在物理實驗設(shè)計中進行思維變通性訓(xùn)練的教學(xué)探索

劉祖鴻

摘要：通過對思維的流暢性、變通性、獨創(chuàng)性和辯證性的訓(xùn)練，可以促進學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，其中思維的變通性體現(xiàn)了思維的靈活性。本文從實驗功能的轉(zhuǎn)變、實驗問題的解決和實驗方案的優(yōu)化三個方面闡述了在物理實驗設(shè)計教學(xué)中進行創(chuàng)新思維能力變通性訓(xùn)練的教學(xué)探索。

關(guān)鍵詞：實驗設(shè)計；思維變通性；教學(xué)訓(xùn)練

一、在實驗功能的轉(zhuǎn)變中實現(xiàn)思維的變通性訓(xùn)練

1.通過改變實驗儀器功能訓(xùn)練變通性思維

儀器在實驗中的使用多數(shù)情況下是實現(xiàn)該儀器的基本功能，但在實際操作中由于實驗條件的限制，儀器的功能需要進行拓展甚至于改變該儀器的本原用途方能達成實驗任務(wù)的完成，這就要求學(xué)生在進行實驗設(shè)計時學(xué)會對儀器進行變通使用，教師在教學(xué)中應(yīng)適當(dāng)設(shè)置這類問題讓學(xué)生解決以達成對學(xué)生的思維變通性訓(xùn)練。

案例一：利用兩個靈敏電流計設(shè)計一個探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗。

分析：這個案例中通過撥動其中一個電流計的指針，從另一個電流計中觀察產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小及方向探究電磁感應(yīng)規(guī)律，其中一個電流計的作用是用來測量感應(yīng)電流用的，而另一個電流計則是用來產(chǎn)生感應(yīng)電流的。要達成該實驗方案的設(shè)計，一方面要求學(xué)生已熟練掌握磁電式電流計的的基本結(jié)構(gòu)原理，另一方面要求學(xué)生積極啟動逆向思維實現(xiàn)電流計功能的轉(zhuǎn)變。

通過這個案例，要讓學(xué)生明白：對儀器的變通使用已不僅僅表現(xiàn)為對儀器自身功能的拓展上（如學(xué)生已有的將電流計改裝成電流表、電壓表、歐姆表的變通經(jīng)驗），還體現(xiàn)在對儀器功能根據(jù)實際需要結(jié)合儀器自身特點的顛覆性使用上（如本案例中將電流計當(dāng)發(fā)電機使用）。

2.通過改變實驗裝置功能訓(xùn)練變通性思維

（1）利用相同裝置實現(xiàn)不同的實驗功能。

實驗在科學(xué)研究中主要有探究功能、驗證功能和測量功能等，為實現(xiàn)不同的實驗功能，則意味著實驗?zāi)康摹⒎椒?、?shù)據(jù)處理方式及結(jié)果討論的不同。因此在實驗教學(xué)中改變實驗功能引發(fā)學(xué)生積極思考能夠有效地進行思維的變通性訓(xùn)練

案例二：若將物理教材中《驗證力的平形四邊形定則》改為《探究合力與分力的關(guān)系》，則應(yīng)進行怎樣的變通性設(shè)計？

分析：該案例中將將實驗的驗證功能轉(zhuǎn)變?yōu)樘骄抗δ?。雖然兩個實驗可用同一套器材，但實驗方法已發(fā)生了質(zhì)的變化，重點體現(xiàn)在對數(shù)據(jù)處理方法上的改變，兩個實驗的作圖方法如圖所示

從圖中可以看出，驗證性實驗是通過平行四邊形定則求出合力的理論值對實驗值相比較進行驗證，而探究性實驗的目的在于通過多次實驗找到合力與分力的關(guān)系從中找到力的合成遵循平行四邊形定則的規(guī)律。實驗功能的改變意味著學(xué)生在實驗設(shè)計中要根據(jù)實驗需要進行變通以達到對變通性思維的訓(xùn)練，教師在教學(xué)中可充分挖掘現(xiàn)有實驗資源，通過類比、遷移有意識的訓(xùn)練學(xué)生的變通性思維。

