基于信息交合法的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計

物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)。在中學(xué)物理教學(xué)過程中，實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)，也是物理教學(xué)的重要內(nèi)容、重要方法和重要手段。然而長期以來，由于受各種主客觀因素的影響，實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒有受到應(yīng)有的重視。首先，許多學(xué)校和教師由于受傳統(tǒng)教育觀和應(yīng)試教育指揮棒的影響，普遍存在著重理論輕實(shí)驗(yàn)的思想。教學(xué)方法普遍采用講授法。有的老師甚至認(rèn)為學(xué)生不會動手做實(shí)驗(yàn)不要緊，只要會動筆考實(shí)驗(yàn)就行。由此而引發(fā)了“做實(shí)驗(yàn)不如講實(shí)驗(yàn)”，“講實(shí)驗(yàn)不如背實(shí)驗(yàn)”的荒謬作法，把實(shí)驗(yàn)僅僅作為一種教學(xué)手段或作為理論知識教學(xué)的一種輔助工具.其次，農(nóng)村中學(xué)由于客觀實(shí)際，儀器材料和配備與《課標(biāo)》要求相比大量不足，新課標(biāo)中要求的許多實(shí)驗(yàn)由于缺乏實(shí)驗(yàn)器材而無法開展.第三，原有實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備陳舊；學(xué)校沒有專職的實(shí)驗(yàn)人員，一般都是任課教師兼管[1]。因此，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)在多數(shù)情況下流于形式化、表面化和流程化，成為中學(xué)物理教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，極大地影響著物理課堂教學(xué)有效性的提高，制約著學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升。其實(shí)，如果我們能開發(fā)一些“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，對解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境，尤其對廣大農(nóng)村中學(xué)（包括城鎮(zhèn)中學(xué)）物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展和實(shí)現(xiàn)教育的公平性將具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價值。

一、非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和價值

《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，“實(shí)驗(yàn)室的課程資源不僅限于實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有設(shè)備，學(xué)生身邊的物品和器具也是重要的實(shí)驗(yàn)室資源”。有研究者（張偉，2005）從資源開發(fā)和利用的角度將物理實(shí)驗(yàn)分為兩大類：非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)和常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)。“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)，主要就是指利用學(xué)生熟悉的生活易得物品、廢舊材料、器具、人體或人體局部以及兒童玩具等開發(fā)進(jìn)行的一類體現(xiàn)自創(chuàng)性、體驗(yàn)性、趣味性、簡易性、生活化的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動[2]。

人們在教學(xué)實(shí)踐中早就發(fā)現(xiàn)，與使用“廠家生產(chǎn)的專門器材”做的實(shí)驗(yàn)相比，開發(fā)“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)對于實(shí)現(xiàn)物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”三維課程目標(biāo)具有獨(dú)特的作用，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)所無法取代的，因而是一種有待深入開發(fā)的重要物理課程資源。其深層教育價值主要體現(xiàn)在以下三個方面：

對教師而言，熱衷于實(shí)驗(yàn)研究，致力于實(shí)驗(yàn)開發(fā)，會極大地提高教師自身的教學(xué)水平和教研水平。尤其在非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)中，教師將發(fā)現(xiàn)，自己需要不斷地學(xué)習(xí)和提升自我的理論素養(yǎng)，特別是學(xué)習(xí)新技術(shù)、新材料、新發(fā)明的有關(guān)知識。在提升自我素質(zhì)的同時，也將使更多的學(xué)生體會到物理學(xué)習(xí)的樂趣、意義和價值，為學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，起到很好的引領(lǐng)和示范作用。

對學(xué)生而言，非常規(guī)實(shí)驗(yàn)具有取材的熟悉性、結(jié)構(gòu)的形象性、操作的簡單性、現(xiàn)象的直觀性等特點(diǎn)。利用這些特點(diǎn)，一方面，學(xué)生可以通過熟悉的生活用品所發(fā)生的物理現(xiàn)象去探索物理本質(zhì)，這將會大大拉近學(xué)生與物理的距離，也更好地體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向生活”的新課程理念；另一方面，非常規(guī)實(shí)驗(yàn)由于其取材的便利性和制作的簡單性，可以使實(shí)驗(yàn)器材在數(shù)量上得以保證，這就可以使更多的學(xué)生能夠參與到實(shí)驗(yàn)方案的制定、實(shí)驗(yàn)器具的制作和實(shí)驗(yàn)過程的操作體驗(yàn)中去。在此過程中，學(xué)生的主體地位得以突出，學(xué)習(xí)興趣得以激發(fā)，探究的主動性和積極性將大大提升。這樣做不僅更有利于促進(jìn)學(xué)生手腦并用、發(fā)展學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，同時這也是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)方法教育的很好平臺和途徑。因此，英、美等發(fā)達(dá)國家，十分重視這類實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與應(yīng)用。在我國，雖然這類物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教材中早有體現(xiàn)，在物理教學(xué)中早有運(yùn)用，對其教學(xué)功能也有一些專題研究，但仍沒有引起物理教育領(lǐng)域的普遍重視，既缺乏深入的理論探討，更缺乏系統(tǒng)有效的實(shí)踐探索[3]。

