基于觀察和假設的研究性實驗教學研究

陳杰

[摘 要]在研究性實驗教學中，為有效培養學生的創新能力和科研能力，我們提出了以觀察和假設為基礎的教學設計，即以對實驗現象的觀察而非具體要求為開端，通過觀察實驗現象提出問題，對問題進行理論假設，最后設計實驗方案進行論證。觀察是科學研究的基礎，從現象到假設實際上是一種創造性思維的過程，在研究性實驗教學中，要培養學生的創新和科研能力，就必須要重視觀察和假設的環節。

[關鍵詞]研究性實驗；觀察；假設

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）08-0076-03

隨著高等教育對學生創新思維和實踐能力培養的不斷重視，大學物理實驗教學不斷加強了設計性實驗和研究性實驗的教學。[1][2][3][4]設計性和研究性實驗要求學生自行設計實驗方案，選擇實驗器材并獨立完成操作和測量，意圖讓學生體驗發現問題、分析問題、解決問題的科學實驗的過程，從而培養創新思維和實踐能力。在教學實踐中發現，設計性和研究性實驗要對學生創新思維進行培養，就必須要重視觀察和假設的教學環節。

一、觀察和假設在科學實驗中的地位和作用

觀察是科學實驗的基礎，沒有準確而全面的觀察就無法獲得對物理現象的完整認知，也就無法得出正確的物理事實或規律。第谷為探尋天體運動的奧秘進行了長達20年的潛心觀測，從而為揭示天體運動規律的三大定律奠定了基礎；倫琴在做陰極射線實驗時偶然觀察到涂有亞鉑氰化鋇的熒光屏發出熒光的現象，他通過深入觀察發現這種熒光已不是陰極射線，進而發現了一種新的射線并命名為X射線。縱觀整個科學發展史，無論是有意觀察還是無意觀察都展示了其重要性，成為窺視物理規律的一扇窗口。科學家也非常推崇觀察的技能，達爾文在評判自己時就說：“我沒有過人的機智，只是在察覺那些稍縱即逝的事物并對此細心觀察的能力上，我可能在眾人之上。”

同樣，假設在科學研究中也起著極其重要的作用，當面對未知的現象和問題時，就需要做出猜想和假設，并以此為依據開展研究。假設也是科學研究的一個重要途徑和方法。著名的愛因斯坦的相對論就是建立在光速不變的假設的基礎上的，有物理學家評論麥克斯韋方程時說：“絕不要去管什么哲學，絕不要去管諸如此類的什么東西，只管去猜方程好了。”[5] 恩格斯總結自然科學的發展史時說道：“只要自然科學在思維著，它的發展形式就是假說。”

觀察——假設是一個連續的過程，在實驗中，當面臨未知現象時，就需要根據已掌握的知識，沿著不同的角度、不同的方向，從不同的層面和不同的關系出發來提出合乎邏輯的理解，這實際上是一個創造性思維的過程。在研究性實驗教學中，我們要培養學生的創新能力，就必須要重視觀察和假說的環節。

二、加強觀察和假設環節的教學設計——以鋁棒的發聲實驗為例

（一）實驗的基本現象

采用一根橫截面為直角的鋁型材料棒，長度1m左右。用一只手指捏住鋁棒中點，另一只手用小鐵錘敲擊鋁棒的一端（如圖1），開始時音色比較混雜，隨后響度逐漸減小，音色也逐漸變得單純，最后出現純音（單一頻率）并可延續很長的時間。再用一只手捏住鋁棒的中點，另一只手在拇指和食指上抹一些松香粉，然后用力從中點處向一端抹動（如圖2）。反復多次，便可聽到鋁棒發出很純的聲音，停止摩擦后還可以延續很長時間。

1.對實驗現象的理論解釋[6]

