巧用物理實驗設計 培養(yǎng)學生創(chuàng)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(chuàng)新,是社會賴以發(fā)展的重要動力;創(chuàng)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(fā)展,在迫切地呼喚更多的創(chuàng)新,期待教育界能培養(yǎng)更多的創(chuàng)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(yǎng)”[1]中,明確指出培養(yǎng)學生“實踐創(chuàng)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(nèi)容,還是教學評價等諸多因素,離培養(yǎng)學生有效的“實踐創(chuàng)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(chuàng)新”的痕跡．有的教師即使有培養(yǎng)學生創(chuàng)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(yǎng)學生創(chuàng)新看得很神秘．其實,在物理教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)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(jīng)歷“創(chuàng)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(yǎng)學生創(chuàng)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(jié)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(jīng)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(fā)散,對培養(yǎng)學生的創(chuàng)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(chuàng)造技法,這也是許多項目研發(fā)時經(jīng)常用到的創(chuàng)新技法．為了更好的發(fā)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(fā)表自己想法,組員之間不能打斷彼此的發(fā)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(chuàng)新的增長點．

經(jīng)過一番“試水”,各組學生匯報了自己的實驗設計．為了節(jié)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(jié)果比較發(fā)散．基本上涵蓋了聲現(xiàn)象、熱現(xiàn)象、光現(xiàn)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(diào)不同;透過裝水的瓶子看近處書上的字有放大現(xiàn)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(guī)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?qū)挕?即設計的量還不夠多,思維不夠發(fā)散;二是“不夠深”,即設計的實驗大多數(shù)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(jīng)過問題暴露后,學生懷著無限疑問等著教師的指導,內(nèi)心已經(jīng)寵寵欲動,為下一步的創(chuàng)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(chuàng)新

為了解決學生實驗設計“不夠?qū)挕钡膯栴},筆者在課上送給學生一個“錦囊妙計”,引入了創(chuàng)造技法中的“組合創(chuàng)造法”[4]——指用一定的技術(shù)原理、功能、目的,將兩個或兩個以上的技術(shù)、物質(zhì)、方法、產(chǎn)品,進行合理的組合,形成新產(chǎn)品．甚至把原產(chǎn)品分割,重新排列組合成新產(chǎn)品或?qū)⒍鄠€單一產(chǎn)品組合成一個新產(chǎn)品的方法．組合創(chuàng)造法是最通用的創(chuàng)造技法之一．然后指導學生借鑒“組合創(chuàng)造法”,嘗試把瓶子和已經(jīng)學過的一些知識點相組合,設計更多的物理實驗,并把結(jié)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(fā)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(xiàn)象中的四個知識點: ① 聲音是由物體振動產(chǎn)生的; ② 聲音要靠介質(zhì)傳播,真空不能傳播聲音; ③ 樂音的三要素:音調(diào)、響度、音色; ④ 噪聲．列舉了和力相關(guān)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(tài)．列舉了和壓強相關(guān)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(guān)系．列舉了和光現(xiàn)象相關(guān)的5個知識點: ① 光在均勻介質(zhì)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(jīng)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(guān)的實驗設計都有好幾個,學生所設計的實驗在數(shù)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(chuàng)造法”的威力得以充分體現(xiàn)．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(chuàng)造法”,學生成功解決了實驗設計“不夠?qū)挕钡膯栴}．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(chuàng)造法”的妙處和培養(yǎng)學生的發(fā)散思維．在課后,可以要求每位學生繼續(xù)練習使用“組合創(chuàng)造法”,讓學生在實踐中掌握“組合創(chuàng)造法”,既能體驗創(chuàng)新的樂趣,又能激發(fā)學生創(chuàng)造的欲望．如果再經(jīng)過適當?shù)囊龑А⒎磸偷膭?chuàng)新實踐,說不定就能提升一群學生的創(chuàng)新素養(yǎng)．

圖1

3 在“深潛”中深入創(chuàng)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(jù)“奧斯本檢核表法”[5]創(chuàng)生的“創(chuàng)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(jīng)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(shù)據(jù)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(tǒng)一協(xié)調(diào),能否進行適當?shù)亟M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(shù)、溫度、壓強、質(zhì)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(nèi)裝? ⑦ 能否重新調(diào)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(diào)整速度?能否調(diào)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(xiàn)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(chuàng)造技法之母,根據(jù)她派生出的新創(chuàng)造技法就有很多．根據(jù)她創(chuàng)生的“創(chuàng)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(fā)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(yǎng)學生的創(chuàng)新很有效．為了讓學生在短時間內(nèi)學習和體驗“創(chuàng)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(guān)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?shù)囊龑?沒有讓學生自由發(fā)揮,因為那樣在短短的課內(nèi)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(chuàng)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(guān)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(fā)表明氣體有壓強……為了活躍氣氛和激發(fā)學生創(chuàng)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(guān)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(chuàng)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(fā)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(chuàng)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(guī),把創(chuàng)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(zhuǎn),拿起瓶子吸在臉上,問學生:在我國中醫(yī)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(guān)于氣體壓強的實驗嗎?學生受“創(chuàng)造性實驗反思策略”中的“能否借用?”和“能否改變?”等策略啟發(fā),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(nèi)凹陷,直到緊緊地貼在氣罐內(nèi)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(chuàng)新,搞小發(fā)明、申請專利(筆者所在學校學生已經(jīng)申請了上百項專利,有一定的基礎)．為了激勵學生開發(fā)器材的新用途,培養(yǎng)學生創(chuàng)新,筆者又啟發(fā)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(yǎng)學生思維的發(fā)散性,激勵學生“深潛”,筆者又根據(jù)“創(chuàng)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(huán),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?qū)W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(fā)明,別忘了今天的收獲啊?

至此,學生在一波又一波的挑戰(zhàn)中,過關(guān)斬將,既興奮,又活躍．為了鞏固這節(jié)課的成果,筆者又要求學生完成兩個創(chuàng)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(nèi)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(guī)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(chuàng)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(xiàn)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(chuàng)新活動,可以使用“創(chuàng)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(jīng)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(jié)束語

從學生的“試水”、“暢游”和“深潛”中不難發(fā)現(xiàn),創(chuàng)新并不神秘!不少教師覺得培養(yǎng)學生的創(chuàng)新似乎高不可攀,實際上是因為不了解創(chuàng)新或是因為沒找到培養(yǎng)學生創(chuàng)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(jié)果仍然類似,其他學生也能使用各種創(chuàng)新方法完成挑戰(zhàn)．其實,可以用于創(chuàng)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(yǎng)學生創(chuàng)新感興趣的教師不妨一試,將這種“創(chuàng)新性實驗設計教學”開展起來,讓學生在做中學,在實踐中創(chuàng)新,需占用的課時并不多,但是對學生的創(chuàng)新引領可能是一輩子的事!