（2）利用相同裝置實現(xiàn)不同的實驗?zāi)繕恕?/p>

在實驗設(shè)計中，對同一套裝置進行微小的調(diào)整則能達到不同的實驗?zāi)康?，在這個調(diào)整中隨著實驗方案的調(diào)整，就要求實驗者學(xué)會變通以實現(xiàn)最終的實驗?zāi)康摹?/p>

案例三：在對2008年全國高考理綜卷Ⅰ實驗題的改造中訓(xùn)練學(xué)生的變通性思維。

原題：如圖所示，兩個質(zhì)量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1>m2，現(xiàn)要用此裝置驗證機械能守恒定律?！?/p>

該方案相對于物理教材中《用落體法驗證機械能守恒定律》更具實驗價值。

①從研究對象看，本方案由單個物體轉(zhuǎn)為研究多個物體組成的系統(tǒng)更有助于學(xué)生對機械能守恒定律的深化理解；

②從學(xué)生的能動性看，由于學(xué)生認為自由落體運動中機械能守恒是理所當(dāng)然的，對實驗的操作興趣并不高，而改為圖示方案更能引起學(xué)生興趣，激發(fā)探索欲望；

③從培養(yǎng)學(xué)生動手能力上看，《落體法》的實驗操作與《物理1》教材中《用紙帶測重力加速度》的操作流程是相類似的，使用圖示方案更有利于培養(yǎng)學(xué)生動手能力；

④從知識應(yīng)用角度看，對單個物體的運動學(xué)生用“動能定理”的知識就能解決，“機械能守恒定律”更常用于解決系統(tǒng)問題，因此用圖示方案更有利于培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用能力；

⑤從實驗功能上看，圖示裝置中A、B物體的質(zhì)量關(guān)系的變化將導(dǎo)致其運動的加速度的變化，通過對方案的改造能實現(xiàn)更多的功能，非常適合用于訓(xùn)練學(xué)生的變通性思維。

變式一：原題中通過測量A、B物塊下落及上升的距離和時間的方法來計算系統(tǒng)重力勢能的減少量和動能增量以驗證機械能守恒定律，在實際操作中對測量的要求很高，為讓該方案適合用于學(xué)生實驗，要求學(xué)生對測量方法進行改造。

分析：本實驗的測量重點在于物體速度的測量，測速度的常用方法有用“光電門”和“紙帶”測速度，在教師引導(dǎo)下讓學(xué)生完成如圖所示測量方案的設(shè)計。

變式二：若對裝置做適當(dāng)改造還可實現(xiàn)哪些實驗?zāi)康摹?/p>

分析：①通過改造用于探究（或驗證）牛頓第二定律，將方案中M、m兩物體用小鐵盒代替，在小鐵盒內(nèi)裝數(shù)量不同的小鋼珠（要求每個鋼珠質(zhì)量相同）。實驗方法為——若要控制質(zhì)量（M+m）不變，研究加速度與合外力的關(guān)系，則可每次從右邊盒子中取一個小鋼珠放入左邊盒子中，其合外力（M-m）g隨即增大，打出紙帶并求出加速度；若要控制合外力不變，研究加速度與質(zhì)量的關(guān)系，則可在兩邊盒子中同時增加或減少相同數(shù)目的鋼珠實現(xiàn)質(zhì)量的變化而合外力不變，打出紙帶并求出加速度。

②通過改造用于測質(zhì)量，圖中m的質(zhì)量已知，通過打出的紙帶求出加速度，則待測物體M的質(zhì)量可由M=g+ag-am算出，由于阻力影響測量值比真實值小，該方案只能用于沒有直接測量工具條件下的變通性粗略測量。

③用于測重力加速度，根據(jù)打出的紙帶求出加速度a，則g=M+mM-ma

要引導(dǎo)學(xué)生明白，以上有些設(shè)計方案并不是實現(xiàn)同一目標中最佳的，但在對同一裝置的改造中實現(xiàn)功能的改變，在發(fā)散性的思考中實現(xiàn)思維的變通性訓(xùn)練，有利于提高自身的實驗設(shè)計能力。

