实验是发展思维之伴

吉林省前郭县蒙古族中学(131100) 王爱生

人们普遍认为，物理实验是一种操作性较强而理论思维要求较低的活动。为此，有人不把实验与思维紧密联系起来，甚至认为其与思维无关。实际上，在每一个物理实验中均蕴含着一定的物理模型、数学理论、科学方法和思维训练素材。在设计实验过程中，存在着演绎思维、创造性思维；在观察过程中，必须进行直觉、比较、判断等思维活动；在实验结果处理中要进行分析与归纳等思维。可见，物理实验不是一种纯粹的感性认识过程，它是在理论思维的指导下，对物理概念及规律的自然本质进行 “解剖”的过程，是理论思维物化的再现。实验方法及所需装置与器材的选择，实验变量的控制，实验结果的解释，每一实验步骤与操作等诸因素中，都包含了深刻的思维活动。可以说没有思维的实验是盲目的，没有实验的思维是空洞的。思维是物理实验正常进行的 “软件”，是物理实验中最富有创造性魅力的因素。物理实验仍是一种以理性思维为主的活动。因此，诺贝尔奖获得者李远哲教授说过：“动手能力实际上是动脑能力，做实验时你先要深刻地动脑思考，动手操作是在思维控制下的有目的动手，真正起作用的是动脑思考，做事情首先要动脑，然后你的动手能力就增强了，可谓 ‘心灵手巧’。”

1 实验在思维发展中的功能

冯忠良教授阐明了智力技能与操作技能的联系：操作技能是智力技能形成的最初依据，智力技能的形成常常是在外部操作技能中，逐步脱离外部动作而借助内部言语实现的；智力往往又是外部操作技能的支配者、调节者，往往复杂的操作技能，总是包含认知成分，需要学习者智力活动的参与，手脑并用才能完成。基于这样的相互联系和相互促进，决定了实验在思维发展中有着如下独特的作用。

1.1 实验是思维启动的诱因

杜威说：“思维起于直接经验的情境。”这是因为，实验不仅提供感性材料，更重要的是启发积极的思维。直观而典型的感性材料会促使学生顺利地进行正确思维，从而有助于进一步理解事物的本质与规律。一般而言，学生的思维最容易从具体实验中相遇的问题开始。而且实验内容是启动人们通过一定的手段和途径 (思维操作)达到一定目的 (思维结果)的原动力，它使物理实验思维具有方向性和意识性。这是因为实验能提供丰富且直观的感性材料。因此，维果茨基说：“人的思维与智力是在活动中发展起来的，是各种活动、社会性相互作用不断内化的结果。”在实验教学中，可以从真实的实验装置、实验操作、实验现象、实验体验中产生问题，从而启发学生的积极思维。甚至，或从一种现象的问题，联系到其他问题，以启发学生的思维。通常新课引入的实验主要就是起到思维的启动引导的作用。

1.2 实验支撑思维的表象

仪器是人的理性方法的物化。因此，实验为思维创造了活生生的 “经验”。思维是人脑对事物规律和事物间规律性的反映。这种反映的是一类事物共同的、本质的属性和事物间内在的、必然的联系。因此，思维在人脑中进行心理活动时是依托一定具体的事物才能发生的。可见，实验所得到的事实不但给思维活动提供了原始材料和主要的依据，更重要的是对思维形成提供支撑的表象，从而有助于形成清楚的思维模型。如灯泡发光，知道有电流只是感知。只有将电源、导线、电流及电流效应联系起来，弄清楚电流经过电阻(灯丝)时产生热效应而发光。这就有了深入内部与把握因果关系的思维了。物理规律和内在联系，多数是隐藏在纷繁复杂的现象中，当探究其规律或内部联系时，通过实验直观形成一个清晰的支撑思维的表象。因此，规律和内在的联系就需要同直观材料联系，故依据直观的实验就更为必要了。

