物理“反常”實驗的創新思維教育

黃顯吞

(百色學院物理與電信工程系，廣西 百色 533000)

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物理“反常”實驗的創新思維教育

黃顯吞

(百色學院物理與電信工程系，廣西 百色 533000)

物理學史上許多重大的發明或創造是科學家們在“反常”實驗中發現的，教師通過列舉“反常”實驗進行教學的做法是一種新事物.在課堂上教師應抓住機會向學生講授這些科學探索過程中的“反常”實驗現象，讓學生感知“反常”實驗過程，提高學生的認知水平，培養學生的創新能力.同時，結合物理“反常”實驗的教學功能，讓學生親身經歷并探究這些從反常現象中總結出物理規律的實驗過程，激發學生學習物理的興趣，達到創新思維教育和科學方法啟迪目的.

“反常”實驗；激發興趣；科學探究；創新思維

所謂“反常”實驗是指根據當時的知識出現了認為不應該發生的、與我們經驗不一樣的、表現異常的實驗現象的實驗.“反常”實驗不僅能讓學生從多個側面、多種角度以及多個層次看問題，拓寬分析問題和解決問題的思路及方法，而且是促進學生創新思維的有效途徑[1].由于驅動探究與創新思維是一個人的好奇心、求知欲以及急欲解決所觀察到的現象和問題的熱情等，而“反常”實驗就具有如此獨特的功效.

特別是“反常”實驗現象能無聲地告訴學生，物理學中的許多概念以及規律有時就是在你不經意時偶然或非常理情況下發生和發現的，這也是使學生感興趣的又一因素，對于激發學生的學習興趣也有不可忽視的作用[2].同時，“反常”實驗能生動地說明科學是從哪里來，使我們了解科學家的科學工作過程，即他們是怎樣想的、怎樣提出問題、發現問題和解決問題的，由此可以學習科學家們的探索精神[3].所以，當人們理解了所謂“反常”并使之變為正常時，人類對自然界的理解就前進了一步.那么教師沿用此過程教育學生就會激發學生學習物理的濃厚興趣并得到良好的教學效果，達到創新思維教育和科學方法啟迪的目的.

1 電流磁效應的實驗促進深層探究

在物理科學研究過程中，為發現各種自然規律，許多物理學家進行了非常艱苦但又卓有成效的研究.教師著重講解這些研究過程中的思維方法和實驗過程，就能激發學生學習興趣、使學生掌握科學思維方法和培養學生的創新思維能力.例如:長期以來，磁現象與電現象是被分別進行單獨研究的，但是電與磁是否有一定聯系的疑問一直縈繞在一些有志探索的科學家的心頭.1820年，丹麥哥本哈根大學物理教授奧斯特根據電流通過直徑較小的導線會發熱的現象推測:如果通電導線的直徑進一步縮小，那么導線就會發光；如果導線直徑再進一步縮小到一定程度，就會產生磁效應——正常現象，但奧斯特沿著這條路子并未能發現電向磁的轉化現象.

奧斯特并沒有因此灰心而不斷思索，接連3個月進行深入研究，改變思路并反復做了60多次實驗，以往實驗都是在電流方向上尋找電流的磁效應，結果都失效了.在發散思維下猜想到這一效應可能和電流通過導線時所產生的熱和光一樣向四周散射，即電流對磁體的作用根本不是縱向的，而是一種橫向力或側向力——反常現象.于是奧斯特繼續進行新的探索[4]:在一個小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，發現小磁針微微地跳動并轉到與鉑絲垂直的方向.接著他又改變電流方向，發現小磁針向相反方向偏轉，說明電流方向與磁針的轉動之間有某種聯系——這就是電流的磁效應.這“反常”實驗揭開了電磁學的序幕，也標志著電磁學時代的到來.而這“反常”實驗的探索過程可歌可泣，永遠值得我們借鑒.

2 電磁感應現象的實驗促進創新思維

根據以上電流的磁效應現象(電可以產生磁)，法拉第在逆向和求異思維的指引下，篤信自然力的統一和轉化，產生“磁也能生電”的信念，于是開始尋找“磁生電”的跡象.但是他做了幾百次實驗都失敗了，那是因為他還是沿著傳統觀念做實驗:認為電流總是沿平直導線流動，在求同和定向思維的思維定式下，在實驗中總是將各種變化的磁場作用到平直導線上，然后去觀察導線是否有電流產生，結果都是失敗.后來在求異和多向思維啟發下，他仔細分析了電流的磁效應，認為電流與磁的相互作用除了電流對磁、磁對磁、電流對電流，還應有磁對電流的作用.他想，既然電荷可以感應周圍的導體使之帶電，磁鐵可以感應鐵質物體使之磁化，為什么電流不可以在周圍導體中感應出電流來呢？

