教師引導(dǎo)下的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)
——學(xué)生質(zhì)疑精神的培養(yǎng)

王美芳

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

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教師引導(dǎo)下的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)
——學(xué)生質(zhì)疑精神的培養(yǎng)

王美芳

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

批判性思維和質(zhì)疑精神是物理學(xué)科應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)．本文探討了面對(duì)學(xué)生質(zhì)疑，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的幾種方式．對(duì)如何培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和質(zhì)疑精神給出了自己的回答．

創(chuàng)新實(shí)驗(yàn) 質(zhì)疑 引導(dǎo) 核心素養(yǎng)

1 關(guān)于“質(zhì)疑”

“質(zhì)疑”的意思是“提出疑問”(《現(xiàn)代漢語詞典》)，其中“質(zhì)”的含義是“詢問；責(zé)問”，“質(zhì)疑”的目的是探求真理，尋求解答．

物理教師需要面對(duì)學(xué)生的各種提問．總有那么一些問題，課本和課外書都沒有提供現(xiàn)成的答案，作為物理教師，也不能三言兩語就講清楚，有時(shí)甚至也不知道答案．能提出這樣的問題，往往是學(xué)生獨(dú)立、深入思考的結(jié)果．

能經(jīng)常“質(zhì)疑”的學(xué)生，被我們認(rèn)為具有批判性思維和質(zhì)疑精神，這正是物理學(xué)科應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)．

2 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)對(duì)學(xué)生質(zhì)疑

正因?yàn)闆]有現(xiàn)成的答案，面對(duì)學(xué)生的質(zhì)疑，教師用何種態(tài)度去回應(yīng)，至關(guān)重要．

物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)．很多時(shí)候，通過實(shí)驗(yàn)才能回答學(xué)生的提問．但如何選擇、設(shè)計(jì)、完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)學(xué)生來說非常困難，需要教師的幫助．如果教師能就學(xué)生提出的問題加以引導(dǎo)和鼓勵(lì)，就有可能讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，去尋求答案．對(duì)學(xué)生來說，通過自己的努力，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，最終找到答案，也會(huì)印象深刻．實(shí)驗(yàn)的過程，往往伴隨著自主學(xué)習(xí)，信息檢索，師生合作，同學(xué)互助，這對(duì)學(xué)生的物理素養(yǎng)的培養(yǎng)會(huì)起到極大的促進(jìn)作用．

在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的過程中，筆者積累了一些經(jīng)驗(yàn)：被認(rèn)為是最經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)一樣可以去質(zhì)疑，值得去重做；要鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手做模型，輔助理論分析；學(xué)生的電腦知識(shí)可以學(xué)以致用，計(jì)算機(jī)模擬也是物理實(shí)驗(yàn)的很好補(bǔ)充．

2.1 質(zhì)疑經(jīng)典實(shí)驗(yàn)重做經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

2005年，美國(guó)《物理世界》雜志評(píng)選出十大物理學(xué)最經(jīng)典實(shí)驗(yàn)[1]，也被稱為物理學(xué)上最美麗的十大實(shí)驗(yàn)．這些實(shí)驗(yàn)也一直為人們津津樂道．

圖1

這個(gè)實(shí)驗(yàn)太了不起了，僅測(cè)量了塔的角度、高度和兩地距離，就估算出地球的周長(zhǎng)，而且精度那么高！

對(duì)此，同學(xué)甲在課堂上直接提出質(zhì)疑：2 000多年前，沒有先進(jìn)的交通工具，僅靠駱駝的腳程估算出的距離可靠嗎？如果一個(gè)重要數(shù)據(jù)不可靠，最后為什么會(huì)測(cè)得那么準(zhǔn)？

學(xué)生提出的這個(gè)問題是很尖銳的．敢于就大家都認(rèn)為是經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)質(zhì)疑就值得肯定．

筆者想了想說：“你講得很有道理．有沒有可能你也用這個(gè)方法來測(cè)測(cè)地球的周長(zhǎng)？”

“可是這兒沒有太陽能直射的井啊．”

“一定需要嗎？”

于是大家興奮起來，七嘴八舌討論開來，最后我們決定找一個(gè)和上海同經(jīng)度的地方，同一天在正午時(shí)刻(也就是物體影子長(zhǎng)度最短時(shí)刻)各自記錄豎直桿的桿長(zhǎng)和影長(zhǎng)，如圖2，同樣可以得到AB兩地之間的圓心角．

