開發拓展性課題 激揚創新性思維

陳 紅

(杭州市建蘭中學 浙江杭州 321002)

拓展性課題是以課本為依據,但又突破課本的束縛,具有開放性、實踐性、探索性、創造性等特點的課題.創新思維是通過發現和應用事物的規律,預測、推測某種事物的存在與變化規律,或設計某種新事物的思維活動.科學探究本身就是一個充滿創造性思維的過程,在培養科學思維能力方面有著不可替代的作用.因此在科學教學的活動中,教師要積極優化和拓展各種資源,挖掘創造性思維的因素,突破傳統教學方式中對時間和空間的限制,從生活中選擇和確定探究專題;在學生親自動手實踐體驗的過程中,開拓思維,重視創新思維的形成過程,調動學生的思維積極性,為學生思維能力的發展提供良好的環境,使學生能在廣闊的時空中展開思維的翅膀,有效地培養學生的創新思維.

1 自此及彼,培養發散思維

發散思維又叫求異思維,是指思維者突破思維定勢而充分發揮想象力,針對問題從各個方面求解,并達到正確認識的創造性方法.

【課題1】探究自行車

小組成員利用兩個早晨(7:20～8:20)對經過校門口的車流進行統計,發現約有78%的人騎自行車上班、上學,29%的人坐公交車,3%的人員用小汽車等其他交通工具.

小組成員對校自行車停車場、工廠停車場的車型進行了統計,并走訪了本市自行車銷售市場.抽樣調查一天中自行車的銷售情況,并設計了“自行車種類和需求意向”調查表(表1).

對自行車使用時間的長短和前后車胎及其他部件的磨損情況進行了分析對比,分別對輕便車、載重車、賽車、山地車、電動自行車的剎車性能進行實驗測試,繪制了各種車型的“剎車速度 -路程關系圖”(圖1).結合所學能源、環境、材料等知識,提出新的設計方案.

表1 自行車種類和需求意向

圖1 剎車速度-路程關系圖

發散思維:車閘要改進、車速可改變、可設計節能環保型自行車、自行車行駛過程中要有更好的減震效果、尾燈反射面的改進等等.

創新方法:

(1)針對車閘有關部件的磨損程度,剎車的靈活性容易變化等,他們提出了:

1)改進剎車閘盤、閘盒及車圈的材料,增強耐磨性;

2)選用表面摩擦系數大的材料;

3)增長剎車車臂.

(2)為了提高變速效果,提出:

1)改進鏈條材料結構;

2)增加齒數;

3)增加轉動過程的靈活性;

4)改變輪軸的性能并加粗輪軸;

5)用更輕而強度更大的納米材料;

6)降低車把高度改進車的外形以減少行進過程中的阻力.

(3)根據需求意向中人們對車型、輕便、價格等因素以及對未來能源的開發利用,認為可以設計生產:

1)太陽能自行車;

2)燃氣自行車;

3)風能自行車.

(4)對自行車的減震、照明等問題作了探討和研究.

2 求異質疑,激活逆向思維

逆向思維,即反向思維的方法,是創造性思維的重要方式.

【課題2】托里拆利實驗

[實驗1]教材中的托里拆利實驗

實驗器材:水銀若干,粗細不同長約1m一端開口、一端封閉的玻璃管各1根,水銀槽1個,米尺1根,水平器1個,還有縫衣針、細線、漏斗等實驗輔助器材.

實驗步驟:

(1)把水銀灌滿玻璃管(排出管內空氣);

(2)用手指堵住開口端把玻璃管倒立在水銀槽中;

(3)放開手指(液柱下降,管內液面上方為真空);

(4)用米尺、水平器測量內外水銀面高度差(約為76 cm);

(5)求出大氣壓的值.

逆向思維:什么情況下管內液面不下降而上升呢?

創新方法:若能使管內空氣壓強減小,大氣壓就可以把水銀壓入管中,使水銀柱上升.