非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效開展，具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價值。不僅可以解決經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)中學(xué)實(shí)驗(yàn)器材不足的困難，為實(shí)現(xiàn)教育的公平性奠定資源基礎(chǔ)；同時，也可以為農(nóng)村中學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備政策提供有益的宏觀政策參考和有效的具體方案支持。

這里需要強(qiáng)調(diào)的是，“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)并不是“非科學(xué)”和“無目的”，恰恰相反，它追求科學(xué)本質(zhì)、崇尚科學(xué)精神，注意培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，追求豐富的教育內(nèi)涵和全維課程目標(biāo)的達(dá)成。

二、信息交合法簡介

非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的開發(fā)是一種創(chuàng)造性的活動，所以實(shí)驗(yàn)的開發(fā)必須以創(chuàng)造學(xué)理論為指導(dǎo)。據(jù)有關(guān)研究資料顯示，現(xiàn)已有數(shù)百種創(chuàng)造技法。學(xué)習(xí)這些創(chuàng)造技法，將會大大開闊我們的視野和實(shí)驗(yàn)開發(fā)的思路。其中信息交合法就是大家公認(rèn)的在各領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的一種創(chuàng)造技法。

信息交合法是華夏研究院思維技能研究所所長許國泰副教授于1983年首創(chuàng)的一種在信息交合中進(jìn)行創(chuàng)新的思維方法。簡言之，就是把物體的總體信息按照其特征和該物體與人類實(shí)踐活動相關(guān)的用途分解成若干個要素，并把這兩種信息要素分別設(shè)為信息標(biāo)的X軸與Y軸，兩軸垂直相交，構(gòu)成“信息反應(yīng)場”，每個軸上各點(diǎn)的信息可以依次與另一軸上的信息交合，從而產(chǎn)生新的信息。

信息交合法有兩個基本論點(diǎn)：一是不同信息的交合可產(chǎn)生新信息；二是不同聯(lián)系的交合可產(chǎn)生新聯(lián)系。依據(jù)這一原理，人們在掌握一定信息的基礎(chǔ)上，通過交合與聯(lián)系可以獲得新的信息，提出新的創(chuàng)造設(shè)想。比如，獨(dú)輪自行車本來與碟、碗、勺等日常生活物品沒有必然聯(lián)系，但雜技演員將它們交合在一起，就構(gòu)成了精彩的雜技節(jié)目。同樣，生活中的各種物品表面上本來也是互不相干的信息，但通過一個實(shí)驗(yàn)主題，我們就可以把它們巧妙地聯(lián)系在一起，為物理教學(xué)服務(wù)。

三、基于信息交合的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計思路

任何一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，總要針對某一具體問題。非常規(guī)實(shí)驗(yàn)開發(fā)的問題來源主要包括以下三個方面[4]：（1）來自物理教學(xué)：為引出某一概念或規(guī)律，為突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)等，均可考慮設(shè)計一個新的實(shí)驗(yàn)；（2）來自于生活用品或材料：生活中的大量物品，大到冰箱、彩電、錄像機(jī)，小到一枚硬幣、紙杯、鉛筆、尺子和橡皮等，都具有物理實(shí)驗(yàn)開發(fā)和利用的價值；（3）來自于其它學(xué)科：即借助其它學(xué)科的原理、方法、設(shè)備、裝置等為物理教學(xué)服務(wù)。如醫(yī)學(xué)上打吊針的裝置就是一件很好的物理儀器，它里面的水總能保持勻速下滴而不受水面高度變化的影響。

【案例1】“來自物理教學(xué)”的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

下面我們將任選一個實(shí)驗(yàn)主題“壓強(qiáng)”進(jìn)行非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計嘗試，具體說明基于信息交合法的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路：其設(shè)計依據(jù)也包括三個方面：首先，教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定；其次，教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)；第三，還要考慮學(xué)校擁有的實(shí)驗(yàn)條件和當(dāng)?shù)厣瞽h(huán)境資源的可利用情況。具體設(shè)計程序如圖所示[5]。

