基于信息交合法的非常規物理實驗方案的設計

物理學是一門以實驗為基礎的自然科學。在中學物理教學過程中，實驗既是物理教學的重要基礎，也是物理教學的重要內容、重要方法和重要手段。然而長期以來，由于受各種主客觀因素的影響，實驗教學并沒有受到應有的重視。首先，許多學校和教師由于受傳統教育觀和應試教育指揮棒的影響，普遍存在著重理論輕實驗的思想。教學方法普遍采用講授法。有的老師甚至認為學生不會動手做實驗不要緊，只要會動筆考實驗就行。由此而引發了“做實驗不如講實驗”，“講實驗不如背實驗”的荒謬作法，把實驗僅僅作為一種教學手段或作為理論知識教學的一種輔助工具.其次，農村中學由于客觀實際，儀器材料和配備與《課標》要求相比大量不足，新課標中要求的許多實驗由于缺乏實驗器材而無法開展.第三，原有實驗儀器、設備陳舊；學校沒有專職的實驗人員，一般都是任課教師兼管[1]。因此，物理實驗教學在多數情況下流于形式化、表面化和流程化，成為中學物理教學的薄弱環節。實驗教學的現狀，極大地影響著物理課堂教學有效性的提高，制約著學生科學素養的提升。其實，如果我們能開發一些“非常規”物理實驗，對解決實驗教學面臨的困境，尤其對廣大農村中學（包括城鎮中學）物理實驗教學的有效開展和實現教育的公平性將具有非常重要的理論意義和實踐價值。

一、非常規實驗的內涵和價值

《高中物理課程標準》指出，“實驗室的課程資源不僅限于實驗室的現有設備，學生身邊的物品和器具也是重要的實驗室資源”。有研究者（張偉，2005）從資源開發和利用的角度將物理實驗分為兩大類：非常規物理實驗和常規物理實驗。“非常規”物理實驗，主要就是指利用學生熟悉的生活易得物品、廢舊材料、器具、人體或人體局部以及兒童玩具等開發進行的一類體現自創性、體驗性、趣味性、簡易性、生活化的物理實驗教學活動[2]。

人們在教學實踐中早就發現，與使用“廠家生產的專門器材”做的實驗相比，開發“非常規”物理實驗對于實現物理課程標準提出的“知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀”三維課程目標具有獨特的作用，是常規實驗所無法取代的，因而是一種有待深入開發的重要物理課程資源。其深層教育價值主要體現在以下三個方面：

對教師而言，熱衷于實驗研究，致力于實驗開發，會極大地提高教師自身的教學水平和教研水平。尤其在非常規實驗的開發中，教師將發現，自己需要不斷地學習和提升自我的理論素養，特別是學習新技術、新材料、新發明的有關知識。在提升自我素質的同時，也將使更多的學生體會到物理學習的樂趣、意義和價值，為學生的創新意識和創新能力的培養，起到很好的引領和示范作用。

對學生而言，非常規實驗具有取材的熟悉性、結構的形象性、操作的簡單性、現象的直觀性等特點。利用這些特點，一方面，學生可以通過熟悉的生活用品所發生的物理現象去探索物理本質，這將會大大拉近學生與物理的距離，也更好地體現了“從生活走向物理，從物理走向生活”的新課程理念；另一方面，非常規實驗由于其取材的便利性和制作的簡單性，可以使實驗器材在數量上得以保證，這就可以使更多的學生能夠參與到實驗方案的制定、實驗器具的制作和實驗過程的操作體驗中去。在此過程中，學生的主體地位得以突出，學習興趣得以激發，探究的主動性和積極性將大大提升。這樣做不僅更有利于促進學生手腦并用、發展學生實踐能力和創新能力，同時這也是對學生進行科學方法教育的很好平臺和途徑。因此，英、美等發達國家，十分重視這類實驗的開發與應用。在我國，雖然這類物理實驗在中學物理教材中早有體現，在物理教學中早有運用，對其教學功能也有一些專題研究，但仍沒有引起物理教育領域的普遍重視，既缺乏深入的理論探討，更缺乏系統有效的實踐探索[3]。

非常規實驗的開發對中學物理實驗教學的有效開展，具有非常重要的理論意義和實踐價值。不僅可以解決經濟欠發達的農村鄉鎮中學實驗器材不足的困難，為實現教育的公平性奠定資源基礎；同時，也可以為農村中學實驗裝備政策提供有益的宏觀政策參考和有效的具體方案支持。

這里需要強調的是，“非常規”物理實驗并不是“非科學”和“無目的”，恰恰相反，它追求科學本質、崇尚科學精神，注意培養學生科學素質，追求豐富的教育內涵和全維課程目標的達成。

二、信息交合法簡介

非常規物理實驗的開發是一種創造性的活動，所以實驗的開發必須以創造學理論為指導。據有關研究資料顯示，現已有數百種創造技法。學習這些創造技法，將會大大開闊我們的視野和實驗開發的思路。其中信息交合法就是大家公認的在各領域中應用非常廣泛的一種創造技法。

