拓寬實驗教學內涵 提升學生創新能力＊

錢永昌

（廈門外國語學校，福建 廈門 361012）

要培養學生的創新能力，物理實驗無疑是一個非常重要的著力點.本文結合中學物理實驗教學的實踐，挖掘物理實驗教學的內涵，讓學生通過積極探索、自主發現、主動反思等方式提升學生的創新能力.

1 呈現實驗儀器的發明歷程，在領悟與改進中滲透創新能力的培養

物理實驗儀器的發明與改進的過程經歷了技術創新的歷程.教師在進行實驗儀器教學中一定要善于利用與挖掘其中蘊含的創新教育資源.這里先以長度的直接測量為例談談如何在實驗儀器教學中滲透創新能力培養.

長度測量工具是指將被測長度與已知長度比較，從而得出測量結果的工具.提到長度測量的工具，人們立刻聯想到毫米刻度尺、游標卡尺、千分尺等.普通刻度尺的精確度由最近兩個均勻的刻線間距決定.要提高普通刻度尺的精確程度一般必須使相鄰刻線加密.然而由于空間所限，一般刻度尺的相鄰刻線最多只能加至mm.而游標卡尺，僅僅在卡尺上方加一個游標就可以將精確度提高到數10倍.其中蘊含的創新思想是轉換法，即將不可測量的微小長度與游標尺一定長度組合成較大的整數刻度進行讀數，然后將其中補足的那部分已知刻度扣除即可.能夠較大地提高精確度的另外一種長度直接測量工具是螺旋測微器，它也可以輕而易舉地將分度值大大提高（其原理這里不再贅述）.

那么，長度的直接測量工具是不是就已經沒有改進與創新的空間了呢？其實只要認真分析其中每一種測量工具的局限性，就可以找到發明點.例如我們可以將游標卡尺與普通卷尺組合發明一種精確度較高且量程更大的測量工具.我們還可以將游標卡尺上的外量爪、測深桿等與螺旋測微器組合從而擴充螺旋測微器的功能等.此外許多長度測量的間接測量方法也蘊含了創新教育的資源.如微小等量疊加、化曲為直法等.

不僅長度的測量工具，其他許許多多物理儀器也蘊含著大量創新教育素材.如由普通實驗用溫度計改進而來的體溫計、最高溫度計（原理與體溫計類似）、最低溫度計等.

總之，對于物理儀器的教學，教師不要僅僅局限在實驗原理、使用規范、讀數等基本要求的介紹，而應進行適當拓展，讓學生充分了解其中蘊涵的創新思想.這樣不僅能加深學生對儀器使用原理的理解，而且能促進學生創新能力的提升.

2 展示開放性的實驗設計活動，在體驗與探索中滲透創新能力的培養

開放性的實驗設計可以是規定主題讓學生從不同角度思考并進行不同方案的設計，并通過實踐檢驗各自設計的合理性.也可以是讓學生從各自的經驗出發，自主選題，自行設計.由于主題或方案的開放性能有效激發學生的自主性，他們可以提出自己想探究的問題，或提出自己的研究設想然后通過實驗來檢驗.

在開放性實驗設計活動中，學生已經不是知識被動的接受者，而是知識的探索者.這種開放性實驗活動對教師和學生都是一種激動人心的挑戰.在實際教學中，開放性實驗設計可以是一種現象體驗式活動，也可以是一種過程參與式活動，還可以是一種任務驅動式活動.

2.1 開展現象體驗式設計活動，要求器材簡單、操作方便、現象新異

這種實驗設計活動，其教學目標主要指向新奇物理現象的原理分析.實驗的難度要求不高，適合人人參與，有利于學習動機的激發以及培養對物理學習的親近感.例如利用流體壓強與流速的關系設計一個小實驗.學生可以充分利用生活用品（紙張、乒乓球、泡沫塑料、針筒、硬幣等等）來完成形式多樣、現象各異的實驗活動，達到應用知識、體驗規律的作用.

對于現象體驗式設計活動的實施，關鍵在于培養學生獨特的觀察視角和對細微實驗現象的敏感程度，培養學生提出問題與遷移應用物理規律的能力.讓學生反復在“看到什么，又想到什么？”的反復思考中，使思維能力得到有效地鍛煉.