圖1 “非常規(guī)”實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計的一般程序

第一步，確定中心，即確定實(shí)驗(yàn)的主題和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，也就是零坐標(biāo)的設(shè)定——突破壓強(qiáng)教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，即通過實(shí)驗(yàn)探究，幫助學(xué)生形成壓強(qiáng)的概念，理解壓強(qiáng)公式，并知道如何根據(jù)需要增大或減小壓強(qiáng)。

第二步，劃坐標(biāo)線，即圍繞實(shí)驗(yàn)主題，確定坐標(biāo)的橫軸和縱軸——分別為實(shí)驗(yàn)材料和影響壓強(qiáng)大小變化的兩個因素，即受力面積S和壓力F。

第三步：注標(biāo)點(diǎn)，在信息標(biāo)上注明有關(guān)信息點(diǎn)。這是應(yīng)用信息交合法的最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。根據(jù)控制變量法的原則，圍繞控制物體“受力面積和壓力”兩個變量來考察“壓力的作用效果”來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)材料的選擇。根據(jù)本課題要求，我們把實(shí)驗(yàn)設(shè)計重點(diǎn)確定為尋找生活中具有“同一物體各端面積不同”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物品或器具上。為此，我們首先把實(shí)驗(yàn)材料分為文具、服飾（包括鞋）、日常用品、常見工具、人體結(jié)構(gòu)（或膚覺的利用）以及其它類別；然后通過發(fā)散思維，盡可能多地列舉出身邊環(huán)境中方便獲取的每一類可供利用的資源。

本課題中，基本符合要求的實(shí)驗(yàn)材料有：（1）文具類：一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶、書籍等；（2）服飾類（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋與平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、圖釘、勺子、杯子、筷子、兩端粗細(xì)不均的各類瓶子等；（4）常見工具：釘子、刀具、螺絲刀、錐子、斧頭、鏟子等；（5）人體結(jié)構(gòu)（或膚覺的利用）：腳與膝蓋、指肚與指甲、手指與手掌、站立與趴下等；（6）其它類：磚塊、硬紙盒等，或者還可以利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物體各端面積不同”結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的物品。同時，為了突出壓力作用效果，便于學(xué)生觀察和體驗(yàn)，加深學(xué)生對“壓強(qiáng)”概念的理解，我們還需要選擇以下實(shí)驗(yàn)材料對實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行放大：如細(xì)沙、海綿、泡沫板、橡皮泥等，如圖2所示。

圖2 “壓強(qiáng)”概念實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

第四步：相交合，確定實(shí)驗(yàn)的設(shè)計方案。即以一標(biāo)線上的信息為母本，以另一標(biāo)線上的信息為父本，相交和后可產(chǎn)生新信息；接著對這些信息進(jìn)行可行性分析和評估，篩選出有價值的創(chuàng)造設(shè)想。比如橫坐標(biāo)上的信息“受力面積”與縱坐標(biāo)上的信息“文具”相結(jié)合設(shè)計實(shí)驗(yàn)：根據(jù)一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶等文具都具有“一端粗一端細(xì)或兩端面積不同”的結(jié)構(gòu)特征，可設(shè)計如下學(xué)生實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生把鉛筆（或中性筆）夾在兩手的食指之間，稍稍用力，體驗(yàn)兩手指的不同感覺：與鉛筆尖端接觸的手指會感覺痛，同時會看到指肚凹進(jìn)，而與筆端接觸的手指僅有擠壓感。通過這種短暫的體驗(yàn)就可以使學(xué)生充分理解：為什么在壓力相等的情況下，受力面積越小，壓力的作用效果就越明顯——即壓強(qiáng)的值也就越大。