于是就開始了一系列的探索:把直導線彎成圓形并做成螺線管式，即把兩個線圈繞在一個鐵環上，一個線圈接直流電源，另一個線圈接電流表.而開始時，法拉第總是先合閘，后看與另一個線圈串聯的電表是否顯示有無電流，不斷實驗，還是沒有結果.后來，他合閘，讓他的助手在旁邊觀看:當一個線圈的電路正常接通電源后，另一個線圈中的電流表無電流，而只有在開關K接通或斷開的瞬間(即反常現象)，另一個線圈中才產生瞬時電流.為了更透徹研究電磁感應現象，在多向和綜合思維下法拉第后來又做了大量實驗，前后經過11年，他把這種現象定名為“電磁感應現象”，并概括了可以產生感應電流的5種類型:變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導體.

可以想象，如果不是法拉第仔細觀察這個偶然的反常瞬間，不進行反向思維，也就沒有這個著名的電磁感應定律的發現.正是由于法拉第始終不渝地為從實驗上證實磁向電的轉化而探索不已，才能進一步揭示電與磁的內在聯系，為建立完整的電磁理論奠定了堅實的基礎.而從電磁感應定律的發現過程可以體會到:首先想到磁能生電體現法拉第具有創新意識；11年堅持不懈的努力，表明他的創新精神；在實驗過程中的各種思維方式和研究方法，說明他掌握了各種創新方法，而這創新意識、創新精神和創新方法就是我們現在所說的創新能力.讓學生感受這樣的科學探索過程，有利于培養他們的創新能力.

3 原子核模型的實驗促進視覺思維

物理教學應該重視“反常”實驗，應該讓學生有機會認識實驗的來龍去脈，經歷科學過程，體會科學方法，樹立科學的價值觀，認識物理學的精髓，使他們更加熱愛科學，體驗科學工作的樂趣.例如發現原子核模型的實驗:20世紀初占支配地位的原子模型當屬湯姆遜模型，即正電荷均勻分布在原子大小的球體內，電子一粒一粒地對稱分布在這個球體中，就像夾有葡萄干的面包一樣.但第一個真正用“炮彈”轟開原子的大門，讓人類洞察到原子內部結構的是新西蘭科學家盧瑟福.1909年他安排他的學生馬斯頓去做α粒子散射實驗，起初用α射線轟擊厚度為微米級的金箔時，發現絕大多數的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉很小——正常狀態(符合當時的認知以及湯姆孫模型).

但是當盧瑟福及其學生采用1cm2的鉑箔作為反射物時，經認真觀察發現有少數α粒子發生角度比湯姆孫模型所預言的大得多的偏轉[5].并大約有1/8000 的α粒子偏轉角大于90°，甚至有偏轉角等于150°的或沿原路返回的散射——出現反常狀態.正是由于觀察到α射線的這種“反常”的漫反射現象，使盧瑟福大為驚訝，因為考慮到原子之小和射中它們的α粒子的速度和能量之大，那是一個極其驚人的結果，這種結果用湯姆遜的原子模型是無論如何都無法解釋.為此盧瑟福陷入深深的困惑之中，經過長達半年多的時間去思考和意想，他面對經驗無法直接感知的客觀對象時在視覺思維指引下終于悟出了原子圖景:所有正電荷和幾乎全部質量都集中在原子中心的一個非常小的體積內(這就是原子核)，原子中的電子繞著核在核外運動.并由此導出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角度散射原因.從中可以感覺到盧瑟福原子核式結構模型的建立，主要靠的是盧瑟福豐富的想象力和超凡的洞察力，即視覺思維也是一種創新思維.而這樣一個妙趣橫生的“反常”實驗，能激發學生學習物理的濃厚興趣.

4 光波動性的揭示促進多向思維

物理學強調思維能力和判斷能力的培養，學習物理的目的是訓練學生的科學思維能力、培養他們的邏輯思維能力和掌握科學研究的科學方法.例如幾何光學實驗表明，光在均勻媒質中是按直線傳播，光在兩種媒質的分界面按反射定律和折射定律傳播.于是，人們就想當然認為當一束光通過有孔的屏障以后也是沿直線傳播的.可是在17世紀當意大利物理學家F.M.格里馬爾迪用一束光通過有孔的屏障以后，發現其強度可以波及到按直線傳播所劃定的幾何陰影區內，也使得幾何照明區內出現某些暗斑或暗紋.這些使得障礙物后空間的光強分布既區別于幾何光學給出的光強分布，又區別于光波自由傳播時的光強分布——出現反常.

