让学生在实验中提升思维品质

来源:用户上传      作者: 蔡德禄

　　摘 要： 培养学生的物理思维，提升学生的思维品质是高中物理教学的重中之重。本文分析了物理实验的要素，探讨了在高中物理实验中提升学生的物理思维品质的方法。
　　关键词： 高中 物理实验 实验教学 思维品质
　　
　　高中物理实验作为完成物理教学任务的重要方法和必要手段，是整个物理教学的基础。物理教学的三维目标的实现，均离不开实验教学。物理实验具有融科学观察、动手操作、物理思维于一体的特点，这就决定了物理实验为培养、完善学生的物理思维品质提供了丰富的素材。教师应该深入分析、挖掘物理实验教学在学生思维品质培养上的各种有利因素，增强实验教学培养思维品质的有效性、针对性和可操作性。
　　
　　一、把握实验原理，提升思维的深刻性
　　
　　实验原理的把握包括对原理的深刻理解，以及原理在实验各个环节的落实应用。该过程实质上是揭示物理实验的内在本质的一种深刻性思维过程，可有效地培养学生物理思维的深刻性。为此，教师在实验教学中，首先应针对实验的目的，启发学生根据已有的物理知识经验，得出制约实验的内在依据――实验原理。在中学物理学生实验范围内，实验原理主要表现为实验依据的物理规律。诸如，测量性实验中的待测物理量的量度公式，验证性实验中所要验证的物理定律等。其次应在学生全面理解实验原理的基础上，结合现有的实验条件，引导学生通过具体分析，明确实验的研究对象，选取恰当的实验器材，确定合理的实验步骤，确定实验的关键――如何控制实验条件，知道实验误差的可能来源，以及减少误差的具体办法，等等。这样，实验原理即成为学生头脑中的一条思维主线，贯穿于实验过程的各个具体环节。学生在实际动手操作之前，已先在头脑中进行了积极的思维操作，正是这种深刻的物理思维过程，保证着实验有序顺利地进行。
　　例如我指导学生尝试利用小车探究验证加速度与力、质量的关系实验，首先让学生全面把握实验的原理：在质量一定时，加速度与合外力成正比；在合外力一定时，加速度与质量成反比。接着根据实验原理，引导学生展开严密的物理思维得出：实验的研究对象――运动的小车；实验的方法――控制变量法；实验的步骤――控制实验条件（保持小车质量一定时，探究加速度跟力的关系），得到研究对象在不同拉力下的加速度值（保持小车所受拉力一定时，探究加速度与质量的关系），得到研究对象在不同质量下的加速度值；实验的注意事项――要平衡小车的摩擦力、拉小车的钩码的质量应远小于小车的质量等；实验数据的处理――用直观形象的a―F、a―m、a―1/m图线；实验误差――主要来自小车的摩擦力没有完全被平衡，拉小车的钩码的质量没有远小于小车的质量，等等。
　　通过上述积极的物理思维，学生对实验中各个环节的因果关系有了全面、深刻的认识，深入了解了物理现象的内
　　在本质，从而有效地培养了学生物理思维的深刻性。
　　
　　二、掌握实验方法，培养思维的灵活性
　　
　　实验方法和实验模型作为实验的理想“框架”，具有很强的概括性和极大的迁移价值。教学中有意识地使学生掌握各种常用的实验方法，并用以解决新的实验问题，能有效地培养学生物理思维的灵活性。为此，在实际教学中我们要注意以下几个方面：
　　首先，使学生深刻领会实验的设计思想。作为实验方法的精华，实验设计思想是物理智慧的集中体现。在教学中教师应通过对一些经典实验的全面剖析，引导学生概括出其中独特的设计、巧妙的构思，以有效地启迪物理智慧，为培养学生物理思维的灵活性奠定基础。如，卡文迪许扭秤实验中测定微小量的转化放大的实验思想，光的干涉实验中将一束光分为两束从而得到相干光源的巧妙设计，库仑实验中改变带电体电量的巧妙构思，验证碰撞过程动量守恒实验中以平抛运动的水平位移代替碰撞前后的瞬时速度的等效替代思想，等等，均是实验设计思想的丰富素材。
　　其次，提供新的实验情景（诸如改变实验目的要求，改变实验的器材等），要求学生运用已掌握的实验方法及实验模型，构思新的实验方案，解决新的实验问题。例如，学生从测定光的折射率实验中掌握了用插针法确定光线的方法后，可将其灵活迁移到验证光的反射定律、测定玻璃的临界角、测定透镜的折射率等新的实验情景中。再如，图像法作为处理实验数据、探索物理规律的重要方法，具有极大的迁移价值。学生最早从探究匀变速直线运动速度规律实验中掌握了图像法之后，可将它应用于多种不同的实验情景中，诸如电源电动势内阻的测定、研究胡克定律等。这种将具有概括性的实验方法向新实验的迁移，能有效地培养学生物理思维的灵活性。
　　再次，要求学生根据给定的实验目的，提出尽可能多的实验方案，或者运用同样的实验装置，完成多个实验，以有效地培养学生物理思维的发散性和灵活性。例如，在测量重力加速度实验中，可启发学生提出多种实验方案，如用打点计时器的自由落体法、滴水法、斜面上运动的动力学法、单摆法、圆锥摆法等。再如，应用电池、变阻器、电流表、电压表、开关等器材，要求学生完成多个实验，如验证部分电路和闭合电路的欧姆定律，测量电阻，测量电源的电动势和内电阻，研究电源输出功率的变化规律，等等。
　　
　　三、反思评价实验结果，提升思维的批判性
　　
　　对实验得出的结论，教师要引导学生用批判性的眼光加以全面审视，从中发现问题，分析其中的物理原因，提出新的见解，以有效地培养学生物理思维的批判性。
　　首先，在实验教学中，引导学生对实验的结果不盲目迷信，要善于质疑，辨明真伪。有一些实验（如用小球在斜面上滚动验证力和加速度成正比），尽管实验显示的结果与实验原理预想的相吻合，但未必说明此实验原理就一定没有问题。另一些实验，课本中的叙述并不严密准确（如验证机械守恒定律实验中要求用前面两打点的间距为2mm的纸带）。还有一些实验，它所显示的结果是一种假象，并不能真正说明物理规律，诸如，将音叉振动后旋转能听到忽强忽弱的声音说明声波干涉，用与感应圈接通的阴极射线管发出的阴极射线使其下方的小磁针偏转来说明运动电荷的磁效应，用一对平行金属板（与感应圈相连）在充、放电时其内部的小磁针发生偏转说明变化的电场产生磁场，等等。对这些似是而非的实验，学生往往会被实验的假象所迷惑。教师要引导启发学生运用已有的物理知识，对此进行周密、深刻的分析，找出其中的问题，揭示实验现象的真实原因。如对阴极射线下方小磁针偏转的现象，产生的真实原因并不是阴极射线激发的磁场（此磁场极弱，不足以使小磁针发生偏转），而是感应圈工作时强大的磁场所致。利用这种排除假象、去伪存真的积极的物理思维，能有效地培养学生物理思维的批判性。
　　其次，要求学生尊重实验事实。由于各种原因，实验的结果与预期的实验目的可能并不完全符合。诸如，在探究加速度与力、质量关系的实验中测得的a―F图线往往不是严格的直线；在描绘等势线实验中得到的等势线在导电纸的边缘处与理论上的存在着较大的差别，等等。这时，教师要引导学生本着实事求是的科学态度，对实验事实作出客观、公正的评价；通过对实验过程的全面反思，仔细分析造成实验误差的原因，进而提出改进实验的新设想。切忌为了迎合实验要求而随意篡改实验事实，从而既培养学生的科学态度，又训练学生物理思维的批判性。
　　
　　四、加强探索性实验，提升思维的独创性
　　
　　在物理实验中，实验方案的构思与设计是实验获得成功的重要环节，是培养学生思维创造力的关键。探索性实验要求学生独立构想实验方案，能有效地培养学生物理思维的独创性。

