波器顯示聲波”實驗的技術“原型”.

我國建國后的歷次教學大綱均沒有提出“用示波器顯示聲波”的實驗要求.雖然示波器是一種學生以前沒有接觸過的圖形顯示設備,但是,現代生活里示波器聲音波形信號的應用并不少見:很多家用音響、錄音機、計算機上都有音樂波形的直觀顯示(包括聲音信號的波形、振幅、周期、頻率、音色的變化圖線),這是我們身邊的示波器應用現象.現在,幾乎所有新課程初中物理教科書都設計了用話筒將聲音信號轉換成電信號,再由示波器顯示出描繪電信號的波形曲線,從而“觀察聲波的波形”.當學生在活動中看到自己發出的聲音可以變成示波器顯示的波形,將大大激發他們的興趣.

2 凸顯物理教學實驗“原型”的價值

《課標》在突出物理課程的科學價值的基礎上,也重視物理課程的人文價值,倡導以“公開的科學”與“個人的科學”的整合為依據設計物理課程內容(特別是物理科學探究活動).所謂“公開的科學”,是以科學專著、刊物、教科書等媒介公開出版的科學文本和人們能夠直接感受到的以實物成果形式呈現的科學產品,但是這些科學文本和產品很少揭示科學的來源(科學研究者也包括科學學習者早期非常規的思考、探索的艱辛和激動人心的高峰體驗等);“個人的科學”則是科學研究者也包括科學學習者個人層面的、常規的和非常規的思考、判斷和體驗,雖然不一定非常成體系,但是它可以揭示科學的來源.學生要學習真實的科學,就要從“公開”和“非公開”的科學現象的整體中把握“公開的科學”,體驗科學研究者“個人的科學”并形成學生“個人的科學”.義務教育階段,物理課程當然要強調“雙基”的學習和訓練,但更要注重科學過程和科學方法的學習.要實現學生從“學會物理”到“會學物理”的轉變,其核心是把“公開的物理學”和人類先驅的“個人的物理學”結合開展物理教學活動,最終把它們轉化為學生“個人的”思考、判斷和體驗——學生“個人的物理學”.

《課標》認為,科學探究對學生來講不僅僅是學習的方法,更是學習的內容;科學探究對教師來講不僅僅是教學的一種模式或策略,更是教學的內容.學生科學探究的本質是,不僅僅要讓學生歷經類似于人類先驅們探究物理世界的科學活動,體驗他們“個人的物理學”,還要讓學生從歷經、體驗轉化為自己的經驗和自己的“個人的物理學”,在經驗的基礎上加深對物理科學的熱愛.這些觀念的轉變也是基于對“科學”的新的理解:“科學”首先是一種“產品”,是一個具有嚴密結構的知識體系;其次,“科學”是一個過程,它是一系列的科學探究活動、環節組成的流程和歷史,它包括提出問題、猜想與假設、制定計劃與設計實驗、進行實驗與收集證據、分析與討論、評估、交流與合作等基本環節;最后“科學”是一種人類活動,是人與自然的對話.將科學探究作為課程的內容,旨在使學生成為學習的主人,引導學生經歷與科學工作者進行科學探究時的相似過程、體驗科學探究的樂趣、學習科學探究的方法與基本程序和領悟科學的思想和精神.

絕大多數“物理教學實驗”的“原型”都是第1類“原型”——物理學家發現物理規律時設計并完成的經典實驗.這些“原型”包含著物理學家“個人的物理學”.因此,這些“原型”充滿了巧奪天工的智慧、堅韌不拔的執著、審美的情懷和浪漫的色彩.如果能夠在進行“物理教學實驗”的過程中讓學生了解這些“原型”的內容與過程,無疑會產生意想不到的教育效果.所以,凸顯“物理教學實驗”的“原型”既是實現物理課程科學與人文教育價值的重要途徑之一,也是實現“公開的物理學”與“個人的物理學”整合極好的結合點.

