物理實驗習題變式教學培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維

孫春成

（江陰市青陽中學，江蘇 江陰 214401）

培養(yǎng)創(chuàng)新思維對學生高質量完成高中學業(yè)，在高考中取得更好的成績大有幫助，也是為民族復興培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新思維的優(yōu)秀人才，助力更多行業(yè)能夠更進一步走在世界前列.新課標賦予了物理課程培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的使命，且物理學科特色也決定了在物理教學中可以挖掘素材培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維.物理實驗習題教學是物理教學中的重要一環(huán)，是物理實驗教學的“最后一公里”，對學生理解實驗原理，升華物理知識，提升認知水平起到重要作用，用好實驗習題的可變性、多變性，對其育人價值進行挖潛，開展變式教學，可以實現對學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng).

1 物理教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的必要性

改革開放40年國家發(fā)展進入新階段，現在我國在很多領域已經處于世界前列，甚至是領先水平，民族復興夢需要越來越多具有創(chuàng)新思維的優(yōu)秀人才引領技術創(chuàng)新.各學段、各學科都應該為培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維貢獻力量，物理作為基礎教育階段非常重視思維的學科更是義不容辭.首先，物理學科追求思維，可以承擔也應該承擔提升學生思維品質，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的任務.2017年修訂的普通高中物理新課程標準凝練了核心素養(yǎng)，指出科學思維“是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格”“主要包括質疑創(chuàng)新”“具有批判性思維的意識，能基于證據大膽質疑”“從不同角度思考問題，追求科技創(chuàng)新”［1］，可見課程標準賦予了物理培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的使命.其次，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維是學生能夠順利完成高中學業(yè)，能夠進入更好的高等學校學習的前提.中國高考評價體系對高考試題命題提出了“一核”“四層”“四翼”的要求，其中“四層”考查內容中的學科素養(yǎng)和關鍵能力都與創(chuàng)新思維密不可分，“四翼”考查要求中特別提出創(chuàng)新性.“四層”考查內容思維方法有一個二級指標為創(chuàng)新思維，“運用開放性、創(chuàng)新性的思維方式應對問題情境”，“提出新視角、新觀點、新方法、新設想”，“創(chuàng)新性地解決生活實踐或學習探索情境中的各種問題”.［2］關鍵能力的思維認知能力群要求“能夠靈活地、創(chuàng)造性地運用不同方法，發(fā)散地、逆向地解決問題”“能夠將所學知識遷移到新情境，解決新問題，得出新結論”.考查要求的創(chuàng)新性提出“發(fā)散思維、逆向思維、批判性思維等思維品質是創(chuàng)新思維的重要特征”，要求“具備良好創(chuàng)新思維的學生能夠擺脫思維定勢的束縛，善于獨立思考，大膽創(chuàng)新創(chuàng)造”.［2］

無論是從國家發(fā)展、民族復興的大局，還是學生個體成長的視角來看都應該培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維.物理教學應該落實課程標準的理念、要求，發(fā)揮學科特色挖掘育人素材，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維.一方面可以讓學生在高中階段更好完成學業(yè)，在高考中能夠取得更好成績，實現進入理想高等學校學習的夢想；另一方面也為國家培養(yǎng)更多具備創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維的人才貢獻力量.

2 實驗習題教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的可行性

物理實驗習題教學是高中物理教學的重要內容之一，可以夯實學生的知識基礎，促進學生發(fā)展，落實立德樹人育人目標.實驗是物理教學夯實基礎概念，促進學生升華知識理解的重要手段.如果實驗開展扎實，對提升概念、規(guī)律、習題的教學效率大有幫助.實驗完成后需要升華理解實驗原理、實驗步驟、數據處理等，除了撰寫實驗報告，還要通過一定數量的實驗習題訓練促進學生的理解，夯實知識基礎.具備扎實的基礎知識，才能敏銳地發(fā)現新問題，找到新思路，才具備創(chuàng)新基礎.

實驗習題變式路徑較多，可以對實驗條件、方案、數據處理、器材、求解問題等進行變化，促進學生多角度、多層次理解知識，實現實驗教學的深度學習.變式為學生靈活地、新穎地解決問題提供了范式.學生融會貫通地運用知識分析、解決具體情境中的問題，靈活地解決問題的能力才能得到提升.

3 對物理實驗習題進行變式教學的策略

3.1 引導學生對實驗數據進行批判質疑

批判是創(chuàng)新的基礎和前提.只有不迷信權威、敢于質疑、敢于發(fā)表不同見解，才能實現想到新方法創(chuàng)造性解決問題.在實驗習題教學中，有不少契機可以讓學生樹立不迷信權威、敢于質疑的意識，例如可以給學生示范對教材、教輔提出批判質疑，并進行修正.

（1）對實驗習題數據合理性的質疑.

實驗應基于事實，數據設置應該符合實際，源于真實的學習探索情境或生活實踐情境，避免胡編亂造，這本身也是滲透“尊重客觀事實、實事求是，正確的世界觀和方法論”的核心價值.然而有些實驗題數據，可能是命題者為了讓學生計算時方便，顯得不夠客觀，一看就很假.例如，圖1是小車拖紙帶做勻變速直線運動打下的點，由圖可知連續(xù)相等時間位移之差相等，都為0.20 cm，分毫不差，高度懷疑是編造的數據.教學中在完成習題設問講授后，讓學生觀察數據，引導學生對數據合理性提出疑問.真實的實驗數據肯定有誤差，過于“完美”反而不真實.

圖1

（2）對實驗習題數據自洽性的批判.