　　1.提出课题。在创设一种有利于学生探索与研究的情景的基础上，可以直接向学生提问或由学生自己提出相应的实验课题。比如：“如何设计实验测量电源的电动势、内阻？”“如何探索试管（内置重物）在水中处于稳定平衡的条件？”等。
　　2.自主设计。针对提出的课题，学生独立地对已有的知识、方法加以新的组合分析，提出理论假设，构思实验方案。如在“探索浮体（内置重物的试管）的稳定性”实验中，首先，学生利用已有的相关知识，提出浮体在水中处于稳定平衡的假设――物体整体重心位于浮心下方；接着，根据假设，设计实验方案，确定实验步骤。
　　3.观察操作。学生根据自主设计的实验方案，运用仪器独立地进行实际操作，控制实验条件，观察实验现象，记录实验数据。如在“探索浮体稳定性”实验中，学生主动控制实验条件――改变试管中硬币的个数，用悬挂法测得试管相应的重心位置，用稳定平衡法测得试管的浮心位置，并将测得的结果填入相应的表格中。
　　4.分析归纳。学生对实验操作中观察到的现象、测得的数据，进行思维操作，理性加工，从中概括总结出规律性的结论。如在“探索浮体稳定性”实验中，学生对已测得的实验数据进行分析处理，采用图线方法，得到反映试管重心及浮心随硬币个数变化的图线，再对图线加以外推，总结得到试管稳定平衡（重心低于浮心）时硬币个数应满足的条件。
　　5.质疑释疑，迁移再创造。作为实验的最后环节，对实验得到的结论及实验的全过程，要求学生从新的角度进行批判性的考查。教师要启发、鼓励学生质疑，或教师向学生质疑。诸如，有没有与本实验的结论相关的理论模型？本实验有无需要改进的地方？实验的设计思想能否迁移到其它情景中？等等。如在“探索浮体的稳定性”实验中，针对从实验数据得出的两根图线（重心随硬币个数的变化及浮心随硬币个数的变化），启发学生思考是否有与图线变化规律相对应的物理模型？由该模型得到的数学关系与实验结果是否吻合？在重心图线上，重心最低位置与管中硬币的高度恰好相等，这是偶然的巧合还是必然的结果？浮心图线为何是条直线？本实验结论可否迁移到木块在水中的平衡？比重计的原理与本实验有联系吗？等等一系列问题。这种质疑、释疑，可有效地培养物理思维批判性、创造性。
　　俗话说：“只有在游泳中才能学会游泳。”同样道理，个体只有在思维过程中才能学会思维，任何人都无法替代。所以教师应该更加主动地按照物理新课改的要求，给学生以更大的信任，在实验中放手让学生去探索、去领悟，更多地重视学生探求知识的过程而不是结果，进而提升思维品质。惟有如此，才能培养出充满科学精神的创新者、思想者。
　　
　　参考文献：
　　［1］教育部.普通高级中学物理课程标准［M］.人民教育出版社，2003.
　　［2］于克明.中学物理新思维［M］.山东教育出版社，2002.
　　［3］张德启等.物理实验教学研究［M］.科学出版社，2005.
　　［4］裴梯娜.主体参与的教学策略［J］.学科教育，2000，（1）.
　　［5］胡卫平.高中生物理抽象思维能力的发展［J］.心理发展与教育，2004，（2）.

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