物理實驗創新方法：“三步走”創新方法

岑澤 陳艷燕

（浙江師范大學數理與信息工程學院 浙江金華 321004）

物理實驗創新方法：“三步走”創新方法

岑澤 陳艷燕

（浙江師范大學數理與信息工程學院 浙江金華 321004）

物理實驗的創新已經引起人們的高度重視，然而，物理實驗的更新速度卻遠遠跟不上學生需求的速度．在這種情況下，提出了對物理實驗進行創新的“三步走”．第一步，預備階段，即找出所要創新的物理實驗的“重難點”；第二步，設計階段，即根據重難點，設計出物理創新性實驗；第三步，制作與反思階段，即對所設計的實驗進行制作，反思制作過程中出現的問題．“天下無不可創新之物”，對于有瑕疵之物我們都應該并且有能力去改進它．

物理實驗 學生需求 三步走 重難點 改造創新

1 物理創新實驗

物理創新實驗是指打破傳統物理實驗原理，改革傳統物理實驗方案，簡約物理實驗器材，優化實驗效果，具有創新因子的物理實驗［1］．根據這個定義，可以看出其內涵包括物理實驗原理創新、物理實驗方案創新、物理實驗器材創新、物理實驗的全新設計和物理教學創新這5個維度［2］．其中，物理實驗器材的創新備受關注，“中學物理低成本創新實驗”就是證明．

“中學物理低成本創新實驗”是在吸收低成本物理實驗成本低廉、易于推廣等優點的基礎上，結合創新素質培養需求而提出的有獨特內涵的名詞，其特色在于實驗器材、實驗條件、實驗手段的生活化，成本低廉，易于推廣［3］．

中學物理低成本創新實驗具有很強的發展前景，其生活化的實驗器材使得學生對實驗產生了莫名的熟悉感，增強其對實驗的興趣；生活化的實驗條件和實驗手段使得學生可以自己動手去做，有利于創新思維、創造力的培養；其成本低廉的特點使得貧困山區的孩子也可以做起物理實驗來了，不會從小到大都沒有見到過神奇的物理實驗；其易于推廣的特性更加適合于大面積推廣．雖說如此，然而低成本物理實驗卻是一塊未開發的荒地，它需要無數個教師、學者、專家、學生等人的勞作．灑下勤勞的汗水，不辭辛勞的開墾，這塊荒地上才能開出一片片美麗的花，結出一顆顆碩果．

當然，有些人已經走在前面了，他們對物理創新性實驗的設計給我們提出了一些有意義的方向．文獻［1］提出了物理創新實驗的6大設計原理，即物理平衡原理、物理轉換原理、物理比較原理、物理放大原理、物理模擬原理和物理變換原理．另外，“通過分析大學物理實驗的教學目標、教學大綱資料可知，現開設的大學物理實驗項目的設計主要從原理創新、方法創新、儀器創新等方面入手，其設計方法可以歸納為原理應用設計法、聯想類比設計法、改進設計法、變異設計法、組合設計法等．”［4］

從某種程度上說，部分人秉承著這樣的一個觀點：創新有法，但無定法；物理創新實驗設計有技巧，但又沒有固定的模式［1］．但是，誰又能知道有沒有定法呢？從微觀上來看，創新只有技巧，沒有方法，可是從宏觀上來看，創新卻是有方法的．對于如何對物理實驗進行創新，可以分為“三步走”．

第一步，預備階段．找出所要創新的物理實驗的“重難點”．

第二步，設計階段．根據重難點，設計出物理創新性實驗．

第三步，制作與反思階段．對所設計的實驗進行制作，反思制作過程中出現的問題．

2 預備階段——找出物理實驗的重難點

第一步：仔細觀察所要創新的物理實驗，查閱該實驗相關的資料，自己動手對其進行實驗體驗，找出其重難點．“重難點”是由重點和難點共同組成的，這個詞的含義大多能夠在教學設計當中看到，在教學當中是不言自明的一個概念．簡單地說，重點（key points）就是重要、關鍵的那些部分，在教師的教學過程中是指按照當前的教學目標來說，必須要讓學生理解、要教會學生的這一部分知識；難點（difficult points）就是很困難的那些部分，在教學中的含義是指對于學生來說，按照他們當時的理解能力、智力、經驗等一系列因素是比較難以理解、難以學會的內容．其他的領域當中也有“重難點”這個概念，但是和教學中的“重難點”概念有區別也有相似．

