漫談發(fā)明方法在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新中的應(yīng)用

孫曉兵 石堯

摘 要：實(shí)驗(yàn)是物理的靈魂，是體現(xiàn)物理魅力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要源泉，亦是科學(xué)探究的重要途徑.筆者結(jié)合多年的物理實(shí)驗(yàn)儀器研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出一些物理實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明方法，希冀對中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)有所裨益.

關(guān)鍵詞：發(fā)明方法;物理實(shí)驗(yàn);實(shí)驗(yàn)儀器

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）04-0036-02

作者簡介：孫曉兵（1977-），女，遼寧建平人，本科，中學(xué)高級教師，研究方向：中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì);

石堯（1987-），男，北京人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)論、中學(xué)教師教學(xué)研究文化.

實(shí)驗(yàn)是物理的靈魂，是體現(xiàn)物理魅力和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的重要源泉，亦是科學(xué)探究的重要途徑，對培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)有著重要的意義.可以說，實(shí)驗(yàn)的成功與否直接關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣，然而就當(dāng)前物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，標(biāo)配實(shí)驗(yàn)器材可視性差、探究性不足、可操作性不強(qiáng)等癥結(jié)廣泛存在，致使物理實(shí)驗(yàn)的價(jià)值大打折扣.在此，我們結(jié)合多年來物理實(shí)驗(yàn)儀器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)歸納出一些物理實(shí)驗(yàn)儀器的發(fā)明方法，希冀可以“拋磚引玉”，為廣大一線中學(xué)物理教師提供研發(fā)物理實(shí)驗(yàn)儀器的新思路.

1 增補(bǔ)發(fā)明法

增補(bǔ)發(fā)明法主要是立足于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器中存在的不足與缺憾，通過增添新部件的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器的完善與創(chuàng)新.譬如，在地磁場教學(xué)中，學(xué)生總是混淆地磁場南北極和地理南北極的指向.其中一大癥結(jié)即是，國家標(biāo)配的實(shí)驗(yàn)器材中沒有相應(yīng)的地磁場演示儀.針對這一缺憾，筆者以地球儀為基礎(chǔ)，在地球儀內(nèi)部的中央位置放置一塊條形磁鐵，在地球儀外部增添幾枚小磁針，運(yùn)用“增補(bǔ)發(fā)明法”，使“地球儀”變成了“磁場演示儀”（如圖1、圖2所示）.這樣，學(xué)生通過觀察地球儀上的小磁針，便能看到“小磁針N極總是指向地理北極”這一現(xiàn)象.接下來，我們將其中的條形磁鐵取出，讓學(xué)生觀察條形磁鐵插入時(shí)的南北極走向（如圖1所示）（注：條形磁鐵插入演示儀時(shí)，其N、S極方向是保持不變的），即條形磁鐵的N極在地球儀的南極附近，S極在地球儀的北極附近，由此便可以輔助學(xué)生完成對地磁南北極和地理南北極的方向辨析.這里，由于普通地球儀不方便內(nèi)置條形磁鐵，我們可采用3D打印的方式，設(shè)計(jì)出屬于我們自己的地磁場演示儀.值得注意的是，在3D打印設(shè)計(jì)時(shí)須保證地球儀的直徑與條形磁鐵長度大致相等，并在球體底部的中央位置開設(shè)出相應(yīng)的條形磁鐵插口.

2 同類組合法

所謂同類組合法，意在將兩個(gè)或兩個(gè)以上相同及相似的事物進(jìn)行簡單疊加，在保持各事物原有功能不變的基礎(chǔ)上，通過數(shù)量的增加來對原有功能進(jìn)行擴(kuò)充.

以探究“阻力對物體運(yùn)動(dòng)的影響”為例，當(dāng)前使用的“斜面小車演示儀”大都采用多次實(shí)驗(yàn)的方式，即讓小車每次從同一斜面的同一高度由靜止下滑，觀察小車在不同表面運(yùn)動(dòng)的距離，從而判斷阻力對小車運(yùn)動(dòng)的影響.由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)器材有且只有一套滑軌，故而每次實(shí)驗(yàn)時(shí)都需要改變接觸面的材料，并且記錄小車每次實(shí)驗(yàn)的最終停止位置.可見，這種實(shí)驗(yàn)方式需重復(fù)操作.冗繁的實(shí)驗(yàn)次數(shù)無形中降低了實(shí)驗(yàn)的效果.對此，我們采用“同類組合法”，設(shè)法將三套實(shí)驗(yàn)器材組合為一套器材，即用鋁合金板折成三組一模一樣的斜面，并用上下疊加的形式將三個(gè)斜面組合在一起（如圖3所示），并在斜面相同高度處安裝啟動(dòng)裝置.這樣，當(dāng)三個(gè)相同的小車從三條軌道的同一高度處自由滑下，經(jīng)過貼有不同材料的水平面后，我們就可借助觀察軌道上貼有的刻度尺，定量比較小車的運(yùn)動(dòng)距離了.

