物理教學中培養學生創新技法探索*——《物理教育中培養學生創新素養》子課題研究概要總結

2015-12-23 01:37:33黃國龍

物理通報 2015年7期

關鍵詞：物理測量實驗

黃國龍

*寧波市“十二五”教育規劃重點課題“物理教育培養學生創新素養探索”的研究成果之一，編號：YZD12021

物理教學中培養學生創新技法探索*
——《物理教育中培養學生創新素養》子課題研究概要總結

黃國龍

*寧波市“十二五”教育規劃重點課題“物理教育培養學生創新素養探索”的研究成果之一，編號：YZD12021

摘要：本文是子課題“物理教學中培養學生創新技法探索”研究概要總結．文中針對創新技法對于培養拔尖創新人才的重要性，從三個層面全面深入培養學生的創新技法．首先，根據創新技法一般性結合中學物理教學實際，確定中學物理創新技法培養內容；其次，充分挖掘物理必修課程創新技法資源，有效培養學生創新技法；最后，系統開發實施旨在培養物理創新技法的選修課程，深度培養學生物理創新技法．

關鍵詞：物理教學創新教育創新技法

創新技法是創新素養的一個重要組成部分，創新技法是根據創造性思維發展規律和大量成功的創造與創新的實例總結出來的一些原理、技巧和方法．它的應用既可直接產生創造和創新成果，同時也可啟發人的創新思維，可以提高人們的創新能力．培養創新技法是培養多樣化拔尖創新人才的一重要舉措，2012年來筆者主持研究《物理教育中培養學生創新素養探索》浙江寧波市十二五重點規劃課題，對子課題“物理教學中培養學生創新技法探索”進行系統研究與實踐，取得了一些顯著成果．本文闡述了該子課題研究的主要內容和取得成果．

1確定物理教學中創新技法培養的內容明確創新技法培養方向和任務

確定中學物理創新技法培養的具體內容為培養學生的創新技法明確了方向和任務．筆者認為，應根據創新技法的一般性結合中學物理教學的實際來確定中學物理教學中創新技法培養的內容．

1．1列舉缺點創新技法

列舉缺點創新技法是指通過發掘現有事物的缺陷，且一一列舉，然后提出改革或革新的一種技法．列舉缺點，就是發現問題和提出一個問題，找到了一個創造發明課題．中學物理實驗教學中列舉缺點法指的是能指出和發現物理實驗中由于實驗原理、方法、技術不完善引起的問題．例如，能發現原有實驗中存在較大的誤差、實驗穩定性較差、實驗操作性不強、實驗缺乏經濟、方便等．通過列舉缺點，能激發學生追求卓越的創新意識，產生創新實驗的探索動機．

1.2功能組合創新技法

功能組合法是把兩個或兩個以上的不同結構，巧妙地組合在一起，使它成為一個新產品．中學物理實驗教學中功能組合創新技法指的是能整合不同的實驗理論、實驗方法、實驗技術、實驗儀器的優勢，創新設計新的物理實驗儀器，完成物理實驗．例如，氣墊導軌與電學實驗組合，能使較小電磁力產生明顯的作用效果；傳感器與常規實驗的組合，能使熱學、力學、光學等信號轉化為容易測量的電學信號．

1.3逆向創新技法

逆向技法是改變一般思維程序，即把事物反過來看，并由此解決問題，產生新的產品和成果的創新技法．中學物理實驗教學中逆向技法指的是能從實驗原理、方法、操作步驟等角度運用與原思維相反的思路來設計實驗．例如，在實驗中正面效果和反面效果的正逆展示，正向實驗過程和逆向實驗過程的正逆操作、靜態和動態的正逆操作等．

1.4轉化創新技法

中學物理實驗中轉化方法指的是能運用物理理論、物理方法、物理技術，實現不同物理量間的轉化測量．例如，示波器設計中，運用水平方向電壓掃描(電學掃描)實現時空轉化；傳感技術中實現力電轉化，磁電轉化等；通過間接測量方法實現物理量測量的由難向易轉化、由粗向精轉化、由繁向簡轉化等．

