物理教学中培养学生创新技法探索*——《物理教育中培养学生创新素养》子课题研究概要总结

2015-12-23黄国龙

物理通报 2015年7期

关键词：偏角小球技法

黄国龙

*宁波市“十二五”教育规划重点课题“物理教育培养学生创新素养探索”的研究成果之一，编号：YZD12021

物理教学中培养学生创新技法探索*
——《物理教育中培养学生创新素养》子课题研究概要总结

黄国龙

*宁波市“十二五”教育规划重点课题“物理教育培养学生创新素养探索”的研究成果之一，编号：YZD12021

摘要：本文是子课题“物理教学中培养学生创新技法探索”研究概要总结．文中针对创新技法对于培养拔尖创新人才的重要性，从三个层面全面深入培养学生的创新技法．首先，根据创新技法一般性结合中学物理教学实际，确定中学物理创新技法培养内容；其次，充分挖掘物理必修课程创新技法资源，有效培养学生创新技法；最后，系统开发实施旨在培养物理创新技法的选修课程，深度培养学生物理创新技法．

关键词：物理教学创新教育创新技法

创新技法是创新素养的一个重要组成部分，创新技法是根据创造性思维发展规律和大量成功的创造与创新的实例总结出来的一些原理、技巧和方法．它的应用既可直接产生创造和创新成果，同时也可启发人的创新思维，可以提高人们的创新能力．培养创新技法是培养多样化拔尖创新人才的一重要举措，2012年来笔者主持研究《物理教育中培养学生创新素养探索》浙江宁波市十二五重点规划课题，对子课题“物理教学中培养学生创新技法探索”进行系统研究与实践，取得了一些显著成果．本文阐述了该子课题研究的主要内容和取得成果．

1确定物理教学中创新技法培养的内容明确创新技法培养方向和任务

确定中学物理创新技法培养的具体内容为培养学生的创新技法明确了方向和任务．笔者认为，应根据创新技法的一般性结合中学物理教学的实际来确定中学物理教学中创新技法培养的内容．

1．1列举缺点创新技法

列举缺点创新技法是指通过发掘现有事物的缺陷，且一一列举，然后提出改革或革新的一种技法．列举缺点，就是发现问题和提出一个问题，找到了一个创造发明课题．中学物理实验教学中列举缺点法指的是能指出和发现物理实验中由于实验原理、方法、技术不完善引起的问题．例如，能发现原有实验中存在较大的误差、实验稳定性较差、实验操作性不强、实验缺乏经济、方便等．通过列举缺点，能激发学生追求卓越的创新意识，产生创新实验的探索动机．

1.2功能组合创新技法

功能组合法是把两个或两个以上的不同结构，巧妙地组合在一起，使它成为一个新产品．中学物理实验教学中功能组合创新技法指的是能整合不同的实验理论、实验方法、实验技术、实验仪器的优势，创新设计新的物理实验仪器，完成物理实验．例如，气垫导轨与电学实验组合，能使较小电磁力产生明显的作用效果；传感器与常规实验的组合，能使热学、力学、光学等信号转化为容易测量的电学信号．

1.3逆向创新技法

逆向技法是改变一般思维程序，即把事物反过来看，并由此解决问题，产生新的产品和成果的创新技法．中学物理实验教学中逆向技法指的是能从实验原理、方法、操作步骤等角度运用与原思维相反的思路来设计实验．例如，在实验中正面效果和反面效果的正逆展示，正向实验过程和逆向实验过程的正逆操作、静态和动态的正逆操作等．

1.4转化创新技法

中学物理实验中转化方法指的是能运用物理理论、物理方法、物理技术，实现不同物理量间的转化测量．例如，示波器设计中，运用水平方向电压扫描(电学扫描)实现时空转化；传感技术中实现力电转化，磁电转化等；通过间接测量方法实现物理量测量的由难向易转化、由粗向精转化、由繁向简转化等．

1.5放大创新技法

中学物理实验中放大技法指的是能运用物理理论、物理方法、物理技术，把不明显现象、较弱信号的物理量转化为现象明显、较强的物理量，从而提高实验精度．例如，通过力矩放大力的作用效果，通过“光杠杆”放大被测量的物理量，通过传感器进行电学量放大等．

除了上述创新技法外，还有比较创新技法、移植创新技法，补偿创新技法等．

2充分挖掘利用物理必修课程创新技法资源有效培养学生物理创新技法

高中物理必修课程中(特别是物理实验教学中)包含丰富的创新技法培养课程资源，充分挖掘利用物理必修课程中创新技法培养课程资源是培养学生物理创新技法的一种有效途径．

2.1展示物理课程中创新实验中创新技法使学生理解创新技法

培养学生创新技法的首要环节是使学生了解和理解物理实验中创新技法，感受到创新技法在物理实验设计和科学研究中的重要作用．展示物理课程中物理学家和教师设计实验过程中的创新技法及其重要作用是学生了解和理解重要物理实验创新技法的有效途径．