150年以后，法國物理學家菲涅耳于19世紀依據這種反常現象最早闡明了這是光的衍射現象.日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發生的，易為人覺察.但是，光的衍射現象卻不易為人們所覺察，這是因為可見光的波長很短，以及普通光源是非相干的面光源等原因.這也似乎與我們經驗不一樣，表現“反常”，學生非常好奇，引起學生爭論和思考，理解不同物質在不同介質中發生衍射所帶來的不同效果.

5 X射線的發現激發創意靈感

科學開始于問題，問題的提出是科學發展的源動力.在物理學的探索過程中，經常是原先問題的提出與解決，又誘發出新的問題.例如在對陰極射線的本質是什么這一問題的探索中，倫琴發現了X射線[6]:1895年10月，德國實驗物理學家倫琴在暗室里做陰極射線管中氣體放電的實驗時，為了避免紫外線和可見光的影響，特地用黑紙板把陰極射線裝抱起來，但卻發現在一段距離外涂了亞鉑氰化鋇的熒光屏上發生閃光，并發現了干板底片“跑光”現象——出現反常.

倫琴決心查個水落石出，于是用厚書、2～3cm厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光.他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進行實驗，實驗結果表明它們也是“透明的”，不太厚的銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過.而讓倫琴更為驚訝的是，當他把手放在紙屏前時，紙屏上留下了手骨的陰影——這就激發出創意靈感去探究這種神秘的射線:倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強的穿透力.由于這種輻射線的神密性質，倫琴稱之為“X射線”——X在數學上通常用來代表一個未知數并激發探索，而且這“反常”實驗發現導致了理論工作的巨大發展，使人們對微觀世界的認識產生劃時代的革命.這樣的“反常”實驗更加誘人，永遠激勵我們探索前進.

6 結語

物理學史上許多重大的發明或創造是科學家們在“反常”實驗中發現的，教師通過列舉“反常”實驗進行教學的做法是一種新事物.在課堂上教師應抓住機會向學生講授這些科學探索過程中的“反常”實驗現象，讓學生感知“反常”實驗過程，提高學生的認知水平，培養他們的創新能力.而且這些“反常”實驗都是一些原創性工作，都經過歷史檢驗，學習它可以更深刻領會科學家追求真理的偉大力量以及科學方法的精髓.這種在實驗中出現的“反常”現象完全可以作為一件很好的物理教學資源，可以用來作為課堂上的插曲和錦上添花，使我們的教學內容更生動、更豐富，教學過程更詳實、更鮮明.所以，這些“反常”實驗給我們許多深刻的啟示，是我們學習的好機會，也是物理教育工作者努力追求和探索的方向.

[1] 顧新梅.大學物理實驗與新思維能力培養[J].湖州師范學院學報,2005(01):127-130.

[2] 施大寧,吳平,楊雁南,等.智物明理 突出創新 構建特色化的工科物理系列課程體系[J].物理與工程,2008(04):16-17.

[3] 孫鴻坤.中學物理實驗教學中培養學生創新思維能力的培養[J].物理實驗,2012(11):33-35.

[4] 朱孟正，趙春然，袁廣宇.奧斯特對電磁理論發展的影響[J].中學物理教學參考,2007(09):58-59.

[5] 毛宏偉.盧瑟福與原子結構模型[J].物理教師,2011(08):49-50.

[6] 秦克誠.郵票上的物理學史(37)——X射線的發現[J].大學物理，2001(07):98.

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CREATIVE THINKING EDUCATION IN PHYSICAL “ABNORMAL” EXPERIMENT

Huang Xiantun

(Department of Physics and Electronic,Baise College,Baise,Guangxi 533000)

Many great inventions or creations in the history of physics were found in the “abnormal” experiments by scientists.It is a new kind of thing that teachers deliver lectures by listing the “abnormal” experiments.In class,the teacher should seize the opportunity to teach students about the “abnormal” experimental phenomena in the process of scientific inquiry,let students perceive the “abnormal” experimental process,improve the students’ cognitive level,and cultivate students’ innovation ability.At the same time,combined with the teaching function of physical “abnormal” experiments,the teacher should let students experience and explore the physics laws concluded from the abnormal phenomena during the experiment processes,arouse the students’ interest in learning physics,and achieve innovative thinking method for education and science enlightenment.

“abnormal” experiment;arouse interest;scientific inquiry;innovative thinking

2015-03-23

廣西教育廳科學技術科研基金資助項目(桂教科研[2013]7號，項目編號:2013YB245)；廣西高等教育教學改革工程項目(桂教高教[2012]22號，項目編號:2012JGA209).

黃顯吞,男,副教授,主要從事物理教學及電工技術應用研究.gxbshj008@163.com