二、在實驗問題的解決中實現(xiàn)思維的變通性訓(xùn)練

1.通過實驗原理方法的多樣性訓(xùn)練變通性思維

在物理實驗設(shè)計中，同一實驗?zāi)繕丝梢杂枚喾N方法來實現(xiàn)，教師通過引導(dǎo)讓學(xué)生積極思考組合已有知識和經(jīng)驗從不同渠道和手段完出實驗設(shè)計，實現(xiàn)對學(xué)生的思維變通性訓(xùn)練。

案例四：設(shè)計多種方案測電表內(nèi)阻。

從下表中選出適當(dāng)?shù)膶嶒炂鞑模O(shè)計電路來測量電流表A1的內(nèi)阻r1

導(dǎo)線若干，電鍵K單刀單擲開關(guān)兩個，單刀雙擲開關(guān)一個 分析：該案例涉及到測電阻的多種方法的應(yīng)用，有伏安法、替代法、半偏法、電橋法等，即便應(yīng)用同一方法也可能存在多種設(shè)計方案。

2.通過數(shù)據(jù)處理方法的多樣性訓(xùn)練變通性思維

在對實驗數(shù)據(jù)的處理中常用到兩種基本方法：計算法和圖象法。學(xué)生在從計算法到圖象法的遷移中即已體現(xiàn)了思維上的變通，而用圖象法處理數(shù)據(jù)時，為讓圖象更具直觀性和科學(xué)性，有時需將非線性函數(shù)轉(zhuǎn)化為線性函數(shù)處理（如將U=RR+rE轉(zhuǎn)化為1U=1E+rE·1R，而后建立1U—1R坐標作出圖象求E、r），在這個處理過程中學(xué)生的變通性思維更能得到了訓(xùn)練與提高。

三、在實驗方案的優(yōu)化中實現(xiàn)思維的變通性訓(xùn)練

優(yōu)化實驗方案的目的在于讓實驗操作更簡單，讓實驗現(xiàn)象更明顯，讓實驗結(jié)果更準確。因此在進行實驗設(shè)計時，設(shè)計者從實驗?zāi)康某霭l(fā)，確定實驗原理，選擇實驗儀器并進行優(yōu)化組合，最終形成方案，在這個過程中，設(shè)計者總會碰到一些設(shè)計思路上的障礙或在多種方案中權(quán)衡抉擇問題，這就迫使設(shè)計者要學(xué)會靈活變通，進而設(shè)計出最佳實驗方案。

1.在優(yōu)化實驗方法中尋找變通的靈感

在實驗設(shè)計中發(fā)現(xiàn)問題，分析問題、解決問題的過程中，為使問題得到解決要求實驗設(shè)計者在設(shè)計過程中學(xué)會變通，使得實驗方案得到進一步優(yōu)化具有更強的可操作性。

案例五：《探究摩擦力的決定因素》的實驗方案設(shè)計。

分析：從實驗?zāi)康某霭l(fā)，設(shè)計者最容易得到的方案如圖甲所示，這個方案主要存在兩大方面缺陷，其一不能保證滑塊勻速運動從而出現(xiàn)彈簧秤讀數(shù)不穩(wěn)定且彈簧秤示數(shù)并不一定等于摩擦力，其二彈簧秤始終處于運動中導(dǎo)致讀數(shù)有困難。為改進方案，實驗者可設(shè)計出如圖乙所示方案進行優(yōu)化，該優(yōu)化設(shè)計充分體現(xiàn)了逆向思維方法在設(shè)計中的變通性應(yīng)用。但該方案存在的不足之處在于由于木板長度決定了實驗發(fā)生過程時間太短使讀數(shù)顯得匆忙，且實驗操作者的關(guān)注點更集中在如何拖動木板上從而忽略了對彈簧秤讀數(shù)的記錄，為彌補這一不足，可采用傳送帶代替木板進行實驗，方案如圖丙所示。

