讓學生在“試錯—排錯”中逼近學習目標——“回旋加速器”教學例談

肖建華

(江蘇省太倉高級中學,江蘇太倉 215400)

現代著名科學家、哲學家波普爾在探索性演繹法基礎上提出了“試錯法”,揭示了科學的發展是通過不斷“試錯”、“排錯”的過程,即通過不斷為解決遭遇的問題而提出各種大膽的嘗試性猜想、再不斷地消除猜想中的錯誤而實現的.他提出了科學知識增長的四段論圖式:問題—試探性的解決辦法—排除錯誤—新問題.“試錯法”體現了科學是通過“從錯誤中學習”而不斷進步的價值觀.

“回旋加速器”的教學如果沿用傳統的“講解原理,介紹結構”的教法,很可能造成教師呆板地講、學生被動地聽的局面.學生所獲得的也只是些靜態的知識(現成結論),而那些蘊含于研究過程中的動態知識(科學方法等),卻得不到應有的開發.本文以這節課的教學為例,談談如何以學生為主體,引導學生在“試錯、排錯”中不斷逼近學習目標.

1 從“猜想”到“毛坯”——在問題情境中激發探究欲望

讓學生在問題情境中根據已有的背景知識提出可能解決問題的嘗試性設想,從中選擇一個或幾個“毛坯”——既含有一定的合理成分,也包含某些錯誤和待完善的設想,加以評價.

我們就從江蘇籍院士唐孝威的科普論文《開拓未來,有賴利器》談起.撞擊,對粒子來說,是一場毀滅性的災難;撞擊,對高能物理學家來說,是發現新知識的時機.為了研究物質的微觀結構,科學家往往利用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”去轟擊各種原子核,那么怎樣才能獲得高能粒子呢?

組織學生小組討論,要求他們根據已有的知識背景提出可能解決問題的嘗試性設想,每個小組基本上都能設計出“毛坯”方案——利用電場加速的直線加速器,如圖1所示.

圖1

圖2

2 從“毛坯”到“半成品”——在評價過程中改進方案

針對“毛坯”方案,引導學生加以評價,找出并排除錯誤,得到一個較為合理的解決問題的設想 ——“半成品”.

自我質疑:要獲得高能粒子,就必須盡量提高加速電壓,但實際能達到的電壓值總是有限的,用單級電場加速粒子,獲得的能量不夠大,只能達到幾十萬至幾兆 eV.如何突破電壓方面的限制,使帶電粒子獲得更大的能量呢?

試探性解決方案:用多級電場加速,如圖2所示.這樣每個電場極板間的電壓不必很高,就可使粒子逐步獲得足夠大的能量.

疑問是思維的源頭,問題是探究的中心.針對圖2的方案進行自我質疑:按圖2所示的方案,真能實現多級加速嗎?

發現新問題:這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子!從圖2可以看出,在相鄰兩級加速電場的中間,還夾著一個反向電場,當帶電粒子通過它們時,將會受到阻礙作用.那么,如何消除這種減速電場的影響呢?

3 從“半成品”到“成品”——在“試錯-排錯”中逼近學習目標

能否尋找一種既可使帶電粒子實現多級加速,又不必增加設備長度的方法呢?

學生們豁然開朗:外加磁場!利用帶電粒子在勻強磁場中做圓周運動的特點,可使它重返電場,再次得到加速.

圖3

圖4

解決方案:如圖 3、圖 4所示,設位于加速電場中心的粒子源發出一帶正電的粒子,以速率v0垂直進入勻強磁場中,當它在磁場中運動半周后到達 A處時,電源的極性應是“A處正A′處負”,粒子被電場加速,速率從 v0增加到v1,在磁場中運動半周到 A′處,此時應為“A處負A′處正”,使粒子再次加速,速率從 v1增加到 v2……以后的情形就以此類推了.因此,電場的作用是使粒子加速,磁場的作用則使粒子回旋,兩者的分工非常明確,同時它們又配合得十分默契,電源交替變化1周,粒子被加速2次,并恰好回旋1周,這正是確保加速器正常運行的同步條件.

需要解決的新問題:假如要設計一臺能使帶電粒子獲得更高能量的回旋加速器,還需要采用哪些措施呢?學生們有如下一些解決方案.

甲生:可以提高電源的電壓.由公式Ek=qU可知,電壓值大了,粒子獲得能量也就大了.

乙生:還可以加大D形盒的半徑.使帶電粒子有更大的回旋余地,隨著加速次數的增多,粒子具有的能量也就大了.

丁生:認為甲生的說法不對.因為提高了電源的電壓后,盡管可以使粒子每次加速獲得的能量增大,但相應的回旋半徑也要增大,這又會使得加速次數減少,最后粒子的總能量不見得就大.

針對學生以上提出的幾個試探性解決方案,教師及時引導學生自我評價、自我修正,促使他們在不斷的“試錯-排錯”中逼近學習目標.

讓學生在不斷的“試錯-排錯”中逐步逼近學習目標,體現了“教師為引導,學生為主體,過程為主線”的教學理念,把教材內容有機地劃分成若干個探究階段,引導學生自我發現問題、嘗試性地提出解決問題的方案,并進行自我評價、自我改進.在教學過程中,解決問題的思路由學生講,優劣由學生辨,解決問題的方案由學生提,既有學生的積極參與、拾級攀登,又有教師的點撥引導、及時調控.通過師生雙邊的信息交流,不斷地將教學活動引向深入,使學生在獲取新知的同時,還親身體驗科學研究的思想方法,從而進一步培養他們的科學素養.

1 王琴.淺析卡爾?波普爾的證偽主義原則.當代學術論壇,2009(4).

2 謝振華.波普爾.“四段論的試錯法”的價值.北京教育(高教版),2005(10).

3 吳曉江.創新價值觀是創新文化的核心要素.文匯報,2009-08-03.