拓宽实验教学内涵 提升学生创新能力＊

钱永昌

（厦门外国语学校，福建 厦门 361012）

要培养学生的创新能力，物理实验无疑是一个非常重要的着力点.本文结合中学物理实验教学的实践，挖掘物理实验教学的内涵，让学生通过积极探索、自主发现、主动反思等方式提升学生的创新能力.

1 呈现实验仪器的发明历程，在领悟与改进中渗透创新能力的培养

物理实验仪器的发明与改进的过程经历了技术创新的历程.教师在进行实验仪器教学中一定要善于利用与挖掘其中蕴含的创新教育资源.这里先以长度的直接测量为例谈谈如何在实验仪器教学中渗透创新能力培养.

长度测量工具是指将被测长度与已知长度比较，从而得出测量结果的工具.提到长度测量的工具，人们立刻联想到毫米刻度尺、游标卡尺、千分尺等.普通刻度尺的精确度由最近两个均匀的刻线间距决定.要提高普通刻度尺的精确程度一般必须使相邻刻线加密.然而由于空间所限，一般刻度尺的相邻刻线最多只能加至mm.而游标卡尺，仅仅在卡尺上方加一个游标就可以将精确度提高到数10倍.其中蕴含的创新思想是转换法，即将不可测量的微小长度与游标尺一定长度组合成较大的整数刻度进行读数，然后将其中补足的那部分已知刻度扣除即可.能够较大地提高精确度的另外一种长度直接测量工具是螺旋测微器，它也可以轻而易举地将分度值大大提高（其原理这里不再赘述）.

那么，长度的直接测量工具是不是就已经没有改进与创新的空间了呢？其实只要认真分析其中每一种测量工具的局限性，就可以找到发明点.例如我们可以将游标卡尺与普通卷尺组合发明一种精确度较高且量程更大的测量工具.我们还可以将游标卡尺上的外量爪、测深杆等与螺旋测微器组合从而扩充螺旋测微器的功能等.此外许多长度测量的间接测量方法也蕴含了创新教育的资源.如微小等量叠加、化曲为直法等.

不仅长度的测量工具，其他许许多多物理仪器也蕴含着大量创新教育素材.如由普通实验用温度计改进而来的体温计、最高温度计（原理与体温计类似）、最低温度计等.

总之，对于物理仪器的教学，教师不要仅仅局限在实验原理、使用规范、读数等基本要求的介绍，而应进行适当拓展，让学生充分了解其中蕴涵的创新思想.这样不仅能加深学生对仪器使用原理的理解，而且能促进学生创新能力的提升.

2 展示开放性的实验设计活动，在体验与探索中渗透创新能力的培养

开放性的实验设计可以是规定主题让学生从不同角度思考并进行不同方案的设计，并通过实践检验各自设计的合理性.也可以是让学生从各自的经验出发，自主选题，自行设计.由于主题或方案的开放性能有效激发学生的自主性，他们可以提出自己想探究的问题，或提出自己的研究设想然后通过实验来检验.

在开放性实验设计活动中，学生已经不是知识被动的接受者，而是知识的探索者.这种开放性实验活动对教师和学生都是一种激动人心的挑战.在实际教学中，开放性实验设计可以是一种现象体验式活动，也可以是一种过程参与式活动，还可以是一种任务驱动式活动.

2.1 开展现象体验式设计活动，要求器材简单、操作方便、现象新异

这种实验设计活动，其教学目标主要指向新奇物理现象的原理分析.实验的难度要求不高，适合人人参与，有利于学习动机的激发以及培养对物理学习的亲近感.例如利用流体压强与流速的关系设计一个小实验.学生可以充分利用生活用品（纸张、乒乓球、泡沫塑料、针筒、硬币等等）来完成形式多样、现象各异的实验活动，达到应用知识、体验规律的作用.

对于现象体验式设计活动的实施，关键在于培养学生独特的观察视角和对细微实验现象的敏感程度，培养学生提出问题与迁移应用物理规律的能力.让学生反复在“看到什么，又想到什么？”的反复思考中，使思维能力得到有效地锻炼.