在這個案例中，為讓實驗具有更強的可操作性，要求設(shè)計者充分調(diào)動逆向思維能力和等效替代的思想等對實驗方案進行優(yōu)化，在完成實驗設(shè)計的同時也對學(xué)生的變通性思維進行了訓(xùn)練。

2.在突破定勢思維障礙中尋找變通的靈感

學(xué)生在進行實驗設(shè)計中往往會由于原有設(shè)計的成功經(jīng)驗而形成思維上的定勢，而定勢思維則是創(chuàng)造性思維的最大障礙。這就要求教師在教學(xué)中有意識的設(shè)置一些較為異類的問題，讓學(xué)生利用原有方法解決問題時出現(xiàn)困難，逼迫學(xué)生不得不另想辦法，尋求更佳方案，以達成對學(xué)生思維變通性的訓(xùn)練目的。

案例六：《伏安法測電阻》實驗內(nèi)、外接法的選擇。分析：在選擇內(nèi)、外接法測電阻的實驗設(shè)計中，學(xué)生已固有的思維方式是小電阻用外接法、大電阻用內(nèi)接法，為避免學(xué)生由于思維定勢造成實驗設(shè)計的錯誤，教師應(yīng)有意識地制造一些思維障礙以訓(xùn)練學(xué)生的變通性思維能力

變式一：所給器材中電壓表、電流表的內(nèi)阻或待測電阻的大約阻值未知。

分析：學(xué)生判斷待測電阻是大電阻還是小電阻的固有方法是通過比值比較法判斷（即通過比較RVRx與RxRA的關(guān)系進行判斷），在該例中該方法已無法直接應(yīng)用，則要求學(xué)生學(xué)會變通尋求其它方案進行解決（如用試觸法等）

3.在對實驗誤差分析中尋找變通的靈感

對實驗方案進行優(yōu)化的最終目的在于獲得盡可能準確的實驗結(jié)果，因此在進行實驗設(shè)計時，通過分析實驗誤差來源，尋找減小實驗誤差的方法對實驗方案進行優(yōu)化能有效地訓(xùn)練學(xué)生的思維變通性。

案例七：從分析《伏安法測電源電動勢和內(nèi)電阻》的實驗誤差中優(yōu)化實驗方案。

分析：該實驗的兩個基本測量電路如圖所示，兩個方案存在電表內(nèi)阻引入的誤差，要從原理上盡可能地減小該系統(tǒng)誤差，在分析誤差來源及對測量結(jié)果的影響的過程中能為優(yōu)化實驗方案提供靈感。其分析思路如下。

（1）若考慮到a圖電路中電壓表的分流作用，則電壓表讀數(shù)與電流表讀數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下式U=RVRV+rE-RVrRV+rI，其圖象如圖c中的直線1，可得E測=RVRV+rE

（2）若考慮到b圖電路中電流表的分壓作用，則電壓表讀數(shù)電流表讀數(shù)的函數(shù)關(guān)系如下式U=E-（RA+r）I，其圖象如圖c中的直線2，可得E測=E真，r測=RA+r>r真

（3）綜合考慮兩實驗的誤差及圖象特點，可以看出直線1的橫軸截距是準確的，直線2的縱軸截距是準確的，從中可以得到啟發(fā)：分別用兩個實驗測得直線1、2后連接出直線3，利用直線3的截距和斜率求得E和r，利用這種方法至少在原理上消除了電表內(nèi)阻引入的誤差，實現(xiàn)了實驗方案的優(yōu)化設(shè)計。

盡管這個實驗方案在實際測量操作中并沒有十分的必要，但從實驗設(shè)計教學(xué)的角度來說，進行上述設(shè)計一方面能讓學(xué)生對實驗誤差有更為透徹的分析，另一方面在精益求精的優(yōu)化設(shè)計中能讓學(xué)生養(yǎng)成更為嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，同時也實現(xiàn)了對思維能力上的變通性訓(xùn)練。

參考文獻：

[1]黃希庭.心理學(xué).上海教育出版社.1997

[2]廖伯琴等.普通高中課程標準實驗教科書.山東科學(xué)技術(shù)出版社.2004

（作者單位：福建省壽寧一中 355500）