這里所說的重點就是指在該物理實驗當中，對于實驗者來說是比較關鍵的步驟、關鍵的部分，這些關鍵的步驟、關鍵的部分可以是該物理實驗的實驗原理的需要；難點就是在該過程中，對于實驗者來說比較困難的步驟和部分，這些步驟如果不按照規范來做，就不會得到所要得到的結論，這些部分如果出現了誤差，也會對結論造成影響．這些重難點是客觀的，然而每個人思考的不一樣，對重難點的劃分也有所區別，但是對該物理實驗有所了解的人，知道的重難點卻是一樣的，因為這有老師教．教學中的重點不一定是難點，難點不一定是重點；但是在這所說的物理實驗的“重難點”卻不是這樣，重點不一定是難點，但難點一定是重點．

引入“重難點”的概念，就是為了找到所要創新的物理實驗的重難點，但卻不要糾結于這個概念而忘記了創新．其實，簡單說來，物理實驗中的“重難點”就是指該物理實驗的可創新點．當想要對物理實驗進行創新的時候，最好要有這個意識，應該細分這些重難點，一個重難點就能夠做一個或者一個以上的創新，有多少個重難點就有多少個可創新點．

3 設計階段——根據重難點設計出創新性實驗

第二步：根據自己所找到的重難點，對其中每一個重難點，思考出可以對其進行怎樣的創新，找到答案后（這是沒有標準的答案，或許只是一個方向、一個設想而已），設計出創新性實驗．在第一步的預備階段中，已經找到了自己認為的該物理實驗的重難點．得到了這個重難點，就可以動用所學的一切知識，積極思考，思考哪些重難點可以被其他哪些東西取代，哪些重難點可以再如何改進一下，哪些重難點可以被推翻等等．如果這個可推翻的重難點屬于原理上的話，那么這算是一種物理原理的創新，因為物理上的原理都是理想或近似理想的模型，而現實當中卻是一種非理想化的模型，它具有更多的未知，更多的不確定性．所以即使這個物理實驗的實驗原理是專家提出來的，也不能盲目認同，要隨時保持清醒，要看到在地球上做實驗具有很多干擾因素，誰也不知道那些干擾的因素是不是最主要的物理原理，如果不是如今所解釋的原理呢．

這“第二步”是很重要的．如果把實驗的“重難點”都找了出來，然而卻還是不能想出什么創新的方法來，那么可以去研究一下那些實驗設計的原理和方法來激發自己的創新意識．對于實驗設計的原理和方法在“第一部分”中的“物理創新實驗”中也有所介紹，倘若因為這些理論知識生澀難懂，難以用來激發自己的創新設想，可以去參考一些創新物理實驗，看看別人是如何設計的．《物理創新實驗》這本書就是本著培養學生創新思維這個思想而編著的，編者“熱切希望讀者能通過這些范例的啟示，充分激發創新沖動……激發無盡的創造潛能，以推進對‘格物致知’理念的認識”．［5］《物理實驗創新研究：“非常規”物理實驗設計制作能力培養》這本書“以‘非常規’物理實驗方案設計為手段，以‘創新技法’為主要方法，對高師物理師范生實施專題培訓，培養學生發散性思維的能力……具有重大的理論意義和現實意義．”［6］《創新設計方法及應用》“通過深入淺出地講解，激發每一位讀者的潛在創造力……可作為自學者的自學參考書．”［7］