1.5放大創新技法

中學物理實驗中放大技法指的是能運用物理理論、物理方法、物理技術，把不明顯現象、較弱信號的物理量轉化為現象明顯、較強的物理量，從而提高實驗精度．例如，通過力矩放大力的作用效果，通過“光杠桿”放大被測量的物理量，通過傳感器進行電學量放大等．

除了上述創新技法外，還有比較創新技法、移植創新技法，補償創新技法等．

2充分挖掘利用物理必修課程創新技法資源有效培養學生物理創新技法

高中物理必修課程中(特別是物理實驗教學中)包含豐富的創新技法培養課程資源，充分挖掘利用物理必修課程中創新技法培養課程資源是培養學生物理創新技法的一種有效途徑．

2.1展示物理課程中創新實驗中創新技法使學生理解創新技法

培養學生創新技法的首要環節是使學生了解和理解物理實驗中創新技法，感受到創新技法在物理實驗設計和科學研究中的重要作用．展示物理課程中物理學家和教師設計實驗過程中的創新技法及其重要作用是學生了解和理解重要物理實驗創新技法的有效途徑．

例如，在“自由落體運動”教學中，向學生介紹伽利略年代直接測量自由落體運動時間的困難，展示伽利略運用放大技法(通過研究斜面實驗來延緩運動時間)來提高時間測量精度；在“萬有引力”教學時，向學生介紹卡文迪什年代測量微弱引力的困難，展示卡文迪什運用轉化(把引力測量轉化為距離和角度測量)、放大方法(通過力矩放大引力作用效果，通過光杠桿放大光杠桿轉過角度)設計扭稱實驗，成功地測量出兩小球引力大小，測量出萬有引力常量．

2.2拓展物理實驗引導學生運用創新技法進行創新設計培養學生創新技法

為了能讓學生在認知“最近發展區”內進行實驗創新活動，可以根據必修課程物理實驗中存在問題，從改變實驗目的、實驗要求、實驗儀器等角度進行拓展，引導學生運用創新技法對原有學生實驗進行創新設計，從而有效地培養學生的創新技法．

創新技法運用：

教學案例1——“探究做功與速度變化關系”實驗拓展創新．

(1)拓展原有實驗，運用列舉缺點方法揭示原實驗存在問題，提出新的設計課題

原有實驗：人民教育出版社高中教材《物理·必修2》第七章第6節[1]介紹了“探究做功與速度變化關系”的實驗方案(如圖1所示)(詳見教材)．

圖1

存在問題:

1)實驗中較難控制小車勻速下滑，從而難以平衡摩擦力，造成較大誤差；

2)實驗中細繩作用于小車上作用力小于砝碼的重力，當砝碼質量較大時，會造成較大的系統誤差．

(2)運用多種實驗創新技法，實施實驗拓展創新設計

針對實驗中存在問題，學生紛紛進行設計創新活動．下面介紹比較典型的拓展創新設計方案．

創新設計:李同學運用逆向創新技法設計如下實驗方案(簡稱李氏實驗方案)：如圖2所示，讓小車從斜面上某一高度由靜止開始運動，通過水平面上O點的光電門，測出速度v0，最后由于摩擦力作用停在水平面上P點，用刻度尺測出OP距離d．

圖2

創新實驗特點:

1)運用逆向創新技法．由原來實驗中要平衡摩擦力變為利用摩擦力做功，這使實驗研究更加方便，而且減小了誤差；

2)運用轉化創新技法．考慮到摩擦力做功與d成正比，由原有實驗直接測量合外力做功數值轉化為測量d，減小測量誤差；

3)運用移植創新技法．本實驗方案中移植應用新的數字化傳感技術，運用速度光電門來測量小車的速度，比原有實驗中打點計時器法測量更加精準.