【案例2】“來自生活物品或材料”的非常規(guī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計思路

我們選擇生活常見物品——飲料瓶作為實(shí)驗(yàn)材料，說明實(shí)驗(yàn)開發(fā)思路。根據(jù)信息交合法的設(shè)計原則，我們首先要把飲料瓶的各種物理特性一一列舉出來，如形狀規(guī)則，上端呈圓錐漏斗形，下端多呈圓柱形、空心、底面向內(nèi)凹成碗狀；質(zhì)地柔軟、皮薄易裁剪和加工；可用瓶蓋密封；導(dǎo)熱性良好，遇熱易變形；導(dǎo)電性差，絕緣性好；相同的飲料瓶具有相同的物理性質(zhì)等等；其次，列舉中學(xué)物理教學(xué)中有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究課題，進(jìn)行發(fā)散思維和集中思維。如探究凸透鏡成像規(guī)律、壓強(qiáng)與受力面積的關(guān)系、滑動摩擦與滾動摩擦、物體的浮沉條件、聲音的產(chǎn)生與傳播、熱傳導(dǎo)現(xiàn)象、靜電現(xiàn)象、慣性等等。第三，以飲料瓶的各種特性為信息標(biāo)的X軸，以相關(guān)的物理實(shí)驗(yàn)課題為信息標(biāo)的Y軸，兩軸垂直相交，即構(gòu)成“信息反應(yīng)場”。最后，我們讓每個軸上各點(diǎn)的信息依次與另一軸上的信息交合，研究可以產(chǎn)生哪些新的、有價值的信息，并設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案。具體如下：

選擇飲料瓶的形狀特性，與信息標(biāo)Y軸上的信息相結(jié)合，可以產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究課題有：進(jìn)行滑動摩擦力與滾動摩擦力大小的比較研究；利用飲料瓶兩端面積不同的特點(diǎn)，在瓶中裝入一定量的的沙子后，研究壓強(qiáng)的大小與受力面積的關(guān)系；如果裝入的是不同量的水，則可以探究聲音的音調(diào)。具體做法是：在幾個飲料瓶中盛入不同深度的水，將瓶口移至嘴邊吹氣，可以聽到不同音調(diào)的聲音產(chǎn)生?？諝庵蕉痰模粽{(diào)越高，反之，空氣柱越長，音調(diào)越低。

選擇飲料瓶在擰緊瓶蓋之后具有很好的密封性的特點(diǎn)，自制“浮沉子”實(shí)驗(yàn)裝置，用以研究物體的“浮沉條件”；可以演示氣體液化現(xiàn)象：擰開瓶蓋，滴入幾點(diǎn)乙醚，擰緊瓶蓋后，稍待一會，蒸發(fā)，乙醚液體不見了。當(dāng)用手?jǐn)D壓瓶體時，乙醚液體重新出現(xiàn)在瓶壁上。這表明壓縮氣體體積，氣體被液化。

選擇飲料瓶質(zhì)地柔軟、易裁剪的特性，可設(shè)計如下實(shí)驗(yàn)裝置：第一，用燒熱的針尖在一個大飲料瓶底端燙一個小孔，并用膠帶暫時封住，在將瓶中裝滿水，用來研究液體壓強(qiáng)和深度的關(guān)系；第二，將飲料瓶的瓶底剪掉，用氣球的膠膜包住并繃緊，在用細(xì)線固定。可以用來演示液體對容器底部和側(cè)壁壓強(qiáng)的變化；第三，用大飲料瓶與玻璃管和橡膠塞配合，可以制作一個溢水杯，驗(yàn)證阿基米德原理等等。

選擇飲料瓶透明、易密封的特性，可以演示光的直射、反射、折射現(xiàn)象。具體做法是：找一個比較大的飲料瓶，在其中充滿香煙（或是衛(wèi)生香）的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個簡單的光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質(zhì)中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側(cè)面向瓶底的平面鏡照射時，會清晰地觀察到入射光線和反射光線，給學(xué)生留下深刻的反射現(xiàn)象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時，從側(cè)面向石灰水面照射時，會清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。

此外，選擇飲料瓶皮薄、易導(dǎo)熱的特性，可以研究熱傳導(dǎo)現(xiàn)象；選擇相同的飲料瓶具有相同的物理性質(zhì)這一特點(diǎn)，可以充當(dāng)?shù)攘恐匚铮贿x擇飲料瓶異變形的特點(diǎn)可以演示力的作用效果與力的三要素；可以驗(yàn)證大氣壓強(qiáng)的存在等等。

綜上所述，借助信息交合法，將會大大開拓我們非常規(guī)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)思路，突破思維定勢，使實(shí)驗(yàn)的設(shè)計不再是件令人生畏、遙不可及的事情。普通人只要掌握了一定的創(chuàng)造技法，在思考問題時學(xué)會有意識地利用這些技法，就一定可以開發(fā)出更多的非常規(guī)物理實(shí)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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[4] 廖伯琴主編.中外物理教育改革.長春：東北師范大學(xué)出版社，2001（6）.

[5] 劉炎松著.物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新研究.北京：冶金工業(yè)出版社，2009（3）.（責(zé)任編輯 任洪鉞）