為了防止對“創新”這個詞的誤解——把創新和改進等同起來，在這里引入“外發”和“內激”這個概念．“外發”，就是對一個參照系統來說（在物理實驗中這個參照系統為所要創新的物理實驗），向外發散．也就是說，這種“外發”創新是由這個物理實驗推到其他物理實驗的一種創新，一種推己及人的方法，而非該物理實驗本身．“內激”就是對一個參照系來說，向內激活．即“內激”創新就是創新該物理實驗本身，也就是常說的“改進”，是指把該物理實驗的難點改進得簡單一些．由上述對創新的敘述可知，創新一直包含著對舊物質的改進，但改進卻不是創新的“全部”．

4 制作與反思階段——根據所設計的實驗進行制作并反思其中出現的問題

在第二步中，經過不停的追求答案終于把創新的實驗設計好了，那么制作與反思階段的第三步就呼之欲出了．第三步，根據所設計的實驗設計思路，在必要的情況下利用實驗改造的工具把創新性實驗制作出來．在制作過程中，不可避免地會出現卡殼的現象，這可能是因為實驗出現了難以克服的障礙，或者是隱約頓悟了更好的創新方法．此時就要對其進行反思，反思制作過程中出現的問題，如果是能克服的問題就盡力克服它；如果是不能克服的，那么說明原來想到的方法不是最具有創新性的，還有施展的空間，所以要再次創新、再次設計，直到把實驗設計出來．當然“創新是沒有邊界的”，你可以針對現有的實驗所出現的問題和瑕疵設計實驗，但是你改進后的實驗也會產生一些問題和瑕疵，這些問題就讓以后再來創新吧，至少現在可以解決現有實驗出現的一些問題，這就是發展．

雖說此創新方法只分“三步走”，但它卻并非只有三步，它可以是循環的，可以從第三步未完成之后再進行第一步，然后第二步再到第三步等等循環不止．如果實驗創新者在第三步完成之后就停止運行了這“三步走”，那么只能說該創新者已經滿足于創新實驗的制作完成，沒有再想對該實驗進行創新的心思了．

5 天下無不可創新之物

上面所說的僅是物理創新實驗的方法，可是，這“三步走”創新方法其實對于實驗的學科包含化學、生物等都十分適用．它具有很強的普適性，而不是僅僅局限于物理實驗．“三步走”中的每一步都很重要，這都是需要注意的．第一步的“找出重難點”直接影響了可以有多少創新的地方，第二步直接影響了能否設計出一個創新的實驗，第三步直接影響了能否做出一個創新的實驗成品出來．在第一步時說到，找到所要創新的物理實驗的重難點，所以對實驗創新的前提是要有實驗基礎，只有了解了實驗（即使不是充分了解），才能進行創新．一點也不了解實驗的人，是不會對實驗有創新的想法的，但是這世界上好像沒有一點也不了解實驗的人，這能不能說明每個人都能夠對實驗進行創新呢？說到對實驗進行創新，大部分人都是出于無意識的創新階段，如果每個人都有想要創新的意識（這“三步走”或許可以激發這種意識），那么天下將無不可創新的實驗了．這種創新意識，不僅僅局限于實驗中，應該推廣到生活中，“天下無不可創新之物”．創新，不應該只是實驗的創新，還有很多很多東西都是需要創新，而且都是可以創新的．此時，這“三步走”的創新之法依然可以適用．

1 李松嶺，李明雪．物理創新性實驗的六大設計原理．物理與工程，2007（06）：19～21，24

2 張俊玲．物理創新性實驗的五大設計方法．實驗技術與管理，2010（11）

3 錢永昌．指導學生開展“中學物理低成本創新實驗”設計與開發的實踐研究：［學位論文］．福州：福建師范大學，2008

4 張俊玲．大學物理實驗中的創新設計方法及應用研究．大學物理實驗，2011（04）

5 劉貴興，方洪輝，倪閩景．創新物理實驗．上海：上海教育出版社，2007

6 劉炎松．物理實驗創新研究：“非常規”物理實驗設計制作能力培養．北京：冶金工業出版社，2009

7 劉曉宏．創新設計方法及應用．北京：化學工業出版社，2006

2014- 04- 09）