基于觀察和假設(shè)的研究性實驗教學(xué)研究

陳杰

[摘 要]在研究性實驗教學(xué)中，為有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力，我們提出了以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計，即以對實驗現(xiàn)象的觀察而非具體要求為開端，通過觀察實驗現(xiàn)象提出問題，對問題進行理論假設(shè)，最后設(shè)計實驗方案進行論證。觀察是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，從現(xiàn)象到假設(shè)實際上是一種創(chuàng)造性思維的過程，在研究性實驗教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力，就必須要重視觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)。

[關(guān)鍵詞]研究性實驗；觀察；假設(shè)

[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(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力培養(yǎng)的不斷重視，大學(xué)物理實驗教學(xué)不斷加強了設(shè)計性實驗和研究性實驗的教學(xué)。[1][2][3][4]設(shè)計性和研究性實驗要求學(xué)生自行設(shè)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(xué)生體驗發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科學(xué)實驗的過程，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力。在教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計性和研究性實驗要對學(xué)生創(chuàng)新思維進行培養(yǎng)，就必須要重視觀察和假設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

一、觀察和假設(shè)在科學(xué)實驗中的地位和作用

觀察是科學(xué)實驗的基礎(chǔ)，沒有準確而全面的觀察就無法獲得對物理現(xiàn)象的完整認知，也就無法得出正確的物理事實或規(guī)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(guī)律的三大定律奠定了基礎(chǔ)；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(fā)出熒光的現(xiàn)象，他通過深入觀察發(fā)現(xiàn)這種熒光已不是陰極射線，進而發(fā)現(xiàn)了一種新的射線并命名為X射線?？v觀整個科學(xué)發(fā)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(guī)律的一扇窗口?？茖W(xué)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?！?/p>

同樣，假設(shè)在科學(xué)研究中也起著極其重要的作用，當(dāng)面對未知的現(xiàn)象和問題時，就需要做出猜想和假設(shè)，并以此為依據(jù)開展研究。假設(shè)也是科學(xué)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(shè)的基礎(chǔ)上的，有物理學(xué)家評論麥克斯韋方程時說：“絕不要去管什么哲學(xué)，絕不要去管諸如此類的什么東西，只管去猜方程好了?！盵5] 恩格斯總結(jié)自然科學(xué)的發(fā)展史時說道：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說?！?/p>

觀察——假設(shè)是一個連續(xù)的過程，在實驗中，當(dāng)面臨未知現(xiàn)象時，就需要根據(jù)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(guān)系出發(fā)來提出合乎邏輯的理解，這實際上是一個創(chuàng)造性思維的過程。在研究性實驗教學(xué)中，我們要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，就必須要重視觀察和假說的環(huán)節(jié)。

二、加強觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計——以鋁棒的發(fā)聲實驗為例

（一）實驗的基本現(xiàn)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(xiàn)純音（單一頻率）并可延續(xù)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(fù)多次，便可聽到鋁棒發(fā)出很純的聲音，停止摩擦后還可以延續(xù)很長時間。

1.對實驗現(xiàn)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(fù)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(zhì)傳播到波疏介質(zhì)，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(jié)。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(fā)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(zhì)中傳播的速度有關(guān)，其關(guān)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(shè)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(shè)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(fā)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(jù)[λ2]=2L 得：

在誤差范圍內(nèi)，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(dāng)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(xué)設(shè)計

1.實驗的預(yù)習(xí)

（1）實驗現(xiàn)象的觀察

教師以演示實驗的形式展示鋁型材料棒發(fā)聲的實驗，要求學(xué)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(xué)生記錄觀察到的現(xiàn)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(xué)生的觀察越仔細越好，不能漏過每一個細節(jié)，并要求在觀察的基礎(chǔ)上提出不能解釋的現(xiàn)象。

（2）實驗現(xiàn)象的分析和假設(shè)

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

金屬棒發(fā)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(fā)聲頻率之間有什么關(guān)系？

在這一過程中要求學(xué)生查閱相關(guān)的資料，綜合運用所學(xué)知識，形成完整的理論假設(shè)。

（3）實驗的設(shè)計方案

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

學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)報告應(yīng)包括上述三個方面，以紙質(zhì)形式上交。

2.交流討論

學(xué)生上交實驗預(yù)習(xí)報告后，教師要檢查預(yù)習(xí)情況并加以引導(dǎo)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(shè)計方案，讓學(xué)生進行匯報，并進行交流探討，包括假設(shè)是否合理，實驗設(shè)計方案是否可行，經(jīng)學(xué)生修改實驗預(yù)習(xí)報告后進入實驗的操作環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)是相互借鑒和再判斷的一個過程，并非強制性的形成統(tǒng)一的實驗認知，學(xué)生可以根據(jù)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(dǎo)。