[實驗2]學生吸水比賽

實驗器材:長約2m和4m的硬塑料管各2根、果汁1瓶,桌子、凳子等輔助器材.

實驗步驟:

(1)選派吸水比賽代表(一高個男生,一矮個女生);

(2)把長約為4m的塑料管一頭插入果汁瓶中吸果汁(果汁在管中上升,但兩人所吸果汁高度一樣,難分高低);

(3)兩學生都站到2樓,用長4m的管子及用同樣方法吸果汁(女生反比男生吸得更高);

(4)繼續比賽(結果又難分高低).

如何才能比出高低呢?

創新方法:用更長的管子來比賽吸水,可以比出高低.

[實驗3]用水做托里拆利實驗(1)

實驗器材:長約11m的硬塑料管1根,裝上有顏色水的水槽,卷尺1個,剪刀等.

實驗步驟:用嘴吸水,欲使水柱充滿整根管子.

說明:實驗2的正向思維,但管中水柱斷裂,實驗失敗.

逆向思維:把水吸入管中改為把水壓入管中.

創新方法:利用水柱的壓強把空氣壓出塑料管.

[實驗4]用水做托里拆利實驗(2)

實驗器材:同實驗3.

實驗思路、步驟和現象:

(1)把管子一端接在水龍頭下(自來水把管子中的空氣、斷裂水柱壓出管外,管中充滿自來水);

(2)再利用虹吸現象把管中自來水壓出而充入有色水(極易成功);

(3)封閉兩端管口(用火燒至熔化壓匾捏緊);

(4)把管子倒在水槽中(上端管口位于四樓高處);

(5)在水中把下端管口剪破(液面下降至內外水柱高度差約10m左右);

(6)計算并同實驗2結果對比.

設疑猜想:如果把約4m長的管子灌滿水后倒立水槽中,也把上端管口剪破,如何?

正向思維:大氣壓能支持約10m高水柱,猜想:液柱上升.

逆向思維:猜想:液柱下降.

[實驗5]大氣壓壓落水柱實驗

實驗器材:為長約4m的管子,其他同實驗4.

實驗步驟:

(1)灌水;

(2)倒立;

(3)剪破上端管口(剪破后,管內上方和大氣相通,液柱下降,直到內外水面相平).

同學們敢于打破常規,克服正向思維定勢的影響,正向思維與逆向思維交替運用,從逆向尋求解決問題的途徑,使同學們的逆向思維得到訓練,達到開拓思路的目的.

3 比較收斂,激發創新思維

收斂思維是在已有的眾多信息中尋找最佳的解決問題方法的思維過程,綜合考察各種思維成果,進行綜合比較和分析.在學習了全部力學內容之后,我們安排了“秤的研究和創新”這一拓展性課題,運用已學的實驗理論和技能,設計出“秤”的創新方案.

【課題3】秤的設計

同學們運用所學的實驗原理和方法,以電子秤、臺式彈簧秤、桿秤、手提彈簧秤為對象展開了積極的探究.

比較與分析:比較和誤差分析如表2和表3.

表2 使用原理、操作方法、功能的比較

表3 誤差大小及誤差產生原因分析

電子秤具有功能多、感量小、方便讀數和計算、準確度較高等多種優點,但較笨重,攜帶不方便,售價較高.桿秤、手提式和臺式彈簧秤雖使用方便,但存在功能較少,準確度較低,不良商販易作弊等缺點.

創新設計:學生們根據各種秤的原理、功能、操作方法,進行了改進、組合等創新設計.他們首先對原有的“秤”在外形、精度等方面進行了改進.還利用液壓原理設計了“液壓秤”和根據阿基米德原理制作了“浮力秤”.擴展了桿秤和手提秤的的功能.根據浮力知識、杠桿平衡條件及彈簧的長度變化與外力的關系制作了“杠桿密度計”、“彈簧密度計”等.

思維能力的提高和發展,必須在創造性的實踐活動中進行.讓同學們親自動手,在“做”中思考,在“做”中創新.