這是一個駐波的演示實驗，聲音在鋁棒中往復傳播形成駐波，在鋁棒的端點，振動從鋁棒傳播到空氣，是從波密介質傳播到波疏介質，因此鋁棒的兩個端點是一個波腹；鋁棒的中點是用手指捏住的，因此是個波節。這樣，只有滿足[L2]=[（2k+1）λn4]（L為鋁棒的長度）的波能在鋁棒中形成駐波，其基波的波長為[λ1]=2L，我們便聽到了該種波長的純音。使用摩擦的方法使鋁棒發出聲音，由于不是一種強烈的沖擊，那些不能形成駐波的振動，能量衰減很快，所以我們聽不到像敲擊那樣強烈的混濁音。

2.實驗研究

從理論解釋可知，純音的頻率與棒的長度和聲音在該種介質中傳播的速度有關，其關系式為v=[u2L]，即對于同一種金屬材料，聲波的速度一定，金屬棒越長，我們聽到的頻率就越低；對于不同材料的金屬棒，波速不同，相同長度時所得到的頻率也不相同。為此，我們可以設計實驗測量純音的頻率，與上述的理論值進行比較，從而驗證理論假設的準確性。

對于聲音頻率的測量，我們可以采用示波器或聲音軟件觀察聲音的波形并測量聲音的頻率，圖3、圖4是用聲音軟件EShow分別采集到的119.32 cm和90.10 cm長的鋁棒發聲的聲波圖形，其頻率分別為2088和2767，長度短的頻率高，這與理論解釋相符。同時， 根據[λ2]=2L 得：

在誤差范圍內，兩種情況下測得的鋁棒中聲速相等，也符合常溫下聲波在鋁棒中傳播的速率。當然，對于聲波的頻率也可以用共鳴管測聲速的方法進行測量（如圖5）。

（二）實驗的教學設計

1.實驗的預習

（1）實驗現象的觀察

教師以演示實驗的形式展示鋁型材料棒發聲的實驗，要求學生進行觀察。觀察的重點是教師的手法和聽到的聲音的特點，并要求學生記錄觀察到的現象。包括：

你看到了什么？

你聽到了什么？

聽到的聲音有什么特點？

學生的觀察越仔細越好，不能漏過每一個細節，并要求在觀察的基礎上提出不能解釋的現象。

（2）實驗現象的分析和假設

對觀察到的實驗現象進行分析和假設，對每一個觀察到的現象和細節都要從理論上進行說明，對無法說明的地方要進行相應的假設和猜想，最終要能形成完整的理論說明。重點要求學生解釋：

金屬棒發出的純音是如何形成的？

敲擊和手指摩擦兩種方法形成不同聲音的原因是什么？

手指捏的位置與發聲頻率之間有什么關系？

在這一過程中要求學生查閱相關的資料，綜合運用所學知識，形成完整的理論假設。

（3）實驗的設計方案

為印證對實驗現象的理論分析，需要設計一系列的實驗來證明自己的判斷，這就要求學生自主完成實驗設計方案。設計方案主要包括研究的目的、研究的具體方法、實驗的內容、實驗的程序、實驗的注意事項等。

學生的實驗預習報告應包括上述三個方面，以紙質形式上交。

2.交流討論

學生上交實驗預習報告后，教師要檢查預習情況并加以引導和幫助，最終形成完整的理論分析和實驗論證方案。選擇具有典型性和普遍性的分析和設計方案，讓學生進行匯報，并進行交流探討，包括假設是否合理，實驗設計方案是否可行，經學生修改實驗預習報告后進入實驗的操作環節。這一環節是相互借鑒和再判斷的一個過程，并非強制性的形成統一的實驗認知，學生可以根據交流情況進行修改，也可以堅持自己的想法和驗證方案，教師在必要時給予一定的理論指導。

3.學生實驗

學生根據預習情況到實驗室完成實驗，自己選擇實驗器材，搭建實驗平臺，完成數據的記錄和分析。主要的實驗內容包括：

重復教師的演示實驗；

測量不同長度和不同材料的金屬棒的發聲頻率；

研究手指捏在不同位置時的發聲特點。

4.總結分析，撰寫實驗報告

對實驗數據進行處理，分析發聲頻率與金屬棒長度和波速之間的關系，得出金屬棒發聲的原理，并撰寫實驗報告。

在上述的研究性實驗教學設計中，我們從對實驗現象的觀察入手開展實驗，讓學生經歷觀察和假設的環節，學生只有準確而全面的觀察到實驗現象，如手捏的位置、聲音的特點，并從對這些現象的分析中做出合理的假設，才能進而設計實驗進行論證。與一般的以明確的實驗要求入手的研究性或設計性實驗相比，學生多經歷了觀察和假設的環節，這是對創造性思維的一種鍛煉。