例如，在“自由落体运动”教学中，向学生介绍伽利略年代直接测量自由落体运动时间的困难，展示伽利略运用放大技法(通过研究斜面实验来延缓运动时间)来提高时间测量精度；在“万有引力”教学时，向学生介绍卡文迪什年代测量微弱引力的困难，展示卡文迪什运用转化(把引力测量转化为距离和角度测量)、放大方法(通过力矩放大引力作用效果，通过光杠杆放大光杠杆转过角度)设计扭称实验，成功地测量出两小球引力大小，测量出万有引力常量．

2.2拓展物理实验引导学生运用创新技法进行创新设计培养学生创新技法

为了能让学生在认知“最近发展区”内进行实验创新活动，可以根据必修课程物理实验中存在问题，从改变实验目的、实验要求、实验仪器等角度进行拓展，引导学生运用创新技法对原有学生实验进行创新设计，从而有效地培养学生的创新技法．

创新技法运用：

教学案例1——“探究做功与速度变化关系”实验拓展创新．

(1)拓展原有实验，运用列举缺点方法揭示原实验存在问题，提出新的设计课题

原有实验：人民教育出版社高中教材《物理·必修2》第七章第6节[1]介绍了“探究做功与速度变化关系”的实验方案(如图1所示)(详见教材)．

图1

存在问题:

1)实验中较难控制小车匀速下滑，从而难以平衡摩擦力，造成较大误差；

2)实验中细绳作用于小车上作用力小于砝码的重力，当砝码质量较大时，会造成较大的系统误差．

(2)运用多种实验创新技法，实施实验拓展创新设计

针对实验中存在问题，学生纷纷进行设计创新活动．下面介绍比较典型的拓展创新设计方案．

创新设计:李同学运用逆向创新技法设计如下实验方案(简称李氏实验方案)：如图2所示，让小车从斜面上某一高度由静止开始运动，通过水平面上O点的光电门，测出速度v0，最后由于摩擦力作用停在水平面上P点，用刻度尺测出OP距离d．

图2

创新实验特点:

1)运用逆向创新技法．由原来实验中要平衡摩擦力变为利用摩擦力做功，这使实验研究更加方便，而且减小了误差；

2)运用转化创新技法．考虑到摩擦力做功与d成正比，由原有实验直接测量合外力做功数值转化为测量d，减小测量误差；

3)运用移植创新技法．本实验方案中移植应用新的数字化传感技术，运用速度光电门来测量小车的速度，比原有实验中打点计时器法测量更加精准.

通过上述拓展创新活动，学生运用物理实验创新技法的兴趣得到很好激发，热情得到很好培养，实验创新技法得到较好运用和培养．

3系统开发实施旨在培养物理创新技法的选修课程深度培养学生物理创新技法

物理必修课程中实施创新技法教学往往局限于限时、限空间的课堂教学中，缺乏深度地对学生进行物理创新技法的培养．笔者尝试开发实施旨在培养学生创新技法的物理选修课程．该选修课程从物理必修拓展到物理选修课程，从封闭课堂教学拓展到开放的课外活动，从有限时空拓展到开放的时空．通过探索实施教学方式和学习方式，有效实施这些物理选修课程，深度培养学生物理创新技法．

3.1整合物理实验教学和科技创新活动开发实施旨在培养物理创新技法的选修课程

课题组整合高中物理实验资源和科技创新活动时空，系统规范开设实施《物理实验创新》、《物理设计创新》、《课题研究与科技创新》等选修课程，深度培养学生的创新技法．

例如，课题组自主开发实施《物理创新实验》课程[如表(1)所示]，该课程主要以高中物理实验中存在和遇到实际问题为研究课题，引导学生进行物理实验创新活动．通过物理实验创新活动，不仅实施高中物理实验的创新，解决高中物理实验存在问题，而且有效地培养了学生的物理创新技法．

表1　自主开发实施的《物理创新实验》课程

3.2构建实施技法创新教学模式有效实施物理创新技法选修课程

为了有效实施创新技法培养选修课程，课题组探索实施技法创新教学模式，这种教学模式的教学流程图如图3所示，特点是：以原有学生设计认知为基础，以新的设计课题为切入点，以理论设计为指导，以实验调试为判断，以创新技法运用为核心，以构建新的设计认知结构、培养学生创新技法为目标．

图3　创新教学模式教学流程图

理论设计中综合运用相关物理理论和创新技法，实验调试用来判断理论设计的效果．若实验调试失败，则引导学生进行分析评价，揭示失败原因，运用新的技法进行新的设计；若实验调试成功，引导学生进行总结，构建新的设计认知结构，进行拓展创新，实施新的技法创新．

教学案例2——“向心力演示仪”创新设计

(1)运用列举缺点法揭示原有实验存在问题，提出新的设计课题

原有实验：人民教育出版社《物理·必修2》第23页[2]给出了一种粗略的验证向心力的公式的实验方法——用圆锥摆粗略验证向心力的表达式(详见教材)．

揭示问题：实施这个实验后发现此实验存在如下问题.