1.3 实验激励思维的发展

鲁利亚说：“在人有适当的动机而使课题变得迫切了，并且它的解决成为必要的了。当人要从他所处的情境中走出来，而又没有现成的解决办法时，只有在这种场合思维才出现。”实验现象或结论与原有的认知往往不符而为我们提供了心理上的差异，这就成为思维的起点。这个不符原有的认知结构的现象或结论，会促进人脑的思维，或同化或顺应来解决这个思维的不平衡。思维是一种认识实验操作或解决实验问题的过程或活动。这个过程或活动是按照一定的实验操作的流程、采取一定的实验方法或手段来进行的。因此，实验也是对人的思维定势的突破起着摆脱思维教条习惯和羁绊思维常规习惯的作用。

1.4 实验对思维发展有导向功能

学生对知识的理解是通过思维实现的。因此，德波诺说：“思维就是为了某一目的的探究。”只有在丰富的、典型的、正确的感性材料的基础上才能更好地进行比较、分析、综合、抽象、概括，从而理解事物的本质与规律。所谓正确的感性材料，首先应具有直观性。即通过实物直观和模型直观相结合等形式去伪存真，由表及里，由现象到本质，由浅及深，由个别到一般的感性材料。实验操作不仅是在思维控制下的一种思维的 “外现”，更重要的是在实验操作动作的过程中，对思维相关因素的活跃以及品质有一种刺激的作用。因此，实验具有促进思维经验形成和发展的作用。

2 基于实验促进学生思维的策略

2.1 观察实验现象促进思维

观察能力并不是一种孤立的能力，它与智力结构中的其他能力有着复杂的关系，是相互制约、相互渗透的。通过观察，要能够提出问题，能够对不同的对象进行比较找出异同，分清主次并找出各部分之间的联系，对观察的结果能够进行分析概括，发现事物的现象与本质之间的关系等。因此，科学家波义耳说：“只有实验观察才是形成科学思维的基础。”由于实验具有 “放大”现象、“纯化”现象、 “重复”现象、 “延伸”现象等作用。同时实验现象的新、奇、妙，使观察者产生为什么是这样的心理需求。因此，学生会积极紧张地思考，主动配合教师解决问题。这种以实验诱发学生思维的教学方式，也是培养学生思维能力的有效手段。

2.2 设计实验方案促进思维

实验方案设计是学生具有一定的相关知识和习得一定的操作经验的基础上，根据思维程序来完成的心智活动，是最能体现一个人的思维能力的一项活动。因此，我们要从以下几个方面来促进思维的发展。

2.2.1 设计多种实验方案来培养思维的发散性

在实际教学中，教师要运用启发式教学，改善实验设计的条件，改变实验设计的类型，让学生设计出各种可能的实验方案，是运用一种变通的、灵活的形式进行多渠道、多层次地推测、想象和创造性联想的思维。多种思维的开发和运用可为创造性思维的发展提供一个更为广阔的天地。如设计多种方法测电阻的实验方案中，可使学生变定势思维为多向思维，从而使其创造性思维，在拓宽设计思路、优化设计方法、寻求最佳途径的过程中得到切实的锻炼。

2.2.2 对实验方案的评价来培养思维的缜密性

让学生独立设计实验方案，在具体的操作中难免顾此失彼，这就需要教师适时地加以引导，针对实验方案设计中的漏洞，启发学生自我完善，要从实验设计方案的原理正确、方法科学、操作方便、结构简约、低碳环保、经济合理等方面进行评价，从而训练学生思维的缜密性。

2.2.3 挖掘各类实验来培养学生思维的深刻性

挖掘课本实验的典型性、代表性。因为课本中的实验是课程标准要求学生掌握的最基本内容，是形成思维经验的第一步。因此，一是要重视经典实验，经典实验闪耀着科学家的智慧，包含着巧妙的思维要素。二是要拓展演示实验，演示实验生动、直观、形象，在教学中适当拓展演示实验，可以培养学生设计实验方案的思维和能力。这样有意识地引导学生进行综合分析比较，透过现象看本质，培养其思维的深刻性。

