让学生在“试错—排错”中逼近学习目标——“回旋加速器”教学例谈

肖建华

(江苏省太仓高级中学,江苏太仓 215400)

现代著名科学家、哲学家波普尔在探索性演绎法基础上提出了“试错法”,揭示了科学的发展是通过不断“试错”、“排错”的过程,即通过不断为解决遭遇的问题而提出各种大胆的尝试性猜想、再不断地消除猜想中的错误而实现的.他提出了科学知识增长的四段论图式:问题—试探性的解决办法—排除错误—新问题.“试错法”体现了科学是通过“从错误中学习”而不断进步的价值观.

“回旋加速器”的教学如果沿用传统的“讲解原理,介绍结构”的教法,很可能造成教师呆板地讲、学生被动地听的局面.学生所获得的也只是些静态的知识(现成结论),而那些蕴含于研究过程中的动态知识(科学方法等),却得不到应有的开发.本文以这节课的教学为例,谈谈如何以学生为主体,引导学生在“试错、排错”中不断逼近学习目标.

1 从“猜想”到“毛坯”——在问题情境中激发探究欲望

让学生在问题情境中根据已有的背景知识提出可能解决问题的尝试性设想,从中选择一个或几个“毛坯”——既含有一定的合理成分,也包含某些错误和待完善的设想,加以评价.

我们就从江苏籍院士唐孝威的科普论文《开拓未来,有赖利器》谈起.撞击,对粒子来说,是一场毁灭性的灾难;撞击,对高能物理学家来说,是发现新知识的时机.为了研究物质的微观结构,科学家往往利用能量很高的带电粒子作为“炮弹”去轰击各种原子核,那么怎样才能获得高能粒子呢?

组织学生小组讨论,要求他们根据已有的知识背景提出可能解决问题的尝试性设想,每个小组基本上都能设计出“毛坯”方案——利用电场加速的直线加速器,如图1所示.

图1

图2

2 从“毛坯”到“半成品”——在评价过程中改进方案

针对“毛坯”方案,引导学生加以评价,找出并排除错误,得到一个较为合理的解决问题的设想 ——“半成品”.

自我质疑:要获得高能粒子,就必须尽量提高加速电压,但实际能达到的电压值总是有限的,用单级电场加速粒子,获得的能量不够大,只能达到几十万至几兆 eV.如何突破电压方面的限制,使带电粒子获得更大的能量呢?

试探性解决方案:用多级电场加速,如图2所示.这样每个电场极板间的电压不必很高,就可使粒子逐步获得足够大的能量.

疑问是思维的源头,问题是探究的中心.针对图2的方案进行自我质疑:按图2所示的方案,真能实现多级加速吗?

发现新问题:这个方案不可能获得高能量的带电粒子!从图2可以看出,在相邻两级加速电场的中间,还夹着一个反向电场,当带电粒子通过它们时,将会受到阻碍作用.那么,如何消除这种减速电场的影响呢?

3 从“半成品”到“成品”——在“试错-排错”中逼近学习目标

能否寻找一种既可使带电粒子实现多级加速,又不必增加设备长度的方法呢?

学生们豁然开朗:外加磁场!利用带电粒子在匀强磁场中做圆周运动的特点,可使它重返电场,再次得到加速.

图3

图4

解决方案:如图 3、图 4所示,设位于加速电场中心的粒子源发出一带正电的粒子,以速率v0垂直进入匀强磁场中,当它在磁场中运动半周后到达 A处时,电源的极性应是“A处正A′处负”,粒子被电场加速,速率从 v0增加到v1,在磁场中运动半周到 A′处,此时应为“A处负A′处正”,使粒子再次加速,速率从 v1增加到 v2……以后的情形就以此类推了.因此,电场的作用是使粒子加速,磁场的作用则使粒子回旋,两者的分工非常明确,同时它们又配合得十分默契,电源交替变化1周,粒子被加速2次,并恰好回旋1周,这正是确保加速器正常运行的同步条件.

需要解决的新问题:假如要设计一台能使带电粒子获得更高能量的回旋加速器,还需要采用哪些措施呢?学生们有如下一些解决方案.

甲生:可以提高电源的电压.由公式Ek=qU可知,电压值大了,粒子获得能量也就大了.

乙生:还可以加大D形盒的半径.使带电粒子有更大的回旋余地,随着加速次数的增多,粒子具有的能量也就大了.

丁生:认为甲生的说法不对.因为提高了电源的电压后,尽管可以使粒子每次加速获得的能量增大,但相应的回旋半径也要增大,这又会使得加速次数减少,最后粒子的总能量不见得就大.

针对学生以上提出的几个试探性解决方案,教师及时引导学生自我评价、自我修正,促使他们在不断的“试错-排错”中逼近学习目标.

让学生在不断的“试错-排错”中逐步逼近学习目标,体现了“教师为引导,学生为主体,过程为主线”的教学理念,把教材内容有机地划分成若干个探究阶段,引导学生自我发现问题、尝试性地提出解决问题的方案,并进行自我评价、自我改进.在教学过程中,解决问题的思路由学生讲,优劣由学生辨,解决问题的方案由学生提,既有学生的积极参与、拾级攀登,又有教师的点拨引导、及时调控.通过师生双边的信息交流,不断地将教学活动引向深入,使学生在获取新知的同时,还亲身体验科学研究的思想方法,从而进一步培养他们的科学素养.

1 王琴.浅析卡尔◦波普尔的证伪主义原则.当代学术论坛,2009(4).

2 谢振华.波普尔.“四段论的试错法”的价值.北京教育(高教版),2005(10).

3 吴晓江.创新价值观是创新文化的核心要素.文汇报,2009-08-03.