圖2

學(xué)生甲通過google衛(wèi)星地圖選擇了與學(xué)校(東經(jīng)121.5° 北緯31.2°)幾乎同經(jīng)度的臺(tái)北實(shí)踐大學(xué)(東經(jīng)121.6°北緯25.1°)，并找了一位該校的學(xué)生作為志愿者合作進(jìn)行兩地實(shí)驗(yàn)．而兩地的距離則是通過百度查找得到．在一個(gè)晴天，幾個(gè)小組同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，最終得到的地球直徑比實(shí)際值大了50%左右，精度完全沒辦法達(dá)到2%，只能說是測(cè)出了地球周長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)．

學(xué)生甲更有興趣去分析為什么當(dāng)年厄拉多塞能測(cè)得這么準(zhǔn)確．他給出的結(jié)論是幾個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)由于測(cè)量方法和工具的原因，本身精度都不會(huì)很高，只是在計(jì)算時(shí)這些誤差可能相互抵消，才導(dǎo)致了最終看上去高精度．筆者非常認(rèn)可他的研究，讓他在物理課上做了報(bào)告，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)的測(cè)量及誤差做了詳細(xì)的說明．

重做經(jīng)典，是向物理前輩致敬，也是一種創(chuàng)新.經(jīng)典實(shí)驗(yàn)不一定能被完全還原．在測(cè)量地球周長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)中，沒有“枯井”，可以將實(shí)驗(yàn)方法略加改動(dòng)．我們?cè)谥貜?fù)了另一個(gè)十大最美實(shí)驗(yàn)：伽利略斜面實(shí)驗(yàn)時(shí)，用銅版紙代替了原本實(shí)驗(yàn)中的羊皮紙，用于計(jì)時(shí)的水鐘也是同學(xué)們自己設(shè)計(jì)的．

物理學(xué)上的十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)往往是較早以前做的，并沒有用到特別精密的儀器，高中生有能力做．這些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)極為巧妙，蘊(yùn)含了人類的智慧，體現(xiàn)了物理的美，值得高中生做．

2.2 動(dòng)手做模型實(shí)踐配理論

有些理論分析過程比較復(fù)雜，學(xué)生會(huì)覺得比較抽象，不好理解．如果能引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)出模型來輔助和驗(yàn)證理論分析，學(xué)生就會(huì)印象深刻，也更愿意去理解理論．

在講述力的分解的應(yīng)用，筆者介紹了帆船逆風(fēng)行駛的原理.

如圖3所示(俯視圖)，設(shè)風(fēng)從正東方向吹來，此時(shí)若調(diào)節(jié)船頭方向到東偏北成α角(α<90°)，并使船帆與船身成θ 角(θ<α)．根據(jù)力的分解法則，可以將風(fēng)力F沿垂直船帆方向和平行船帆分解得到F1和F2，F(xiàn)2由于平行于船帆，它的存在對(duì)船的運(yùn)動(dòng)基本不起作用，而F1垂直于船帆，直接造成了對(duì)船帆的正壓力，這個(gè)正壓力正是船航行的動(dòng)力來源．再將F1沿平行船身和垂直船身分解得到F動(dòng)和F橫，側(cè)向阻力可以抵擋F橫，而F動(dòng)將使船向前行駛(即圖3中船前進(jìn)方向)．由此可以看出船運(yùn)動(dòng)的方向與風(fēng)向成一個(gè)鈍角，船在逆風(fēng)向前．

圖3

其實(shí)，真正要做到逆風(fēng)行使，需要每隔一段時(shí)間調(diào)整船頭的方向和船帆的角度，如圖4所示，最終使船沿“之”字航線前進(jìn)．從效果上來看，船運(yùn)動(dòng)方向與風(fēng)向完全相反，即帆船逆風(fēng)行使了．

面對(duì)以上的理論分析，學(xué)生乙提出希望能看到帆船逆風(fēng)行駛．筆者搜索過網(wǎng)絡(luò)，找不到視頻資料．但沒有馬上說不行，而是順勢(shì)要求同學(xué)們課后自己分組去尋找．他們都沒有找到相應(yīng)的視頻，但有同學(xué)根據(jù)查到的文字資料，提出可以自制逆風(fēng)車來展現(xiàn)逆風(fēng)行駛．

之所以用車代替船，是因?yàn)樵谒羞\(yùn)動(dòng)的逆風(fēng)船橫向飄移(與船身垂直方向)是很難完全避免的，但如果把“帆”裝到4個(gè)車輪上，由于桌面對(duì)車輪的靜摩擦力(沿輪軸方向)比較大，可以完全抵消橫向飄移力，避免了橫向飄移，這樣就可以更好地演示逆風(fēng)行駛．