通過上述拓展創新活動，學生運用物理實驗創新技法的興趣得到很好激發，熱情得到很好培養，實驗創新技法得到較好運用和培養．

3系統開發實施旨在培養物理創新技法的選修課程深度培養學生物理創新技法

物理必修課程中實施創新技法教學往往局限于限時、限空間的課堂教學中，缺乏深度地對學生進行物理創新技法的培養．筆者嘗試開發實施旨在培養學生創新技法的物理選修課程．該選修課程從物理必修拓展到物理選修課程，從封閉課堂教學拓展到開放的課外活動，從有限時空拓展到開放的時空．通過探索實施教學方式和學習方式，有效實施這些物理選修課程，深度培養學生物理創新技法．

3.1整合物理實驗教學和科技創新活動開發實施旨在培養物理創新技法的選修課程

課題組整合高中物理實驗資源和科技創新活動時空，系統規范開設實施《物理實驗創新》、《物理設計創新》、《課題研究與科技創新》等選修課程，深度培養學生的創新技法．

例如，課題組自主開發實施《物理創新實驗》課程[如表(1)所示]，該課程主要以高中物理實驗中存在和遇到實際問題為研究課題，引導學生進行物理實驗創新活動．通過物理實驗創新活動，不僅實施高中物理實驗的創新，解決高中物理實驗存在問題，而且有效地培養了學生的物理創新技法．

表1　自主開發實施的《物理創新實驗》課程

3.2構建實施技法創新教學模式有效實施物理創新技法選修課程

為了有效實施創新技法培養選修課程，課題組探索實施技法創新教學模式，這種教學模式的教學流程圖如圖3所示，特點是：以原有學生設計認知為基礎，以新的設計課題為切入點，以理論設計為指導，以實驗調試為判斷，以創新技法運用為核心，以構建新的設計認知結構、培養學生創新技法為目標．

圖3　創新教學模式教學流程圖

理論設計中綜合運用相關物理理論和創新技法，實驗調試用來判斷理論設計的效果．若實驗調試失敗，則引導學生進行分析評價，揭示失敗原因，運用新的技法進行新的設計；若實驗調試成功，引導學生進行總結，構建新的設計認知結構，進行拓展創新，實施新的技法創新．

教學案例2——“向心力演示儀”創新設計

(1)運用列舉缺點法揭示原有實驗存在問題，提出新的設計課題

原有實驗：人民教育出版社《物理·必修2》第23頁[2]給出了一種粗略的驗證向心力的公式的實驗方法——用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式(詳見教材)．

揭示問題：實施這個實驗后發現此實驗存在如下問題.

1)無法控制讓小球沿紙上的某個圓上做圓周運動；

2)小球做圓周半徑r難確定，且測量誤差大，豎直高度h的測量誤差較大；

3)秒表或手表測時間誤差較大．

提出設計課題：要求學生設計新的實驗來提高向心力演示儀的測量精度．

(2)運用多樣化創新技法進行創新設計

1)運用物理控制和轉化方法控制小球做穩定的圓周運動

F合=mgtanθ

比較F合與F向就可驗證向心力公式．

圖4

實驗調試1：穩定轉動時，小球偏角較難測量，同時實驗誤差較大．

分析評價1：實驗原理中忽略了小球受到軌道的摩擦阻力．當轉速較大時，軌道對小球的彈力和摩擦力不能忽略；小球穩定轉動時轉動太快偏角測量較難．

2)運用平面控制方法優化穩定圓周運動

理論設計2：陳同學在上述同學設計的基礎上，設計出如圖5所示的實驗裝置．輕質平板N固定在轉盤M的直徑上，繩子一端固定在平板O點．當轉盤繞OO′軸勻速轉動時，小球貼著平板做勻速圓周運動，小球偏角θ可以從刻度盤上讀出．這個實驗設計既控制小球做穩定的圓周運動，同時也消除小球受到的軌道摩擦阻力，提高了實驗精度．