2.2.4 多种方案满足同一实验来培养思维的概括性

阿基米德原理实验是物体所排开的液体的重力等于物体所受到浮力。我们可设计如下不同的实验方案来实现：弹簧秤重力差法、对比溢水法、验证法、推理计算法等。

2.3 实验操作的体验促进思维

苏霍姆林斯基在 《给教师的一百条建议》中写道：“我发现，双手灵巧的儿童，热爱劳动的儿童，能够形成聪明的、好钻研的智慧。”这里指的不是任何一项劳动，这里指的是复杂的、创造性的劳动。他明确指出这种劳动有设计和安装机器、机械、仪表的活动模型。还解释为这种劳动在于各阶段和工序之间存在着依从关系，要求高度注意、精神集中和进行思考。手的动作和思想有不断的联系：思想检验，矫正和改善着劳动过程，手则似乎把详细情况报告给思想，劳动发展着人的智力，教人连贯地思维，深入了解各种事实和现象之间无法直接观察的依从关系。思维处于运动中，处于探索中，人的思维视野面前出现了跟概括性结论有关的一些明显观念。可见，实验可引导学生进行正确的思维，有助于形成正确的思维方法。这是因为，首先它符合了 “实践——理论——再实践”的认知过程，其次它是从实验感知到的实物出发，通过分析比较，由表及里，去伪存真，去粗取精的思维过程。因此，实验帮助学生获得正确结论和习得思维方法。

2.4 实验数据的处理促进思维

物理实验数据是描述物理实验现象、揭示物理规律的一种特有的 “数字语言”，准确分析和处理实验数据是学生必备的实验能力。也是提高学生思维的有效手段之一。思维是在知觉、感性知识基础上抽象、分析、概括、判断、推理过程，是各种智力因素的核心，那些实验数据具有附带着实验目的、表征着实验活动、外显着实验规律、彰显着伟大发现的特征，正是培养学生思维的好材料。从实验目的或预测结果中思考分析出需要测量哪些数据，这些数据如何测量、采用什么技术才能比较精确误差小；通过对取得数据的分析，发现某些具有一定 “特征”的数据放在一起对比分析，思考采用什么数学知识才能分析归纳出其中的规律，并更直观地表示出其中隐含的数学公式；通过对实验数据误差修正和处理，采用什么合理性数据的拟合法才能使数据更符合科学。对实验数据的处理，可培养学生思维的深刻性、选择性、发散性。

2.5 实验装置制作促进思维

依据实验目的，根据自己习得的实验经验和技能，设计评价选择实验装置，培养学生思维的独特性和创造性。思维的独特性，就是指超越固定的、习惯的认识模式，能独出心裁地综合统筹复杂环境的诸多因素，产生一种新的不同凡响的思维活动。其思维路径、实践方式和思维成果能标新立异，冲破已有的思维结构框架和专家权威传统观念的束缚，刻意求新，另辟蹊径。特别是在自制教具和个性化的实验设计时，学生思维活跃且得到积极的反映，进一步促进思维的发展。

3 教学中培养思维的注意事项

特级教师吴加澍提出实验教学的 “三问”：让学生参与物理实验的设计过程。这个实验应该怎样做——知其然；这个实验为什么这样做——知其所以然；这个实验还能怎样做——知其所尽然。换言之，实验教学不仅要有热闹的现象，更要有深刻的本质思考。因此，在实验教学中培养学生思维能力要注意以下几点。

3.1 思维能力的培养要符合学生的认知规律

在实验教学中注意用符合学生思维的过程和方法来引导，对实验现象、实验数据、实验事实进行分析归纳，由此得出有关结论。在关键的地方给予指导和帮助，以符合学生科学的思维方式进行实验教学，从迷人的实验现象中走出来成为理性的思维者。具体的原则是让学生经历实验的过程，在体验与思维作用下，形成概念、探寻规律。