3.學(xué)生實驗

學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)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(shù)據(jù)的記錄和分析。主要的實驗內(nèi)容包括：

重復(fù)教師的演示實驗；

測量不同長度和不同材料的金屬棒的發(fā)聲頻率；

研究手指捏在不同位置時的發(fā)聲特點。

4.總結(jié)分析，撰寫實驗報告

對實驗數(shù)據(jù)進行處理，分析發(fā)聲頻率與金屬棒長度和波速之間的關(guān)系，得出金屬棒發(fā)聲的原理，并撰寫實驗報告。

在上述的研究性實驗教學(xué)設(shè)計中，我們從對實驗現(xiàn)象的觀察入手開展實驗，讓學(xué)生經(jīng)歷觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)，學(xué)生只有準確而全面的觀察到實驗現(xiàn)象，如手捏的位置、聲音的特點，并從對這些現(xiàn)象的分析中做出合理的假設(shè)，才能進而設(shè)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(shè)計性實驗相比，學(xué)生多經(jīng)歷了觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)，這是對創(chuàng)造性思維的一種鍛煉。

三、加強觀察和假設(shè)設(shè)計的途徑

（一）轉(zhuǎn)變觀念，提升對觀察和假設(shè)重要性的認識

社會的發(fā)展進步對人才培養(yǎng)提出了新要求，在實驗教學(xué)中不僅要培養(yǎng)學(xué)生基本的實驗技能，更要培養(yǎng)創(chuàng)新性的實驗?zāi)芰ΑＫ蟠髮W(xué)生能做到理論與實際相結(jié)合，具有發(fā)現(xiàn)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(shè)為基礎(chǔ)的研究性實驗教學(xué)。高校教師在長期的傳統(tǒng)實驗教學(xué)中，已經(jīng)形成了自己相對穩(wěn)定和成熟的教學(xué)模式，在思想上由于惰性而不愿去學(xué)習(xí)和做出改變。與此對應(yīng)，在實踐中，以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實驗教學(xué)對高校教師在知識能力上提出了更高的要求，在教學(xué)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(zhuǎn)變教學(xué)觀念[7]，從促進學(xué)生發(fā)展的長遠角度出發(fā)，加強以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實驗教學(xué)的實踐。

（二）加強學(xué)習(xí)，掌握觀察和假設(shè)的規(guī)律和心理機制

從教學(xué)設(shè)計來講，觀察和假設(shè)是一個實驗的設(shè)計環(huán)節(jié)，但觀察和假設(shè)作為一種實驗方法是有其內(nèi)在的規(guī)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(shè)的規(guī)律和心理機制才能更好的進行觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的設(shè)計。教師需要加強這方面的學(xué)習(xí)，重點學(xué)習(xí)和掌握：觀察和假設(shè)的分類與適用范圍；關(guān)于觀察和假設(shè)的心理機制；觀察和假設(shè)法的實施方法與注意事項等。

（三）創(chuàng)設(shè)條件，開發(fā)注重觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的研究性實驗案例

具體的、可行的、有效果的實踐教學(xué)案例能讓教師感受到研究性實驗教學(xué)帶來的優(yōu)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(shè)為基礎(chǔ)的研究性實驗教學(xué)的實踐。當(dāng)前，可供操作的以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實驗教學(xué)案例還比較缺乏。為此，必須要加強實驗教學(xué)案例的開發(fā)[8]。具體可以在傳統(tǒng)的研究性實驗教學(xué)中加入觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)；把現(xiàn)實生活中的實際運用開發(fā)為研究性實驗教學(xué)案例；將演示實驗轉(zhuǎn)化為研究性實驗等。

四、結(jié)語

設(shè)計性實驗和研究性實驗的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，但目前的設(shè)計性和研究性實驗大多是從實驗要求開始的，學(xué)生根據(jù)實驗要求設(shè)計實驗方法并自主完成實驗數(shù)據(jù)的測量和分析，在這一過程中對學(xué)生的實踐能力的培養(yǎng)起到了很好的作用，但不符合創(chuàng)新能力的思維機制，為此我們必須要重視觀察和假設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 王秋芬.設(shè)計性、研究性實驗對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].大學(xué)物理實驗，2006（9）：88-91.

[2] 何永凡，周紅，周曉兵，等.利用大學(xué)物理實驗平臺培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力[J].實驗技術(shù)與管理，2016（6）：180-183.

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

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

[5] 王德春.語言學(xué)通論[M].南京：江蘇教育出版社，1990.

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

[7] 黃蘭芳.大學(xué)生實驗?zāi)芰ε囵B(yǎng)的思考[J].大學(xué)教育，2013（8）：36-37.

[8] 朱春玲，李梅，馮靜，等. 基于培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才的實驗教學(xué)改革[J].大學(xué)教育，2014（6）：19-20.

[責(zé)任編輯 鐘 嵐]