2.2 开展过程参与式的设计活动，要求教师适度放手，让学生通过独立思考和小组讨论解决实验操作过程中遇到的问题

这类活动，即使实验设计原理较为清晰，也还会存在实验器材的准备与实验操作的要领等需要进一步解决的问题.这时教师如果能放手让学生通过自主探索解决这些问题，就会对学生创新精神和实践能力的提升起到促进的作用.例如设计一个利用水柱测定大气压的实验，学生首先要选择粗细和硬度合适的水管，并粗略估算出水管的长度至少应是多大.然后还要解决用何种方法将水管上方的空气排空，怎样测量使内外液面的高度差更准确等等.这个实验的最大亮点，在于有利于学生合作和团队精神的培养.实验时至少需要5、6位学生分布在不同的楼层，完成不同的任务.究竟小组成员之间如何分工，谁担任艰巨的任务、谁负责小组成员间的沟通与协调，以及采用何种方式协调等都会对实验成败产生重要的影响.在实验活动中我们发现，有的小组采用大声喊的方法来沟通，结果互相干扰致使多次实验失败，而有的小组则仅仅用简单的手势就解决了问题.

2.3 开展任务驱动式的设计活动时，教师只须提供器材和设定完成的任务，大胆放手，培养学生自主学习和合作学习能力

对于实验的原理分析、设计方案、测量步骤、注意事项、操作要领等均可引导学生进行小组讨论，并由教师认可后再由小组内学生分工进行.任务驱动式实验活动对创新能力要求较高，学生们要综合应用所学知识和现有资源，达成规定的任务.而解决问题的途径往往不止一种，他们要经过对比、分析、尝试才有可能成功.这样对学生们非智力因素的培养也有促进意义.例如利用米卷尺和直杆测定旗杆的高度，就要求学生充分综合运用物理知识与数学知识来解决这个实际问题.遇到困难时要善于变通解决，巧妙地进行转化使困难逐个迎刃而解.这种任务驱动式实验活动跟成人的创造发明活动非常类似，有助于学生创造能力的进一步提升.

3 落实实验制作环节，突出“做中学”，在操作与比较分析中渗透创新能力的培养

物理实验制作是一项从模仿到创新、手脑并用的过程.物理教师不要轻视学生的模仿与制作活动，其实这种活动正是创新发明的土壤.哪怕是由一个纸筒做的小孔成像仪，学生经过亲自动手制作与改进，他们从经历失败到成功的过程不仅能领悟到其中的物理原理、制作技巧、感受到探索物理问题的乐趣，同时在制作过程也会产生一系列新的值得探索的问题.例如选用什么材料才能使成像效果更好，小孔多大才最合适等等.

下面结合简易电动机模型的制作案例，来谈谈如何在实验制作活动中渗透对学生创新能力的培养.

图1

案例1.图1所示的是根据普通电动机原理制作出的电动机模型.它的特点在于省略换向器.通过部分刮漆的方法只让线圈在半圈内通电转动，其余半圈不受反向的力，只依惯性转动.学生在制作的过程中会思索许多有价值的问题.例如：它是如何实现持续转动的？它转动的方向由什么因素控制？转速的大小如何调节？随着这些问题的探索，学生的创新思维也得到了锻炼.

图2

案例2.将螺丝钉较大的一头吸附在两个小磁铁上，尖的一头吸在电池上，将铜导线一端用手压在电池的另一端，铜导线另一端接触小磁铁，使其自转，如图2所示.这个小小电动机虽然简单，但其构思却是相当巧妙的.它既省略了线圈，又省略了转动支架.螺丝钉的尖端通过磁力吸在电池上，利用磁悬浮减小转动阻力.这是一个相对简单的制作，但是实际制作过程中也会遇到许多实际问题：如螺丝的长短、导线与磁铁接触的阻力、磁铁周边是否生锈等都会影响实际的转动情况.学生在制作与改进中也会感悟其中的奥秘.

图3

案例3.将小磁铁吸附在电池两端，在磁铁上勾上铜导线，则使电池自己滚动，如图3所示.