信息交合法是華夏研究院思維技能研究所所長許國泰副教授于1983年首創的一種在信息交合中進行創新的思維方法。簡言之，就是把物體的總體信息按照其特征和該物體與人類實踐活動相關的用途分解成若干個要素，并把這兩種信息要素分別設為信息標的X軸與Y軸，兩軸垂直相交，構成“信息反應場”，每個軸上各點的信息可以依次與另一軸上的信息交合，從而產生新的信息。

信息交合法有兩個基本論點：一是不同信息的交合可產生新信息；二是不同聯系的交合可產生新聯系。依據這一原理，人們在掌握一定信息的基礎上，通過交合與聯系可以獲得新的信息，提出新的創造設想。比如，獨輪自行車本來與碟、碗、勺等日常生活物品沒有必然聯系，但雜技演員將它們交合在一起，就構成了精彩的雜技節目。同樣，生活中的各種物品表面上本來也是互不相干的信息，但通過一個實驗主題，我們就可以把它們巧妙地聯系在一起，為物理教學服務。

三、基于信息交合的非常規物理實驗的設計思路

任何一項新實驗的開發，總要針對某一具體問題。非常規實驗開發的問題來源主要包括以下三個方面[4]：（1）來自物理教學：為引出某一概念或規律，為突出教學重點，突破教學難點等，均可考慮設計一個新的實驗；（2）來自于生活用品或材料：生活中的大量物品，大到冰箱、彩電、錄像機，小到一枚硬幣、紙杯、鉛筆、尺子和橡皮等，都具有物理實驗開發和利用的價值；（3）來自于其它學科：即借助其它學科的原理、方法、設備、裝置等為物理教學服務。如醫學上打吊針的裝置就是一件很好的物理儀器，它里面的水總能保持勻速下滴而不受水面高度變化的影響。

【案例1】“來自物理教學”的非常規實驗設計思路

下面我們將任選一個實驗主題“壓強”進行非常規實驗的設計嘗試，具體說明基于信息交合法的非常規實驗設計思路：其設計依據也包括三個方面：首先，教學目標的設定；其次，教學內容的特點；第三，還要考慮學校擁有的實驗條件和當地生活環境資源的可利用情況。具體設計程序如圖所示[5]。

圖1 “非常規”實驗方案設計的一般程序

第一步，確定中心，即確定實驗的主題和實驗目標，也就是零坐標的設定——突破壓強教學的重點與難點，即通過實驗探究，幫助學生形成壓強的概念，理解壓強公式，并知道如何根據需要增大或減小壓強。

第二步，劃坐標線，即圍繞實驗主題，確定坐標的橫軸和縱軸——分別為實驗材料和影響壓強大小變化的兩個因素，即受力面積S和壓力F。

第三步：注標點，在信息標上注明有關信息點。這是應用信息交合法的最關鍵的環節。根據控制變量法的原則，圍繞控制物體“受力面積和壓力”兩個變量來考察“壓力的作用效果”來進行實驗材料的選擇。根據本課題要求，我們把實驗設計重點確定為尋找生活中具有“同一物體各端面積不同”結構特點的物品或器具上。為此，我們首先把實驗材料分為文具、服飾（包括鞋）、日常用品、常見工具、人體結構（或膚覺的利用）以及其它類別；然后通過發散思維，盡可能多地列舉出身邊環境中方便獲取的每一類可供利用的資源。

本課題中，基本符合要求的實驗材料有：（1）文具類：一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶、書籍等；（2）服飾類（包括鞋）：冰鞋、旱冰鞋、高跟鞋與平底鞋等；（3）日常用品：板凳、桌子、椅子、肥皂、圖釘、勺子、杯子、筷子、兩端粗細不均的各類瓶子等；（4）常見工具：釘子、刀具、螺絲刀、錐子、斧頭、鏟子等；（5）人體結構（或膚覺的利用）：腳與膝蓋、指肚與指甲、手指與手掌、站立與趴下等；（6）其它類：磚塊、硬紙盒等，或者還可以利用木材、泡沫板等材料自制一些具有“同一物體各端面積不同”結構特點的物品。同時，為了突出壓力作用效果，便于學生觀察和體驗，加深學生對“壓強”概念的理解，我們還需要選擇以下實驗材料對實驗效果進行放大：如細沙、海綿、泡沫板、橡皮泥等，如圖2所示。

圖2 “壓強”概念實驗設計思路

第四步：相交合，確定實驗的設計方案。即以一標線上的信息為母本，以另一標線上的信息為父本，相交和后可產生新信息；接著對這些信息進行可行性分析和評估，篩選出有價值的創造設想。比如橫坐標上的信息“受力面積”與縱坐標上的信息“文具”相結合設計實驗：根據一頭削尖的鉛筆、中性筆或筆芯、文具盒、筆筒、長方形橡皮、墨水瓶等文具都具有“一端粗一端細或兩端面積不同”的結構特征，可設計如下學生實驗：讓學生把鉛筆（或中性筆）夾在兩手的食指之間，稍稍用力，體驗兩手指的不同感覺：與鉛筆尖端接觸的手指會感覺痛，同時會看到指肚凹進，而與筆端接觸的手指僅有擠壓感。通過這種短暫的體驗就可以使學生充分理解：為什么在壓力相等的情況下，受力面積越小，壓力的作用效果就越明顯——即壓強的值也就越大。

