巧用物理實驗設計 培養學生創新能力

陳海濤

(江蘇省蘇州市北京外國語大學附屬蘇州灣外國語學校，江蘇 蘇州 215021)

創新,是社會賴以發展的重要動力;創新,是一個民族屹立于世界民族之林的基石．中國社會的快速發展,在迫切地呼喚更多的創新,期待教育界能培養更多的創新人才,當然也期待著義務教育工作者能作更多的努力．為此,在國家教育部近期提出的“核心素養”[1]中,明確指出培養學生“實踐創新”的必要性．但是縱觀近二十年來的初中物理教學,無論是教學內容,還是教學評價等諸多因素,離培養學生有效的“實踐創新”都還有不小差距．在不少教師的教學實踐中,要拿著放大鏡甚至顯微鏡才能覓得“創新”的痕跡．有的教師即使有培養學生創新的欲望,但是由于缺乏便于借鑒的案例,也只能望而卻步,把培養學生創新看得很神秘．其實,在物理教學中培養學生創新并不難．下面就示范一下筆者如何引領學生借助最常見的“瓶子”設計實驗,讓學生經歷“創新之旅”的實踐探索．

1 在“試水”中暴露問題

為了循序漸進地培養學生創新,在教學時模仿了人學游泳時的三個階段,設計了“試水”、“暢游”和“深潛”[2]三個學習過程．

在“試水”階段,筆者預先按照分組的原則,把班級學生按男女比例和學習能力不同分成幾組,每組6-7人,然后要求每位學生嘗試用礦泉水瓶設計盡可能多的物理實驗,并用思維導圖的形式畫出來(當然,如果學生沒有過這方面的訓練,也可以直接用大括號的形式列舉)．接下來,激勵學生在各自設計的基礎上進行討論,最后由組長匯總組員的討論結果,畫出本組的思維導圖．

這次教學實踐,之所以選用的是初三學生,是因為學生已經學過一些物理基礎知識,預期他們在“試水”時能設計一些簡單的實驗．這樣既能讓學生獲得一定的成就感,同時又能暴露出學生的問題．鼓勵學生用思維導圖,是因為用這種方法本身就有利于學生思維的發散,對培養學生的創新有利．組織小組討論,是想讓學生體驗“頭腦風暴法”[3],學習這種借助團隊合作的創造技法,這也是許多項目研發時經常用到的創新技法．為了更好的發揮“頭腦風暴法”的威力,要注意一些使用原則,比如要讓每位組員盡情發表自己想法,組員之間不能打斷彼此的發言,記錄員要忠實的記錄每個人的想法．要知道,其中某位組員的“荒誕想法”,也許就是創新的增長點．

經過一番“試水”,各組學生匯報了自己的實驗設計．為了節省時間,只允許后匯報的小組說別的組沒說過的實驗設計．在學生匯報的實驗設計中,結果比較發散．基本上涵蓋了聲現象、熱現象、光現象、力、運動和電學幾個方面,設計的實驗也比較簡單,大多是以前做過的或是見過的演示實驗．比如向瓶中加不同的水,吹瓶中聽音調不同;透過裝水的瓶子看近處書上的字有放大現象;捏瓶子松手后瓶子能恢復原狀顯示彈性形變;利用瓶子裝水、鉆孔,顯示液體壓強規律;等等．每組學生大概設計了10-15個簡單實驗．

在學生匯報完后,筆者先是給予了一定的肯定,但是緊接著又潑了一盆“冷水”,指出學生設計的實驗存在兩大問題:一是“不夠寬”,即設計的量還不夠多,思維不夠發散;二是“不夠深”,即設計的實驗大多數淺嘗輒止,僅停留在比較簡單的層面．那么,如何解決這兩大問題呢?經過問題暴露后,學生懷著無限疑問等著教師的指導,內心已經寵寵欲動,為下一步的創新實踐教學營造了濃烈的氛圍,制造了足夠的氣場．