凸顯“物理教學實驗”的“原型”,就是讓學生了解“原型”實驗的內容與過程,就是讓學生知道“原型”實驗的目的與思路,從而清楚物理實驗的方法、過程和設計思想,進而理解物理實驗在物理學發展中的地位和作用、物理學在人類社會發展中的功能.通過凸顯“物理教學實驗”的“原型”,可以讓學生了解物理學、物理實驗、物理現象就在他們身邊,他們日常的生活中就包含大量的物理現象、過程和原理;通過凸顯物理教學實驗的“原型”,讓學生知道他們學習的物理課程具有廣泛的科學技術應用前景.而最重要的是.通過凸顯“物理教學實驗”的“原型”,可以讓學生了解物理學家當時是怎樣思考的和怎樣設計探究實驗的,讓學生體會物理學家當時設計探究實驗時的繼承、創新、艱辛、快樂、靈感,使學生獲得觀點、方法的啟發.

以中學物理“探究電流的磁效應”實驗為例,可以清楚地看到這個“物理教學實驗”的“原型”是怎樣充分展示奧斯特(Hans Christian Oersted)“個人的物理學”.

電流的磁效應是電流的基本效應之一.丹麥物理學家奧斯特于1820年通過實驗首先發現電流的磁效應.一開始,奧斯特采用類比推理的方法進行電流效應的分析:電流通過直徑較小的導線時會發熱,這是已經發現的電流的熱效應;如果繼續減小導線的直徑,或增加伽伐尼(Luigi Galvani)電池的金屬板的對數,通電導線還會發光;假設導線的直徑再減小,或再增加伽伐尼電池的金屬板的對數,通電導線就還會產生磁.由于電流通過導線時產生的熱和光是向四周發射的,奧斯特也猜想,在電流的橫向可能產生磁效應.為了驗證這一假設,他設計了一個實驗:在桌面放置一個用玻璃罩蓋著的磁針,將一根細鉑金絲放在磁針上面,此鉑金絲與伽伐尼電池相連,然后觀察通電后磁針有沒有運動.由于偶然的原因,他一直沒有試做這個實驗.后來在一次演講中,奧斯特按照電流的橫向可能產生磁效應的設想,先使磁針跟導線垂直(即東西方向放置導線),結果當電流通過導線時磁針卻一動不動,實驗未能得到預期的結果.在演講快結束時,奧斯特靈機一動進行了另一種嘗試:讓我把導線跟磁針平行放置(即南北方向放置導線)來試試看!當電流通過導線時,導線下面與導線平行放置的小磁針真的發生了擺動.由于小磁針擺動得非常微弱,聽講者沒有太大的印象.演講結束后,奧斯特十分喜悅.他連續工作了近3個月,試驗在各種情況下電流對小磁針的作用.他先后在通電導線與小磁針之間放置玻璃、金屬、木頭、水、陶瓷、樹脂等介質,都發現電流對小磁針發生了作用.1820年7月21日,他把研究成果寫成一篇題為“作用在磁針上的電流碰撞的實驗”的論文.這個實驗后來一直被各類物理教學所“復制”.

3 “物理教學實驗”的設計思路

從前面的分析可以看出,“物理教學實驗”不完全是“復制”物理學家曾經做過的“原型”實驗,也不是直接把生產生活場景搬到課堂,更不是用越高科技的精密儀器進行教學實驗越好.“物理教學實驗”總是要利用現代教育理念、心理學原理和現代媒體技術對“原型”進行加工和改造:或進行“復制”、或進行“模擬”、或進行“修正”、或進行“簡化”.總之,“物理教學實驗”遵從簡約性、工具性、可操作性、可理解性和趣味性.例如,中學“探究磁場對電流的作用”實驗就是對安培(André-Marie Ampère)實驗“原型”的改造:利用學生已經有磁場的概念,將直導線的磁場改為蹄形磁鐵提供近似的勻強磁場,避免討論電流之間的相互作用,突出了磁場對電流的作用.為了保證“物理教學實驗”在課堂中成功,教師往往要從物理學的角度研究成功的條件.例如,根據克拉珀龍(Benoit Pierre Emile Clapeyron)方程,可以對中學“低壓沸騰實驗”進行控制,找到實驗成功的條件,保證實驗成功.因此,教師進行的演示實驗、學生進行的“邊學邊實驗”和實驗探究活動,都必須為學生提供清晰的物理現象和科學的實驗結果.“物理教學實驗”在“復制”、“模擬”、“修正”或“簡化”“原型”物理實驗的過程中,必須考慮能不能引起學生興趣,必須考慮是不是有助于培養學生的觀察和實驗能力,必須考慮怎樣培養他們實事求是的科學態度.例如,中學“覆杯實驗”主要幫助學生理解“大氣壓強”概念;中學“測算小燈泡的電功率實驗”主要讓學生掌握物理操作、測量和處理數據的技能;中學“探究凸透鏡成像規律實驗”主要讓學生經歷探究過程;中學“探究歐姆定律實驗”可以讓學生學習物理學控制變量的研究方法.