3 異類組合法

異類組合法是指將兩種或兩種以上不同種類的物品進(jìn)行組合，從而獲得新技術(shù)、新產(chǎn)品的方法.例如：第二次世界大戰(zhàn)中最有影響力的發(fā)明之一，自行火炮就是坦克底盤與火炮的組合.受此啟發(fā)，我們把“異類組合法”的思路應(yīng)用到“滑動(dòng)變阻器”的改進(jìn)上（如圖4所示）.傳統(tǒng)滑動(dòng)變阻器的線圈“不會(huì)說話”，即滑片移動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)變阻器接入電路的電阻值到底如何變化，學(xué)生是無法直觀感受的.對此，我們把滑動(dòng)變阻器的框架和小電珠組合在一起，借助“電流引亮小電珠”這一特性，使學(xué)生可以直觀地看到滑動(dòng)變阻器接入電路的部分.具體而言，滑片移動(dòng)時(shí)，學(xué)生通過觀察被點(diǎn)亮小電珠個(gè)數(shù)的增加或減少，便可直接判斷出接入電路中的電阻絲的長短變化.這種改進(jìn)，將滑動(dòng)變阻器線圈與小電珠相結(jié)合，既大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的可視性，也便于學(xué)生直接觀察滑動(dòng)變阻器的構(gòu)造，了解滑動(dòng)變阻器的使用原理.此外，在初學(xué)滑動(dòng)變阻器時(shí)，有些學(xué)生會(huì)直接將滑動(dòng)變阻器的兩個(gè)上接線柱（或兩個(gè)下接線柱）與外電路相連，導(dǎo)致變阻器喪失“改變阻值”的作用，而這一實(shí)驗(yàn)儀器正好能破解這一錯(cuò)誤操作，即接入兩個(gè)上接線柱時(shí)，所有小電珠均不發(fā)光，接入兩個(gè)下接線柱時(shí)，所有小電珠均發(fā)光，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一目了然.

4 移植發(fā)明法

該發(fā)明法需要人們悉心洞察工作生活中某個(gè)物品各部件的功能，并選出與待發(fā)明物品有關(guān)的部分，將其遷移到相關(guān)發(fā)明物品上.探究“焦耳定律”的實(shí)驗(yàn)是初中物理的重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)之一，最初的實(shí)驗(yàn)是用發(fā)熱電阻給比熱容相對較小的煤油進(jìn)行加熱，后續(xù)實(shí)驗(yàn)裝置又換成了給一定質(zhì)量的空氣進(jìn)行加熱，借助空氣受熱體積膨脹的知識(shí)，通過氣體體積發(fā)生的變化來反映發(fā)熱電阻產(chǎn)生熱量的多少.但這些實(shí)驗(yàn)裝置都是迂回間接的，無法讓學(xué)生直接感知電熱與電阻、電流之間的關(guān)系.那么我們能否直接測量出發(fā)熱電阻的溫度呢？這里，電飯鍋、電冰箱的電子溫度顯示器給予了我們啟發(fā)，即依靠溫度傳感器與數(shù)字顯示器兩個(gè)關(guān)鍵部件便可以以數(shù)字的形式直觀顯示出用電器內(nèi)部的溫度.于是，把帶有傳感器的電子溫度計(jì)移植到“焦耳定律”的實(shí)驗(yàn)裝置中，在每個(gè)發(fā)熱電阻上都粘上相應(yīng)的溫度計(jì)傳感器（如圖5所示），并采用多個(gè)發(fā)熱電阻組合的形式（圖中僅以探究電熱與電阻的關(guān)系為例），為學(xué)生展現(xiàn)出直觀的溫度數(shù)據(jù).以此降低了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，為實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出起到重要的支撐作用.

方法是認(rèn)識(shí)主體為從理論和實(shí)踐兩個(gè)維度把握認(rèn)識(shí)客體而使用的思維手段，是確保研究活動(dòng)得以順利完成的基本程序.可以說，任何目的的達(dá)成都少不了方法的參與，在這個(gè)意義上，發(fā)明方法可謂物理實(shí)驗(yàn)儀器研發(fā)的門徑.因此，一線中學(xué)物理教師一方面要悉心留意物理實(shí)驗(yàn)儀器中存在的疏虞，另一方面則須合理運(yùn)用相應(yīng)的發(fā)明方法，雙管齊下，方可研發(fā)出更為優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)儀器，使物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)迸發(fā)出理性的光輝，煥發(fā)出生命的活力.

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（收稿日期：2020-11-12）