實驗習題情境、數據應在符合客觀實際的基礎上自洽.自洽是物理學科邏輯嚴謹的要求，也是一道習題科學性的基本要求.實驗習題中有時會出現所給數據不自洽，互相矛盾的情況.教學中引導學生發(fā)現實驗習題數據不自洽，并分析數據為何不自洽，如何修改才自洽.這一過程培養(yǎng)了學生獨立、批判、發(fā)散地思考問題的能力，培養(yǎng)了學生用直覺的、頓悟的、靈感的方法創(chuàng)造性地解決問題的能力.

3.2 采用新方法處理實驗數據的方法

處理實驗數據本質是促進學生理解實驗原理，升華認知結構.變換實驗數據處理是促進學生遷移運用所學知識、方法的重要策略.每一個實驗都有一些比較經典的實驗數據處理方法，這些經典的方法往往也是學生在考試、實驗題訓練中常見的，過多的按照經典方法處理數據、分析問題，學生容易陷入思維定勢，不利于學生創(chuàng)新思維的發(fā)展.在實驗習題教學中，有必要適時變換處理數據的方法，以拓展學生的視野，讓學生感受不同方法的差異，激活學生思維，給學生提供創(chuàng)造性解決問題的范例.

求解勻變速直線運動加速度時，一般利用刻度尺測量出相鄰相等時間內的位移，依據Δs=a T2，利用逐差法求解，或者求出紙帶上各計數點之間的瞬時速度后作出v-t圖像求斜率即可得到加速度.在測量勻變速直線運動加速度實驗習題教學中，在完成逐差法、圖像法這兩種核心方法后，有必要呈現如下習題變換數據處理方法，拓展學生視野，鞏固加速度定義式.

習題.某學生用打點計時器測量做勻加速直線運動物體的加速度，電源頻率f=50 Hz，選取零點，每隔4個點取1個計數點，A、B、C、D是依次排列的4個計數點，如圖2所示.因紙帶被污染，僅能讀出其中3個計數點到零點的距離sA、sB、sD.加速度 大小為_____________（用sA、sB、sD和f表示）.

圖2

3.3 變換習題數據記錄方式

實驗數據的記錄方式，會影響學生分析問題的思路，會對學生處理數據產生影響.要學生能夠靈活地、敏銳地解決問題，也需要掌握多種數據記錄方式，明白不同方式之間的差異，掌握記錄數據的本質.這一方面是為了破除學生的思維定式，其次也是為了開闊學生的思路，培養(yǎng)學生的洞察力和思維的敏捷性.

測量勻變速直線運動的加速度實驗記錄紙帶信息一般采用圖1的方式，除了這一記錄方式還有如下兩種可行的方式.

方式1.如圖3，A、B、C、D、E為相鄰計數點，相鄰計數點間的時間間隔T=0.1 s，測量B、C、D、E到A的距離.

圖3

方法2.將紙帶每5個點剪下一段，每一段紙帶一端與x軸相重合，左邊與y軸平行貼在坐標系中，如圖4所示.

圖4

3.4 對實驗習題進行設問變式

設問不僅是給學生提出了解決問題的目標，更是引導學生思考，為學生思維提供方向.物理習題教學應“注重提問品質，引導學生深度思考”，［4］追求優(yōu)質設問引領學生思考，促進學生思維品質提升，使得思維更靈活、深刻、敏捷、嚴謹.注重提問品質除了設問要能夠問到關鍵之處、問到學生易錯之處，還需要依據學生學習實際，進行橫向拓寬設問，縱向拓深追問促進學生對實驗的理解，以期學生透徹掌握實驗本質，能夠應付靈活多變的實驗情境，能夠靈活地、創(chuàng)造性地解決實驗探究中的問題.

以測量勻變速直線運動加速度的實驗為例，更多的要求學生求解中間某一計數點的瞬時速度、利用逐差法或圖像法求解加速度.以圖3為例，解決原題設中設計的典型問題后，可以給學生設計如下結構不良問題.具體為：假設實驗中C點不清晰，只測量了AB、DE距離分別計為s1、s4，如圖5所示，求加速度；求打下C點時紙帶的速度；求打下A、B、D、E點時的紙帶速度.

圖5

3.5 對實驗習題進行多解變式

物理教學中引導學生探尋多解，是學生從不同視角、不同側面、不同層次對物理實驗進行多維度深刻認識的過程，也是讓學生掌握實驗原理與方法必須要經歷的過程和重要途徑.學生透徹理解原理、掌握方法，才能靈活運用，才能實現遷移，才能靈活、敏銳、富有創(chuàng)見地發(fā)現新問題，想到新方法解決問題.很多物理實驗題比較靈活，有多種解法，引導學生進行多解探索，可以拓寬學生視野，同時拓深學生思路，有利于學生生成創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維.

4 結語

培養(yǎng)創(chuàng)新思維能讓學生能更好完成高中學業(yè)，有更多機會進入更好的高等學校深造、走好人生路，也是為社會培養(yǎng)更多創(chuàng)新人才，服務民族復興.實驗習題由于器材、原理、數據處理方法、數據記錄方式等靈活多變，是培養(yǎng)學生思維靈活性、發(fā)散性、敏捷性、縝密性、批判性的優(yōu)質資源，用好實驗習題育人價值可以提高學生思維品質，實現學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，促進學生全面發(fā)展，達成立德樹人目標.物理教師要能意識到物理教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的重要性和可行性，將培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維擺在重要位置，認識到其是培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展的人的重要一環(huán)，善于把握契機、挖掘教學資源的育人價值，充分發(fā)展學生思維品質，實現創(chuàng)新思維的培育.