这个制作粗看十分简单，但是要使实验成功，首先导线与磁铁的阻力要尽量小，而且要接触良好.其次桌面要尽量保持水平和光滑.所以这个制作对学生的动手能力、意志力和精益求精的精神都是一个考验.案例4.将小磁铁吸附在电池一端，将铜导线做成心形、螺旋形或各类形状，使其可立足在电池的另一端，并且连接电池上下两端，做成一个模拟电动机，观察导线能否围绕电池自转，如图4所示.

图4

学生在制作模仿过程中遇到最大的难题是线圈顶在电池正极较易滑落，转子很不稳定.另外就是线圈下端与磁铁接触部位阻力很大.为了克服以上问题，学生在不断探究与试误中进行创新.他们将电池正负极对调，让电池负极平整部分与线圈顶端接触，并改变线圈底部与磁铁接触方式.这样，使转动效果大为改善.

同样一个目的，实现的方法如此多样.学生在一个比一个简单、有效的制作中感受物理科学带来的惊奇与乐趣.

4 倡导实验反思，突出交流评估，在思维碰撞和激荡中渗透创新能力的培养

实验反思就指学生自觉地把自己或他人的实验设计、操作分析等过程，作为认识对象而进行全面而深入的思考和总结，从而进入更优化的实验状态，使自己实践和创新的能力得到更充分的发展.实验反思是一种有益的思维活动和再学习的过程.实验反思可以提高学生科学探索的自主性和积极性.实验反思的目的是促进实验的改进.经常性的实验反思可使学生的研究能力、创新能力得到提高.教学中教师要提供时间与平台让学生交流感受并对实验的得失进行较为的深入思考与总结.

实验反思有利于及时发现问题并有效解决问题，从而能够高质量地完成探索课题.有利于促进实验小组乃至全班同学之间积极互动，并形成知识资源的合理分配与利用，从而使小组成员密切配合、高效率地完成实验.实验反思对创新具有直接的促进作用.通过鼓励对原定目标和设想的质疑，反思可以激发小组成员摆脱旧思维的约束，为新创意的产生创造条件.此外，鼓励公开地表达不同意见，可以产生一种“脑力激荡”的效果，善于进行反思的小组成员能够认真思考和理解对立意见，从中吸取合理成分来补充完善自己的方案.

下面例举学生对电动机制作实验的一些典型反思.

（1）图2的实验我们做成功了，主要因为导线接触良好外，电池电量相对充足，足以使螺丝钉转动起来.但一开始，螺丝钉转得很慢并且容易停下，可能是小磁铁磁性不够，螺丝钉受到的动力不够，因此我们小组在螺丝钉下端加上两块小磁铁，果然效果比之前要好.但是实验中我们还是有尚未解决的问题：在只有一块小磁铁时，螺丝钉会缓慢的顺时针旋转，之后又自己逆时针旋转.后来又加入一块磁铁的情况下，却能稳定的朝一个发现旋转.（这是新的问题，值得进一步探究.）

（2）图3的实验无法做成功原因之一，可能是因为铜导线与小磁铁的接触不良导致.要使铜导线接触良好，操作比较困难.一方面原因是铜导线较软且很细，很难将其固定，这需要很长时间.如果用较粗的漆包线可能成功，但也需要一定时间调整线圈的弯曲程度.还可能因为电池与桌面或导线与桌面之间的摩擦过大而影响实验效果.

（3）在图4的实验中，我们观察到即使导线下端只有一边和电池接触而另一端悬空，导线仍然能围绕电池自转.我们发现如果铜导线都是漆包线，质地较硬，接触良好，所以才容易成功.之后我们发现其他小组又将铜导线拗成各种形状，也能转动，大家也不甘落后，行动起来，很好地提高了我们的动手能力和创造能力.

从这些实验反思中可以看出学生的思维得到充分的锻炼.这些反思的问题不是教师强加给他们，而是他们自己通过实验提出的，也没有现成的答案.这样的反思激发了他们的好奇心，对创新能力的提升也有促进作用.