實驗在培養學生創新能力的作用

蔣云超

摘 要：注重實驗的創新設計，全面發揮實驗在培養學生創新能力的作用。對現有的實驗大膽創新已成為當前物理教學的共識。教師該從何種途徑引導學生對實驗進行創新設計呢？根據應用實驗手段研究物理問題時的基本過程，可歸納為如下幾種途徑。

關鍵詞：實驗目的；實驗原理；實驗器材；實驗情景

中圖分類號：G632 文獻標識碼：B 文章編號：1002-7661（2015）07-224-01

一、 通過改變實驗目的和要求進行創新

教師在原有實驗的基礎上，改變原有實驗的目的與要求，提出新實驗課題，要求學生利用原有的實驗器材（甚至可適當增減），對原有實驗進行創新改進，設計完成新實驗課題的實驗方案。從而培養學生改進原實驗、設計新實驗的創新能力。例如：學生在完成凸透鏡的焦距測定時，我要求學生將光具座上的蠟燭（光源）取走放上手電筒（如圖1），并讓學生在不拆開手電的情況下測出小燈泡s（可視為點光源）到燈罩玻璃（玻璃厚度不計）前表面的距離d。雖然使用的器材、實驗原理都相同，但改變了目的要求，該如何操作？先做什么，后做什么，先測什么物理量，后測什么物理量，就完全需要學生創設出新的適宜的實驗操作步驟，并確定所測物理量。

二、通過改變實驗原理和實驗方法進行創新

每個實驗都依據一定的理論提出來的，這個理論就是實驗原理。為達到同一實驗目的，可依據不同原理設計出不同的實驗方案。因此可以通過改變原有實驗的原理或實驗過程中使用的具體方法進行創新，依據新的實驗原理、實驗方法提出新的實驗方案。例如：在顯示微小形變的演示實驗，原實驗中應用了光學放大法，也可以根據機械放大的原理設計出如圖2所示的實驗方案。桌子發生微小形變，由于鐵架臺的豎直桿及水平鐵夾的杠桿作用，對形變進行了兩次放大，而右邊滑輪上固定的輕蘆葦桿在重物下降的帶動下，順時針旋轉，又進行了一次放大，其演示效果相當顯著，且比教材中的演示裝置簡單，器材易找，故而更方便。

三、通過改變實驗器材進行創新

這種創新情形需改變原有實驗的使用器材（包括測量對象）提出了在新的實驗器材基礎上測量原有的物理量或新的物理量的新實驗課題，一般學生應用原有的實驗理論和方法無法解答新的實驗課題，必須重新設計實驗方案或實驗步驟，這些都要求學生創造性地提出解決方法。例如：學生在做完《用單擺測定當地的重力加速度》實驗后，我給每個同學一把鐵掛鎖，要求每組同學利用它替代小球重新測出重力加速度g，然后再與用金屬小球測出的g值作比較。器材改變了，如何測量呢？經同學們積極思考，動手實驗，最終自行設計出合理的實驗方案。

四、通過增設或改變實驗情景進行創新

現成的實驗裝置往往不能滿足教學的需要，課本上還有許多內容沒有現成的儀器配備，若不做，則學生缺乏感性認識，很難對學生講清楚，且內容顯得枯燥乏味。真所謂“千言萬語道不清，一看實驗便分明”，為此教師應開發一些新的實驗。例如：電容器充放電的演示，本裝置采用低壓直流電源，小直流電動機D1、D2，大容量電解電容器C，電路圖如圖3所示。

當S置于1時，構成充電回路，對未充電的電容器C充電，此時D1迅速轉動，電流計迅速反向偏轉至最大，然后D1轉動逐漸變慢，電流計偏轉逐漸變小；當充電完畢，D1停止轉動，電流計示數為零（如圖4所示）。當S置于2時形成放電回路，電容器C通過D2放電，此時D2迅速轉動，電流計迅速反向偏轉至最大，然后D2轉動逐漸變慢，電流計偏轉逐漸變小；當充電完畢，D2停止轉動，電流計示數為零。本裝置的另一最大優點是可以通過S斷續控制對C充放電，當將S斷續地置于1時，可以看到D1斷續地轉動，當充電完后，D1不再轉動，然后將S斷續地短時置于2時，可以看到D2斷續地轉動，當放電完畢，D2不再轉動，這一現象生動有趣。

教師也可以創設一種新的實驗情景和應用情景來改變原來的實驗，要求學生運用學過的實驗理論、方法及實驗技術來設計新實驗課題的新方案，處理新數據，解決新的實際應用問題，從而培養學生把所學的實驗理論、方法和實驗技術移植應用于新領域的創新能力。

五、通過改變觀察的感覺手段進行創新

物理科學離不開觀察，觀察就是調動人的視覺、聽覺、觸覺等感觀系統與物理現象、規律或本質發生作用，以獲得感性材料。不同的感觀手段會使人對同一物理現象產生不同程度的認識。因此，實驗創新時可根據其特點，改變觀察實驗的感受器官，以達到更深刻的感性認識。例如在圖4○d的《自感現象》實驗中，學生通過視覺觀察到斷開S后，燈泡要過一會兒才熄滅。為了使學生留下更深刻的印象，筆者教學設計了如圖5所示的實驗，讓40W鎮流器與一節干電池連接成圖示電路，并叫一名學生握住導線裸露的兩端MN，在斷開電鍵S時學生因電擊會感覺到強烈的一震（這個實驗是安全的，但電源不宜采用過高電壓），通過實驗創新，讓學生以觸覺來認識鎮流器產生的自感電動勢。教師也可以創設一種新的實驗情景和應用情景來改變原來的實驗，要求學生運用學過的實驗理論、方法及實驗技術來設計新實驗課題的新方案，處理新數據，解決新的實際應用問題，從而培養學生把所學的實驗理論、方法和實驗技術移植應用于新領域的創新能力。

六、通過改變數據的處理要求進行創新

數據處理是實驗研究的一個重要環節，數據處理時必須注意“不因數據處理而增加實驗誤差，并盡量通過數據處理減少隨機誤差”。因此，為有效地減小誤差，盡可能用圖象法來代替公式法處理數據，在實驗《用單擺測當地的重力加速度》的數據處理中，我要求學生多測幾組數據，并改用圖象法來進行處理。為使圖線化曲為直，同學們不僅掌握了橫、縱坐標所代表的物理量的確定，養成了正確連線的科學習慣，而且還能夠遷移到《用電磁振蕩測自感系數》等其它實驗中。