2.2 開展過程參與式的設計活動，要求教師適度放手，讓學生通過獨立思考和小組討論解決實驗操作過程中遇到的問題

這類活動，即使實驗設計原理較為清晰，也還會存在實驗器材的準備與實驗操作的要領等需要進一步解決的問題.這時教師如果能放手讓學生通過自主探索解決這些問題，就會對學生創新精神和實踐能力的提升起到促進的作用.例如設計一個利用水柱測定大氣壓的實驗，學生首先要選擇粗細和硬度合適的水管，并粗略估算出水管的長度至少應是多大.然后還要解決用何種方法將水管上方的空氣排空，怎樣測量使內外液面的高度差更準確等等.這個實驗的最大亮點，在于有利于學生合作和團隊精神的培養.實驗時至少需要5、6位學生分布在不同的樓層，完成不同的任務.究竟小組成員之間如何分工，誰擔任艱巨的任務、誰負責小組成員間的溝通與協調，以及采用何種方式協調等都會對實驗成敗產生重要的影響.在實驗活動中我們發現，有的小組采用大聲喊的方法來溝通，結果互相干擾致使多次實驗失敗，而有的小組則僅僅用簡單的手勢就解決了問題.

2.3 開展任務驅動式的設計活動時，教師只須提供器材和設定完成的任務，大膽放手，培養學生自主學習和合作學習能力

對于實驗的原理分析、設計方案、測量步驟、注意事項、操作要領等均可引導學生進行小組討論，并由教師認可后再由小組內學生分工進行.任務驅動式實驗活動對創新能力要求較高，學生們要綜合應用所學知識和現有資源，達成規定的任務.而解決問題的途徑往往不止一種，他們要經過對比、分析、嘗試才有可能成功.這樣對學生們非智力因素的培養也有促進意義.例如利用米卷尺和直桿測定旗桿的高度，就要求學生充分綜合運用物理知識與數學知識來解決這個實際問題.遇到困難時要善于變通解決，巧妙地進行轉化使困難逐個迎刃而解.這種任務驅動式實驗活動跟成人的創造發明活動非常類似，有助于學生創造能力的進一步提升.

3 落實實驗制作環節，突出“做中學”，在操作與比較分析中滲透創新能力的培養

物理實驗制作是一項從模仿到創新、手腦并用的過程.物理教師不要輕視學生的模仿與制作活動，其實這種活動正是創新發明的土壤.哪怕是由一個紙筒做的小孔成像儀，學生經過親自動手制作與改進，他們從經歷失敗到成功的過程不僅能領悟到其中的物理原理、制作技巧、感受到探索物理問題的樂趣，同時在制作過程也會產生一系列新的值得探索的問題.例如選用什么材料才能使成像效果更好，小孔多大才最合適等等.

下面結合簡易電動機模型的制作案例，來談談如何在實驗制作活動中滲透對學生創新能力的培養.

圖1

案例1.圖1所示的是根據普通電動機原理制作出的電動機模型.它的特點在于省略換向器.通過部分刮漆的方法只讓線圈在半圈內通電轉動，其余半圈不受反向的力，只依慣性轉動.學生在制作的過程中會思索許多有價值的問題.例如：它是如何實現持續轉動的？它轉動的方向由什么因素控制？轉速的大小如何調節？隨著這些問題的探索，學生的創新思維也得到了鍛煉.

圖2

案例2.將螺絲釘較大的一頭吸附在兩個小磁鐵上，尖的一頭吸在電池上，將銅導線一端用手壓在電池的另一端，銅導線另一端接觸小磁鐵，使其自轉，如圖2所示.這個小小電動機雖然簡單，但其構思卻是相當巧妙的.它既省略了線圈，又省略了轉動支架.螺絲釘的尖端通過磁力吸在電池上，利用磁懸浮減小轉動阻力.這是一個相對簡單的制作，但是實際制作過程中也會遇到許多實際問題：如螺絲的長短、導線與磁鐵接觸的阻力、磁鐵周邊是否生銹等都會影響實際的轉動情況.學生在制作與改進中也會感悟其中的奧秘.

圖3

案例3.將小磁鐵吸附在電池兩端，在磁鐵上勾上銅導線，則使電池自己滾動，如圖3所示.