2 在“暢游”中體驗創新

為了解決學生實驗設計“不夠寬”的問題,筆者在課上送給學生一個“錦囊妙計”,引入了創造技法中的“組合創造法”[4]——指用一定的技術原理、功能、目的,將兩個或兩個以上的技術、物質、方法、產品,進行合理的組合,形成新產品．甚至把原產品分割,重新排列組合成新產品或將多個單一產品組合成一個新產品的方法．組合創造法是最通用的創造技法之一．然后指導學生借鑒“組合創造法”,嘗試把瓶子和已經學過的一些知識點相組合,設計更多的物理實驗,并把結果用思維導圖形式畫出．為了便于課上交流,也為了更好的啟發學生,筆者為學生做了一點鋪墊,列舉了一些知識點供學生參考．比如,列舉了聲現象中的四個知識點: ① 聲音是由物體振動產生的; ② 聲音要靠介質傳播,真空不能傳播聲音; ③ 樂音的三要素:音調、響度、音色; ④ 噪聲．列舉了和力相關的7個知識點: ① 力是物體對物體的作用; ② 物體間力的作用是相互的; ③ 彈力; ④ 重力; ⑤ 摩擦力; ⑥ 慣性; ⑦ 力可以改變物體的運動狀態．列舉了和壓強相關的四個知識點: ① 影響壓力作用效果的因素; ② 液體的壓強; ③ 大氣壓強; ④ 流體壓強與流速的關系．列舉了和光現象相關的5個知識點: ① 光在均勻介質中是沿直線傳播的; ② 物體的顏色; ③ 光的反射; ④ 光的折射; ⑤ 透鏡．

各組學生經過一番討論后,輕松的設計了各種實驗,和上述每個知識點相關的實驗設計都有好幾個,學生所設計的實驗在數量上有了“爆炸式”的增長,學生“暢游”在思維的“盛宴”中,使用“組合創造法”的威力得以充分體現．如圖1所示,就是筆者隨便選的學生的設計成果,很多學生的設計思路都和該學生一樣寬廣,甚至更寬泛．通過學習和使用“組合創造法”,學生成功解決了實驗設計“不夠寬”的問題．由于課上時間有限,教師教學時可以選取少量的知識點讓學生練習一下,貴在體驗使用“組合創造法”的妙處和培養學生的發散思維．在課后,可以要求每位學生繼續練習使用“組合創造法”,讓學生在實踐中掌握“組合創造法”,既能體驗創新的樂趣,又能激發學生創造的欲望．如果再經過適當的引導、反復的創新實踐,說不定就能提升一群學生的創新素養．

圖1

3 在“深潛”中深入創新

為了解決學生實驗設計“不夠深”的問題,筆者在課上再次為學生送上一個“錦囊妙計”,引入根據“奧斯本檢核表法”[5]創生的“創造性實驗反思策略”[6]——① 能否借用?即能否借用其它實驗的經驗?有無與過去實驗相似的東西?能否模仿點什么? ② 能否改變?即實驗的器材、步驟、測量方法、數據處理等能否作其他改變?③ 能否代用?即能否用其它實驗原理、其它動力、其它場所、其它方法等取而代之?④ 能否組合?即整套實驗器材、實驗方案是否統一協調,能否進行適當地組合?能否和其它實驗進行組合?其他人的實驗主張能否綜合?其他人的新實驗設想能否綜合?⑤ 能否擴大?即實驗中能否增加什么?實驗的器材、步驟、時間、次數、溫度、壓強、質量、聲音、光照、長度、厚度等能否增加?實驗的附加價值能否擴大?⑥ 能否縮小?即實驗中能否減少什么?實驗器材能否再小點、濃縮、微型化、再低些、再輕些?實驗步驟能否再省略些?實驗裝置能否采取內裝? ⑦ 能否重新調整?即可否更換部分實驗器材,用其它的型號、種類,用其它設計方案,用其它順序?能否調整速度?能否調整程序?⑧ 能否顛倒過來?即可否變換正負,顛倒方位?思考反向有何作用?⑨ 有無其他用途?即現有實驗還有沒有新的用途?或稍加改進能否擴大它的用途?