1)无法控制让小球沿纸上的某个圆上做圆周运动；

2)小球做圆周半径r难确定，且测量误差大，竖直高度h的测量误差较大；

3)秒表或手表测时间误差较大．

提出设计课题：要求学生设计新的实验来提高向心力演示仪的测量精度．

(2)运用多样化创新技法进行创新设计

1)运用物理控制和转化方法控制小球做稳定的圆周运动

F合=mgtanθ

比较F合与F向就可验证向心力公式．

图4

实验调试1：稳定转动时，小球偏角较难测量，同时实验误差较大．

分析评价1：实验原理中忽略了小球受到轨道的摩擦阻力．当转速较大时，轨道对小球的弹力和摩擦力不能忽略；小球稳定转动时转动太快偏角测量较难．

2)运用平面控制方法优化稳定圆周运动

理论设计2：陈同学在上述同学设计的基础上，设计出如图5所示的实验装置．轻质平板N固定在转盘M的直径上，绳子一端固定在平板O点．当转盘绕OO′轴匀速转动时，小球贴着平板做匀速圆周运动，小球偏角θ可以从刻度盘上读出．这个实验设计既控制小球做稳定的圆周运动，同时也消除小球受到的轨道摩擦阻力，提高了实验精度．

图5

实验调试2：通过实验发现，此方案中小球偏角θ和转动周期测量还是成为实验的难点．

分析评价2：由于转动太快，要求在稳定转动时测量偏角比较困难，是否在停止转动时把小球最大偏角位置能记下？

3)运用移植和逆向技法精确测量小球偏角和转动周期

理论设计3：陈同学在上述基础上，运用当代传感技术光电门精确测量周期；设计出如图6所示的实验装置图测量小球做圆周运动偏角．通过O点连接一轻质金属丝(称作“记忆指针”)，当电动机带电动平板匀速转动时，小球与细绳带动轻金属杆上摆．当电动机停止转动时，小球返回原竖直位置，但轻质杆停留在电机稳定转动时所张角度处，此时轻金属杆偏角就是小球做稳定圆周运动时偏角．

图6　测量小球做圆周运动的偏角

实验调试3：表2中给出了4次不同偏角情形下，向心力和合外力的相对误差，相对误差较小，符合高中物理实验要求．

表2　4次不同偏角情形向心力与合外力的相对误差

构建设计认知：运用转化技法把稳定电学驱动转化为稳定的力学驱动，克服原有实验中不稳定力学驱动不足；运用转化技法把原先不稳定的长度测量转化为固定角度测量；运用轨道控制的方法保证小球做稳定的圆周运动；移植运用光电门传感技术，精确测量周期；运用移植和逆向技法把冲击摆实验中最大摆角测量方法移植运用到本实验中，用轻质金属丝成功测量出小球做稳定圆周运动时偏角．此设计方案不仅实验原理和操作简单，而且实验结果精确．该演示实验荣获浙江省中学物理创新实验评比二等奖．

3.3构建实施“设计课题协作探究”学习方式在自主探究中有效培养创新技法

为了切实有效地实施物理创新实验选修课程和培养创新技法，我们根据当代创新人才攻克重大课题研究的特征，构建实施“设计课题协作探究”学习方式，让学生在自主探究中有效培养创新技法．

“设计课题协作探究”学习方式操作流程如图7所示，特点是以设计课题为切入点，以学生协作探究为主体，以解决问题、培养学生协作精神、创新技法为目标，以“提出课题、分解课题、分工探究、协作交流、成果汇报”等5个环节为主线．教师在各个环节中起着指导作用，向学生提供相关咨询，进行创新技法和思维上启发．学生充当设计、协作、探究和技法创新角色．

图7　学习方式操作流程图

教学案例3——“受迫振动演示仪”创新设计

(1)运用列举缺点方法揭示原有实验存在问题，提出设计课题

教师向学生演示人民教育出版社教材《物理·选修3-4》课程中“受迫振动”和“共振”演示实验[3]，揭示原有实验存在问题(“共振”实验中，单摆之间会产生耦合作用而相互影响，摆线容易扰乱；“受迫振动”实验中振幅较难测量，不利于定量或半定量研究)，要求学生创新设计新的实验．

(2)分解子课题，明确探究任务

学生课题组(由王、黄、陈、叶4位学生组成)选择了该课题进行探究．他们根据该课题实际和自己特长分解成了如下2个子课题：

1)驱动力频率可测、可调节的驱动系统设计；

2)等幅受迫振动设计及振幅测量设计．

(3)分工探究，攻坚克难

王、黄两同学在“物理设计创新”课程实验中，受上海某仪器公司制造“音叉受迫振动”实验(如图8所示示意图)相关原理和设计思路方法(调节音频交变电频率，改变电磁驱动力的频率，探究音叉振幅与驱动力频率的关系)和高中电磁打点计时器原理的启示，运用移植、转化的技法，把传统的力学驱动转化为可调节的电磁驱动，创新设计如图9所示的受迫振动实验方案，迈出创新设计重要的一步．