三、加強觀察和假設設計的途徑

（一）轉變觀念，提升對觀察和假設重要性的認識

社會的發展進步對人才培養提出了新要求，在實驗教學中不僅要培養學生基本的實驗技能，更要培養創新性的實驗能力。它要求大學生能做到理論與實際相結合，具有發現問題、分析問題、解決問題的能力。這就要求必須要重視以觀察和假設為基礎的研究性實驗教學。高校教師在長期的傳統實驗教學中，已經形成了自己相對穩定和成熟的教學模式，在思想上由于惰性而不愿去學習和做出改變。與此對應，在實踐中，以觀察和假設為基礎的研究性實驗教學對高校教師在知識能力上提出了更高的要求，在教學中也要牽扯更多的精力，面對這些他們不愿主動去做出改變。為此，高校教師要轉變教學觀念[7]，從促進學生發展的長遠角度出發，加強以觀察和假設為基礎的研究性實驗教學的實踐。

（二）加強學習，掌握觀察和假設的規律和心理機制

從教學設計來講，觀察和假設是一個實驗的設計環節，但觀察和假設作為一種實驗方法是有其內在的規律和心理機制的。比如觀察的方法有順序觀察法、解剖觀察法、對比觀察法、重點觀察法和全面觀察法等，每一種方法的心理機制和適用范圍都不相同。為此，只有掌握了觀察和假設的規律和心理機制才能更好的進行觀察和假設環節的設計。教師需要加強這方面的學習，重點學習和掌握：觀察和假設的分類與適用范圍；關于觀察和假設的心理機制；觀察和假設法的實施方法與注意事項等。

（三）創設條件，開發注重觀察和假設環節的研究性實驗案例

具體的、可行的、有效果的實踐教學案例能讓教師感受到研究性實驗教學帶來的優勢，這樣才能進一步推動廣大一線教師不斷開展以觀察和假設為基礎的研究性實驗教學的實踐。當前，可供操作的以觀察和假設為基礎的研究性實驗教學案例還比較缺乏。為此，必須要加強實驗教學案例的開發[8]。具體可以在傳統的研究性實驗教學中加入觀察和假設的環節；把現實生活中的實際運用開發為研究性實驗教學案例；將演示實驗轉化為研究性實驗等。

四、結語

設計性實驗和研究性實驗的目的是為了培養學生的實踐能力和創新能力，但目前的設計性和研究性實驗大多是從實驗要求開始的，學生根據實驗要求設計實驗方法并自主完成實驗數據的測量和分析，在這一過程中對學生的實踐能力的培養起到了很好的作用，但不符合創新能力的思維機制，為此我們必須要重視觀察和假設的教學環節的設計。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王秋芬.設計性、研究性實驗對學生創新能力的培養[J].大學物理實驗，2006（9）：88-91.

[2] 何永凡，周紅，周曉兵，等.利用大學物理實驗平臺培養學生實踐創新能力[J].實驗技術與管理，2016（6）：180-183.

[3] 劉金環.大學物理實驗教學模式改革與建設研討[J].大學物理實驗，2005（3）：72-74.

[4] 姜志宏.研究性實驗與學生科研能力的培養[J].大學物理實驗，2006（9）：102-105.

[5] 王德春.語言學通論[M].南京：江蘇教育出版社，1990.

[6] 劉炳昇，仲扣莊. 關注用物理知識分析和解決實驗問題[J]. 物理教學， 2011（9）：26-29.

[7] 黃蘭芳.大學生實驗能力培養的思考[J].大學教育，2013（8）：36-37.

[8] 朱春玲，李梅，馮靜，等. 基于培養創新型應用人才的實驗教學改革[J].大學教育，2014（6）：19-20.

[責任編輯 鐘 嵐]