“奧斯本檢核表法”曾被譽為創造技法之母,根據她派生出的新創造技法就有很多．根據她創生的“創造性實驗反思策略”,充分保留了“奧斯本檢核表法”有利于強制性打開發散思維的重要特征,在初中[7]和高中[8]的物理教學實踐中,被證實對培養學生的創新很有效．為了讓學生在短時間內學習和體驗“創造性實驗反思策略”,筆者選擇了“氣體壓強”這個學生比較熟悉的知識點,要求學生利用瓶子設計關于氣體壓強方面的實驗．為了能夠深入進行設計,筆者進行了適當的引導,沒有讓學生自由發揮,因為那樣在短短的課內時間,各組學生設計的方案千差萬別,不利于“深入”進行．

筆者先要求學生先熟悉“創造性實驗反思策略”,然后要求學生利用空瓶子和人的身體部位設計一個關于氣體壓強的實驗．各組討論了一會,很快有幾組學生匯報了答案．有的組是把瓶子中氣體擠出一部分,然后吸附到手掌心;有的組是把瓶子中氣體擠出一部分,然后吸附到前臂上;還有的組是把瓶子中氣體快速擠出,形成氣流吹動頭發表明氣體有壓強……為了活躍氣氛和激發學生創新的欲望,筆者拿起幾個空瓶子擠出氣體分別吸在自己和另外幾個學生的臉上,課堂氣氛一下子達到了高潮!接著,筆者提出,能否用一張硬紙片和空瓶子設計關于氣體壓強的實驗,同時提醒學生,如果遇到困難可以嘗試“創造性實驗反思策略”．有不少學生很快悟出了方法,“不就是變一變、把臉換成硬紙片嗎?”然后他們成功地做了展示．其中有一組做法獨特,把紙片折成圓錐堵在瓶口,然后用力擠壓瓶子,利用壓縮空氣把紙圓錐發射出去．緊接著,筆者提出了新問題:剛才被吸在瓶口的硬紙片很容易漏氣、掉下來,怎么辦呢?學生討論了一會,有人提出換用硬度適中、容易密封的紙片;有人提出在瓶口沾點水在吸住紙片;有的學生則提出干脆把瓶中多灌點水再做,或是把瓶中灌滿水再做．他們都成功地進行了實驗展示．接著,筆者又問,如果硬紙片太重,瓶子就很難吸住它,怎么辦呢?學生利用“創造性實驗反思策略”思考,很快就想到了對策,有的組演示用開口更大的瓶子吸住重的紙片;有的組則借助“能否擴大?”策略,想到用幾個普通的瓶子同時吸住硬紙片,甚是絕妙!

為了打破常規,把創新引向生活,踐行“從物理走向生活”的理念,筆者接下來話鋒一轉,拿起瓶子吸在臉上,問學生:在我國中醫上,好像有什么東西和這個類似喔?“拔罐”,學生很快就想到了．接下來,筆者簡單演示了拔罐(氣體拔罐,簡稱氣罐)抽氣吸在臉上的實驗,然后問:給你一個氣罐和配套的抽氣機,加上橡皮膜、細線,你能設計一個關于氣體壓強的實驗嗎?學生受“創造性實驗反思策略”中的“能否借用?”和“能否改變?”等策略啟發,很快想到把橡皮膜蒙在氣罐的開口出,然后抽氣,橡皮膜逐漸向氣罐內凹陷,直到緊緊地貼在氣罐內壁．緊接著,筆者又改變思路,拿出一個小鐵盒子,問學生:拔罐能不能幫我們搬東西呢?即“有無其他用途?”各組學生不大自信的討論、動手嘗試,但是很快想到了辦法:把氣罐放在鐵盒蓋上,抽氣,利用大氣壓,成功地把鐵盒搬起來．筆者接著問,如果不用拔罐,而是給你幾臺吸塵器,你能想辦法把一輛轎車搬起來嗎?受拔罐搬運的啟迪,學生很快想到了新辦法:擴大吸塵器和轎車的接觸面積,注意密封性,就有可能把汽車吸起來．筆者表揚學生的同時,展示了科普視頻“街頭物理實驗室”中別人做的這個實驗,確實和學生設想的差不多．同時還展示了生活中利用吸盤搬運玻璃的圖片,期望學生能在平時進行大膽創新,搞小發明、申請專利(筆者所在學校學生已經申請了上百項專利,有一定的基礎)．為了激勵學生開發器材的新用途,培養學生創新,筆者又啟發學生:利用剛才的氣罐和鐵盒子,再加上足量的沙,能在課后設計一個估測大氣壓強的實驗嗎?