圖5

實驗調試2：通過實驗發現，此方案中小球偏角θ和轉動周期測量還是成為實驗的難點．

分析評價2：由于轉動太快，要求在穩定轉動時測量偏角比較困難，是否在停止轉動時把小球最大偏角位置能記下？

3)運用移植和逆向技法精確測量小球偏角和轉動周期

理論設計3：陳同學在上述基礎上，運用當代傳感技術光電門精確測量周期；設計出如圖6所示的實驗裝置圖測量小球做圓周運動偏角．通過O點連接一輕質金屬絲(稱作“記憶指針”)，當電動機帶電動平板勻速轉動時，小球與細繩帶動輕金屬桿上擺．當電動機停止轉動時，小球返回原豎直位置，但輕質桿停留在電機穩定轉動時所張角度處，此時輕金屬桿偏角就是小球做穩定圓周運動時偏角．

圖6　測量小球做圓周運動的偏角

實驗調試3：表2中給出了4次不同偏角情形下，向心力和合外力的相對誤差，相對誤差較小，符合高中物理實驗要求．

表2　4次不同偏角情形向心力與合外力的相對誤差

構建設計認知：運用轉化技法把穩定電學驅動轉化為穩定的力學驅動，克服原有實驗中不穩定力學驅動不足；運用轉化技法把原先不穩定的長度測量轉化為固定角度測量；運用軌道控制的方法保證小球做穩定的圓周運動；移植運用光電門傳感技術，精確測量周期；運用移植和逆向技法把沖擊擺實驗中最大擺角測量方法移植運用到本實驗中，用輕質金屬絲成功測量出小球做穩定圓周運動時偏角．此設計方案不僅實驗原理和操作簡單，而且實驗結果精確．該演示實驗榮獲浙江省中學物理創新實驗評比二等獎．

3.3構建實施“設計課題協作探究”學習方式在自主探究中有效培養創新技法

為了切實有效地實施物理創新實驗選修課程和培養創新技法，我們根據當代創新人才攻克重大課題研究的特征，構建實施“設計課題協作探究”學習方式，讓學生在自主探究中有效培養創新技法．

“設計課題協作探究”學習方式操作流程如圖7所示，特點是以設計課題為切入點，以學生協作探究為主體，以解決問題、培養學生協作精神、創新技法為目標，以“提出課題、分解課題、分工探究、協作交流、成果匯報”等5個環節為主線．教師在各個環節中起著指導作用，向學生提供相關咨詢，進行創新技法和思維上啟發．學生充當設計、協作、探究和技法創新角色．

圖7　學習方式操作流程圖

教學案例3——“受迫振動演示儀”創新設計

(1)運用列舉缺點方法揭示原有實驗存在問題，提出設計課題

教師向學生演示人民教育出版社教材《物理·選修3-4》課程中“受迫振動”和“共振”演示實驗[3]，揭示原有實驗存在問題(“共振”實驗中，單擺之間會產生耦合作用而相互影響，擺線容易擾亂；“受迫振動”實驗中振幅較難測量，不利于定量或半定量研究)，要求學生創新設計新的實驗．

(2)分解子課題，明確探究任務

學生課題組(由王、黃、陳、葉4位學生組成)選擇了該課題進行探究．他們根據該課題實際和自己特長分解成了如下2個子課題：

1)驅動力頻率可測、可調節的驅動系統設計；

2)等幅受迫振動設計及振幅測量設計．

(3)分工探究，攻堅克難

王、黃兩同學在“物理設計創新”課程實驗中，受上海某儀器公司制造“音叉受迫振動”實驗(如圖8所示示意圖)相關原理和設計思路方法(調節音頻交變電頻率，改變電磁驅動力的頻率，探究音叉振幅與驅動力頻率的關系)和高中電磁打點計時器原理的啟示，運用移植、轉化的技法，把傳統的力學驅動轉化為可調節的電磁驅動，創新設計如圖9所示的受迫振動實驗方案，邁出創新設計重要的一步．