【案例2】“來自生活物品或材料”的非常規實驗設計思路

我們選擇生活常見物品——飲料瓶作為實驗材料，說明實驗開發思路。根據信息交合法的設計原則，我們首先要把飲料瓶的各種物理特性一一列舉出來，如形狀規則，上端呈圓錐漏斗形，下端多呈圓柱形、空心、底面向內凹成碗狀；質地柔軟、皮薄易裁剪和加工；可用瓶蓋密封；導熱性良好，遇熱易變形；導電性差，絕緣性好；相同的飲料瓶具有相同的物理性質等等；其次，列舉中學物理教學中有關的實驗研究課題，進行發散思維和集中思維。如探究凸透鏡成像規律、壓強與受力面積的關系、滑動摩擦與滾動摩擦、物體的浮沉條件、聲音的產生與傳播、熱傳導現象、靜電現象、慣性等等。第三，以飲料瓶的各種特性為信息標的X軸，以相關的物理實驗課題為信息標的Y軸，兩軸垂直相交，即構成“信息反應場”。最后，我們讓每個軸上各點的信息依次與另一軸上的信息交合，研究可以產生哪些新的、有價值的信息，并設計實驗方案。具體如下：

選擇飲料瓶的形狀特性，與信息標Y軸上的信息相結合，可以產生的實驗研究課題有：進行滑動摩擦力與滾動摩擦力大小的比較研究；利用飲料瓶兩端面積不同的特點，在瓶中裝入一定量的的沙子后，研究壓強的大小與受力面積的關系；如果裝入的是不同量的水，則可以探究聲音的音調。具體做法是：在幾個飲料瓶中盛入不同深度的水，將瓶口移至嘴邊吹氣，可以聽到不同音調的聲音產生?？諝庵蕉痰?，音調越高，反之，空氣柱越長，音調越低。

選擇飲料瓶在擰緊瓶蓋之后具有很好的密封性的特點，自制“浮沉子”實驗裝置，用以研究物體的“浮沉條件”；可以演示氣體液化現象：擰開瓶蓋，滴入幾點乙醚，擰緊瓶蓋后，稍待一會，蒸發，乙醚液體不見了。當用手擠壓瓶體時，乙醚液體重新出現在瓶壁上。這表明壓縮氣體體積，氣體被液化。

選擇飲料瓶質地柔軟、易裁剪的特性，可設計如下實驗裝置：第一，用燒熱的針尖在一個大飲料瓶底端燙一個小孔，并用膠帶暫時封住，在將瓶中裝滿水，用來研究液體壓強和深度的關系；第二，將飲料瓶的瓶底剪掉，用氣球的膠膜包住并繃緊，在用細線固定?？梢杂脕硌菔疽后w對容器底部和側壁壓強的變化；第三，用大飲料瓶與玻璃管和橡膠塞配合，可以制作一個溢水杯，驗證阿基米德原理等等。

選擇飲料瓶透明、易密封的特性，可以演示光的直射、反射、折射現象。具體做法是：找一個比較大的飲料瓶，在其中充滿香煙（或是衛生香）的煙霧，擰緊瓶蓋，就制成了一個簡單的光路顯示器。用激光筆從瓶底照向瓶口，能清晰地顯示光在同一種物質中沿直線傳播。若將瓶底放在平面鏡上，用激光筆從側面向瓶底的平面鏡照射時，會清晰地觀察到入射光線和反射光線，給學生留下深刻的反射現象的表象。若一半是盛有未澄清的石灰水，一半是煙霧時，從側面向石灰水面照射時，會清晰地觀察到光的入射光線和折射光線。

此外，選擇飲料瓶皮薄、易導熱的特性，可以研究熱傳導現象；選擇相同的飲料瓶具有相同的物理性質這一特點，可以充當等量重物；選擇飲料瓶異變形的特點可以演示力的作用效果與力的三要素；可以驗證大氣壓強的存在等等。

綜上所述，借助信息交合法，將會大大開拓我們非常規實驗的開發思路，突破思維定勢，使實驗的設計不再是件令人生畏、遙不可及的事情。普通人只要掌握了一定的創造技法，在思考問題時學會有意識地利用這些技法，就一定可以開發出更多的非常規物理實驗。

參考文獻

[1] 張偉，郭玉英.非常規物理實驗：有待深入開發的重要物理課程資源.物理教師，2005（9）.

[2] 張偉等.論“非常規”物理實驗的教學地位.課程.教材.教法，2007（12）.

[3] 張偉等.論高師物理師范生“非常規”物理實驗教學能力的培養.教師教育研究，2007（5）.

[4] 廖伯琴主編.中外物理教育改革.長春：東北師范大學出版社，2001（6）.

[5] 劉炎松著.物理實驗創新研究.北京：冶金工業出版社，2009（3）.（責任編輯 任洪鉞）