3.2 教学中注重培养学生的思维品质

思维品质是在通过物理实验过程中逐步养成和发展的，它反映了思维结果的质量，体现了个体思维水平的高低，是衡量个体思维发展水平的主要指标。主要包括物理实验思维的深刻性、灵活性、批判性、独创性和敏捷性等。在实际教学中，要通过以下方法来提高思维品质。

(1)通过拓展性实验，培养思维的广阔性。在实验教学中，教师可借助一些扩展性实验，认清事物的本质特征。这样既激发了学生学习的兴趣，又培养了学生思维的广阔性。

(2)通过相似性实验，培养思维的深刻性。例如对装开水的烧瓶抽气或浇冷水，使热水重新沸腾的实验，都演示了压强减小，沸点降低。但抽气是使瓶内空气稀薄而导致压强减小，浇冷水是由于瓶内空气体积受冷收缩，而使瓶内的压强减小，抓住本质分析能使学生对两个装置反映的物理现象理解更为透彻。

(3)通过对实验 “异常”现象的分析，培养思维的独立性。在实验过程中，有时往往会出现一些意想不到的 “异常现象”，学生又往往怕被教师发现而隐瞒真相，教师要鼓励学生根据已有知识去分析和思考产生异常现象的原因，让学生自己找到解决问题的方法。如摩擦起电时 “同种”电荷相互吸引的现象。

(4)通过改变实验条件，培养思维的灵活性。如伏安法测电阻时，缺少电流表和缺少电压表，也能完成测定电阻的任务。

(5)通过对比实验，培养思维的敏捷性。在实验教学中，通过对比实验，可以消除思维定势的负面影响，缩短领悟时间。同时注重引导学生做一些与教学内容有关的小实验、小制作，用学生所熟悉的生活用品做实验，在完成小实验、小制作的过程中，学生必须弄懂实验原理，寻求合适器材，进行加工、组装，在操作过程中，不仅培养了学生的动手能力，更重要的是培养了学生的创造性思维。

3.3 采取典型案例强化思维训练

对于学生学习知识来看，演示实验是比较典型的实验，教师不仅要操作规范、确保实验现象明显、还要注重学生的观察，挖掘每一个过程中的思维因素。因此，手要做、眼要看、脑要思，三者相互结合。为了便于引导学生思维，教师在常规演示中可提出系列问题：这个实验能否反映课文提出的问题?这个实验需要什么条件?这个实验可以用怎样的装置来演示?这些仪器怎样组装?实验顺序怎样操作?为什么要按这样的顺序操作?看到 (或预期看到)什么现象?为什么会有另外的 (异常的)现象或者为什么实验不成功?在不同的实验中，也会有不同侧重，但它可以在一定程度上强化学生实验时手脑并用的方向。因此，我们要充分利用演示实验来培养和训练学生的科学思维。如在学习液体内部有压强时，可先让学生细致观察，然后出示以下问题：

(1)本实验需要研究观察什么?怎样观察?

(2)为什么当教师把手按在压强计的橡皮模上用力时，U型管中的红墨水会出现一个液面差?

(3)为什么把压强计放入盛有一定液体的烧杯中，不用手按橡皮模也会出现一个高度差?

(4)这两次实验有何特点?

(5)在相同深度时，即使橡皮膜的方向不一样，U型管中的液柱高度差会一样吗?说明了什么问题?

通过预先设定的问题，学生在观察时就会认真、仔细的对待所出现的实验现象，并且动脑思考问题的答案，从而提高了课堂的效果。

4 小结

思维贯穿于物理实验的准备、实施和结果处理的全过程。不论是物理实验的操作、现象观察，还是提出实验的问题、设计实验方案以及由实验现象建立物理概念、形成物理规律、解决物理问题等过程都离不开实验思维。这是因为，学生学习物理知识的过程是个体凭借已有的物理知识经验，对有关的物理实验的信息进行分析综合、抽象概括等一系列的思维加工处理，以理解实验目的、形成实验设计、获得物理概念或验证物理规律等的内在认知过程。因此，爱因斯坦说：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。物理书上充满了复杂的数学公式，但是所有的物理学理论都是起源于思维与观念，而不是公式。”