以中學物理“探究保險絲的作用”實驗為例,可以清楚地看到“物理教學實驗”的設計思路.

中學物理“探究保險絲的作用”實驗的“原型”是愛迪生(Thomas Alva Edison)的實驗和現代社會中常用的電路保護裝置.中學物理仍然用保險絲(熔絲)進行實驗.保險絲最早的發明者是愛迪生.[4]他在研究白熾燈的過程中發現鉑和類似鉑的金屬具有電阻高、散熱慢的特性,于是選用鉑絲作為燈絲的材料.為了保護燈絲,愛迪生將兩根鉑絲繞成雙螺旋形,中間插入一支金屬棒,鉑絲通過電流時,金屬棒可以作為調節器:當鉑絲的溫度接近其熔點時,金屬棒由于受熱膨脹,造成電路短路,燈泡熄滅;燈泡的溫度降低過程,鉑絲隨之冷卻,金屬棒也隨之收縮,于是燈泡又亮了,這是熔絲的“原型”,起到保護白熾燈的作用.后來愛迪生用可伸縮的膜來替代金屬棒調控電路通斷、調節鉑絲溫度.在日常生活中,有時家里的用電器全部啟用或某一用電器啟用時可能出現斷電的現象,究其原因是電路中的熔絲起到關鍵性作用.在現代家庭、工農業生產和科學技術活動中,我們早已不用傳統的方式進行電路保護了,而采用學生不容易觀察到內部結構的一體化裝置.同時,出于安全和直觀的考慮,“物理教學實驗”不用220V的市電讓學生進行實驗,也不用一體化電路保護裝置讓學生探究.

我國從1956年起,歷次教學大綱均要求用實驗演示研究保險絲的作用.《課標》對保險絲作用的實驗并沒有明確的要求,而是要求學生了解家庭電路和安全用電知識,有安全用電的意識.新課程初中物理的“探究保險絲的作用”實驗仍然按照愛迪生的發明思路設計,利用低壓電源,采用保險絲(熔絲)熔斷來“模擬”實驗.一般要求學生了解生活中熔絲熔斷的兩種可能性:短路熔斷和過載熔斷,也可以讓學生了解為什么不能用銅絲替代保險絲,還可以讓學生體會到短路的危害.現在,幾乎所有新課程初中物理教科書都設計了“探究保險絲的作用”實驗.

當“物理教學實驗”凸顯了“原型”的思想、方法和過程,就使得它具有了豐富的人文教育價值,就可以利用它來培養學生的人文素養.例如,中學“用牙齒聽聲音實驗”、“雞蛋浮沉實驗”、“小孔成像實驗”、“模擬閃電實驗”、“長短蠟燭實驗”[5]就包含許多人文教育價值,中學“探究擺的奧秘實驗”、“探究裝滿水的杯子里還能放多少回形針實驗”、“探究電磁感應現象實驗”和“探究導體電阻跟哪些因素有關實驗”就包含許多培養科學探究精神和方法的教育價值.當“物理教學實驗”凸顯了“原型”的思想、方法和過程,就有利于培養學生樹立尊重科學、尊重實驗事實的科學求實態度,形成理論來源于實踐而又指導實踐的辯證唯物主義觀點;就有利于培養學生認真、細心、有條理、有層次的實驗心理素質,養成良好的勤于動手、仔細觀察(觀察現象和讀數等)、嚴格操作的習慣.總之,充分利用“物理教學實驗”的“原型”,可以全方位提高學生人文素養.

1 華東地區初中物理教材編寫組.義務教育課程標準教科書 物理(8年級下冊).上海:上海科技出版社,廣州:廣東教育出版社,2003.

2 義務教育課程標準教科書 物理(8年級下冊).南京:江蘇科技出版社,2007.

3 課程教材研究所,物理課程教材開發中心.義務教育課程標準教科書 物理(8年級上冊).北京:人民教育出版社,2006.

4 王忠良.愛迪生傳:光明天使發明奇才.沈陽:沈陽出版社,1997.