為了培養學生思維的發散性,激勵學生“深潛”,筆者又根據“創造性實驗反思策略”中的“能否顛倒過來?”,引導學生反思,剛才的實驗都是排出“瓶中”的氣體,如果給瓶子充氣會怎樣呢?礙于時間和器材限制,筆者演示了自制的簡易水火箭:500mL可樂瓶,橡皮塞加自行車氣嘴．演示時加瓶子容積四分之一左右的水,用橡皮塞塞緊瓶口,讓學生輕輕托在手掌心,瓶子對準教室門,筆者用氣筒猛地打了兩下氣,水火箭瞬間“奪門而出”,“啪”的一聲,射出去十幾米后摔落在地面．學生一片嘩然,非常興奮!筆者趁機拋出問題:你們能在課后改進一下嗎?能不能射的更遠?或者射的更高?然后又問學生:剛才做的水火箭是玩具,在生活中有沒有向瓶中充氣的應用?有的學生想到了碳酸飲料中會充氣,有的學生則想到了香檳酒里會充氣,有的學生則想到了往鋼瓶中充氣,如液化氣、氧氣瓶、氫氣瓶,等等．為了加深學生印象,筆者先是播放了賽車慶功會上賽車手拿香檳酒互射的畫面,然后拿出一瓶罐裝啤酒,猛烈地搖晃幾秒鐘,然后迅速拉開拉環,啤酒一射而出,前排的學生嚇得慌忙躲讓．教室的氣氛空前高漲!然后筆者向學生俏皮地說:別忘了,我們會向瓶中充氣喲!將來哪一天你如果需要用到類似的發明,別忘了今天的收獲啊?

至此,學生在一波又一波的挑戰中,過關斬將,既興奮,又活躍．為了鞏固這節課的成果,筆者又要求學生完成兩個創新設計:

一個實驗是用500mL礦泉水瓶和300mL礦泉水瓶做的,把大瓶子的瓶底切掉,小瓶中加50mL左右的水．筆者先演示小瓶子可以套到大瓶子內部,但是由于重力作用,用手提大瓶子,小瓶子就會掉下來．要求學生利用實驗桌上的常規器材,完成提大瓶子時小瓶子不會掉落．這次各組學生可謂絞盡腦汁,有的嘗試用抽氣機堵在大瓶子瓶口抽氣,失敗!有的則莫衷一是．最后,有一組學生想到了用水,把大瓶子的蓋子擰緊,豎直向下浸沒到水中,然后把蓋子擰緊的小瓶子一半套入大瓶中,再去提大瓶子,隨著水向下流出,小瓶子“乖乖”的被大氣壓壓上去,鉆到大瓶子瓶肚里去了．教室里響起了熱烈的掌聲!一片“創新”成功的掌聲!

另一個實驗如圖2,在瓶子上鉆三個孔,用膠布貼起來,再裝滿水．要求學生揭掉膠布,先觀察現象(第2、3兩孔出水),然后思考如下四個問題——當瓶中水足夠多時: ①如何讓第2孔不出水(不許用手堵住第2孔)?② 如何讓第3孔不出水(不許用手堵住第3孔)?③ 如何讓讓第1孔出水?④ 如何讓3個孔同時不出水(不許用手堵住3個孔)?大氣壓強在液體中可以傳遞,這點學生沒學過．設計這個實驗需要學生在動手的同時進行創新活動,可以使用“創造性實驗反思策略”進行思考,從而得到鍛煉．比如對于第3個問題,有的學生想到了把瓶子倒過來放,對于第4個問題,有的學生想到水平放置瓶子……學生經過討論,雖然艱難,但是最終還是成功地解決了所有問題．

圖2

4 結束語

從學生的“試水”、“暢游”和“深潛”中不難發現,創新并不神秘!不少教師覺得培養學生的創新似乎高不可攀,實際上是因為不了解創新或是因為沒找到培養學生創新的途徑．筆者為了證實上述教學活動的可行性,又在另外班級做了試驗,結果仍然類似,其他學生也能使用各種創新方法完成挑戰．其實,可以用于創新設計的簡易器材很多,氣球、磁鐵、紙張、鐵絲和筷子等生活用品都可以．對培養學生創新感興趣的教師不妨一試,將這種“創新性實驗設計教學”開展起來,讓學生在做中學,在實踐中創新,需占用的課時并不多,但是對學生的創新引領可能是一輩子的事!