這個制作粗看十分簡單，但是要使實驗成功，首先導線與磁鐵的阻力要盡量小，而且要接觸良好.其次桌面要盡量保持水平和光滑.所以這個制作對學生的動手能力、意志力和精益求精的精神都是一個考驗.案例4.將小磁鐵吸附在電池一端，將銅導線做成心形、螺旋形或各類形狀，使其可立足在電池的另一端，并且連接電池上下兩端，做成一個模擬電動機，觀察導線能否圍繞電池自轉，如圖4所示.

圖4

學生在制作模仿過程中遇到最大的難題是線圈頂在電池正極較易滑落，轉子很不穩定.另外就是線圈下端與磁鐵接觸部位阻力很大.為了克服以上問題，學生在不斷探究與試誤中進行創新.他們將電池正負極對調，讓電池負極平整部分與線圈頂端接觸，并改變線圈底部與磁鐵接觸方式.這樣，使轉動效果大為改善.

同樣一個目的，實現的方法如此多樣.學生在一個比一個簡單、有效的制作中感受物理科學帶來的驚奇與樂趣.

4 倡導實驗反思，突出交流評估，在思維碰撞和激蕩中滲透創新能力的培養

實驗反思就指學生自覺地把自己或他人的實驗設計、操作分析等過程，作為認識對象而進行全面而深入的思考和總結，從而進入更優化的實驗狀態，使自己實踐和創新的能力得到更充分的發展.實驗反思是一種有益的思維活動和再學習的過程.實驗反思可以提高學生科學探索的自主性和積極性.實驗反思的目的是促進實驗的改進.經常性的實驗反思可使學生的研究能力、創新能力得到提高.教學中教師要提供時間與平臺讓學生交流感受并對實驗的得失進行較為的深入思考與總結.

實驗反思有利于及時發現問題并有效解決問題，從而能夠高質量地完成探索課題.有利于促進實驗小組乃至全班同學之間積極互動，并形成知識資源的合理分配與利用，從而使小組成員密切配合、高效率地完成實驗.實驗反思對創新具有直接的促進作用.通過鼓勵對原定目標和設想的質疑，反思可以激發小組成員擺脫舊思維的約束，為新創意的產生創造條件.此外，鼓勵公開地表達不同意見，可以產生一種“腦力激蕩”的效果，善于進行反思的小組成員能夠認真思考和理解對立意見，從中吸取合理成分來補充完善自己的方案.

下面例舉學生對電動機制作實驗的一些典型反思.

（1）圖2的實驗我們做成功了，主要因為導線接觸良好外，電池電量相對充足，足以使螺絲釘轉動起來.但一開始，螺絲釘轉得很慢并且容易停下，可能是小磁鐵磁性不夠，螺絲釘受到的動力不夠，因此我們小組在螺絲釘下端加上兩塊小磁鐵，果然效果比之前要好.但是實驗中我們還是有尚未解決的問題：在只有一塊小磁鐵時，螺絲釘會緩慢的順時針旋轉，之后又自己逆時針旋轉.后來又加入一塊磁鐵的情況下，卻能穩定的朝一個發現旋轉.（這是新的問題，值得進一步探究.）

（2）圖3的實驗無法做成功原因之一，可能是因為銅導線與小磁鐵的接觸不良導致.要使銅導線接觸良好，操作比較困難.一方面原因是銅導線較軟且很細，很難將其固定，這需要很長時間.如果用較粗的漆包線可能成功，但也需要一定時間調整線圈的彎曲程度.還可能因為電池與桌面或導線與桌面之間的摩擦過大而影響實驗效果.

（3）在圖4的實驗中，我們觀察到即使導線下端只有一邊和電池接觸而另一端懸空，導線仍然能圍繞電池自轉.我們發現如果銅導線都是漆包線，質地較硬，接觸良好，所以才容易成功.之后我們發現其他小組又將銅導線拗成各種形狀，也能轉動，大家也不甘落后，行動起來，很好地提高了我們的動手能力和創造能力.

從這些實驗反思中可以看出學生的思維得到充分的鍛煉.這些反思的問題不是教師強加給他們，而是他們自己通過實驗提出的，也沒有現成的答案.這樣的反思激發了他們的好奇心，對創新能力的提升也有促進作用.