我們用兩節(jié)課時(shí)間分小組完成的逆風(fēng)車的制作，并進(jìn)行逆風(fēng)行車行進(jìn)比賽．圖5為其中一款逆風(fēng)車：材料成本不到10元．在動(dòng)手制作中，在比賽交流中，同學(xué)們團(tuán)隊(duì)合作，動(dòng)手實(shí)踐，也加深了對(duì)力按效果分解的理解．

圖5

2.3 電腦知識(shí)學(xué)以致用

很多大學(xué)的物理系都設(shè)置了計(jì)算物理這門課，借助計(jì)算機(jī)，進(jìn)行模型計(jì)算，對(duì)理論或?qū)嶒?yàn)做預(yù)測(cè)和證實(shí)．高中生也已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多電腦知識(shí)，學(xué)生中間有一些電腦高手．當(dāng)學(xué)生提出的質(zhì)疑沒有辦法直接設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，有時(shí)借助計(jì)算機(jī)，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，可以給出很好的回答．

學(xué)習(xí)靜電場(chǎng)這一章后，學(xué)生丙指著物理課本(高中二年級(jí)第一學(xué)期，上海科學(xué)技術(shù)出版社)第36頁的圖(如圖6所示)，問我：“老師，你看右邊這張圖，最靠近中垂線的上面兩條電場(chǎng)線的間距明顯大于下面兩條電場(chǎng)線的間距，這張圖不是應(yīng)該上下對(duì)稱嗎？書上的電場(chǎng)線是怎么畫出來的？它精確嗎？”

圖6

這位學(xué)生觀察得很仔細(xì)！這張圖是怎么畫出來的，精度如何，筆者也不知道．既然有學(xué)生問，自己就嘗試去回答這個(gè)問題．電場(chǎng)線看不見，摸不著，并非真實(shí)存在．雖然我們可以將奎寧針狀晶體放在蓖麻油或洗潔精中，然后加上不同形狀的高壓電極來模擬電場(chǎng)線，但不能做到精確的描繪．有沒有可能精確地畫出兩維空間的電場(chǎng)線？

筆者自己學(xué)習(xí)過Matlab編程，知道這個(gè)軟件很多大學(xué)生都在用，可以做數(shù)據(jù)處理和作圖，功能強(qiáng)大，也比較好學(xué)．而學(xué)生丙的電腦水平很不錯(cuò)．筆者就向他介紹了這個(gè)軟件，并展示了操作界面，基本語法，還借給他參考書．筆者要求他設(shè)計(jì)一個(gè)程序來畫出電場(chǎng)線．

接下去的一星期，我們不斷地討論算法和修改程序，最終選用龍格-庫塔方法計(jì)算得到如圖7所示的電場(chǎng)線．程序給出的電場(chǎng)線是由庫侖定律計(jì)算得到，可信度更高．

圖7

簡(jiǎn)單地修改程序，就能給出不等量點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線，如圖8所示．

編程能畫電場(chǎng)線，引起的不少同學(xué)的興趣，他們也紛紛學(xué)習(xí)Matlab軟件．有一位同學(xué)還用它來處理正在進(jìn)行的創(chuàng)新大賽的課題研究．

圖8

也有同學(xué)向老師推薦適合物理的其他軟件，比如Algodoo軟件，它可以方便地模擬很多物理過程：圖9為學(xué)生用這個(gè)軟件做的模擬飲料瓶聚焦太陽光過程，用于探究被丟棄飲料瓶聚光后引起火災(zāi)的可能性．

圖9

3 引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)教師提出了更高的要求

無論是重做經(jīng)典實(shí)驗(yàn)、制作模型、還是計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，都是超過課本基本知識(shí)的．這給物理教師提出了很高的要求．有時(shí)，我們要自己先學(xué)習(xí)新的知識(shí)；有時(shí)，我們要和學(xué)生共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共同成長(zhǎng)；甚至有時(shí)，學(xué)生在某一方面成了我們的老師．

愛因斯坦說：提出問題比解決問題更重要．當(dāng)學(xué)生提出質(zhì)疑，我們有責(zé)任保護(hù)好學(xué)生的好奇心和求知欲．作為教師，敢于擔(dān)當(dāng)，就可能對(duì)學(xué)生有深遠(yuǎn)的影響，為學(xué)生的素質(zhì)教育貢獻(xiàn)自己的力量．

1 The most beautiful experiment Sep 1, 2002，Physics World

2015-12-16)