以设计性实验为载体，培养学生的创造性思维能力

近年来高考物理试卷对实验的考查，已从一般性的实验知识记忆转向对实验原理和方法的理解与迁移，开始出现了以学生实验和演示实验为背景的设计性实验试题。所谓设计性实验，就是要打破现成的实验方案，在一些特定的要求和条件下自行设计新的实验方案和步骤，完成其实验要求。由于这种设计具有较大的灵活性，需要学生在牢固掌握基础知识和基本方法的前提下富有创造力，因此，以设计性实验为载体，是培养学生创造性思维能力的一条重要途径。本文重点探讨与设计性实验相关的几种创造性思维品质。

一、实验方案的多样性与思维的广阔性

　　人类正步入信息社会，各种信息的数量急剧增加，成份日趋复杂。显然只有单通道的集中思维，已不能适应现代社会发展的要求，还需要有多通道的发散思维与之协同互补。所谓发散性思维，指的是一种沿着不同方向、不同角度思考，从多方面寻求多样性结论的辐射型思维方式。在物理实验中，即使实验目的和要求相同，但如果实验原理和实验器材不同，实验方案也往往具有多样性。因此实验教学中，如能选择典型的课题。通过多种实验方案的设计和实施，则可有效地训练学生思维的广阔性。具体可采用的方法有：

　　1、根据同一实验目的，开放常规实验器材，让学生自己设计实验方案，选择实验器材进行实验。例如，测干电池的电动势和内电阻是高中物理的一个重要实验。针对这一实验，在学习了闭合电路欧姆定律以后就可编制如下一道实验设计训练题：

　　（1）利用电学实验中常用的仪器和仪表，可能有哪几种测量电池电动势和内电阻的方法。试画出实验电路，并说明其测量的原理和方法。

　　（2）如果再补充些仪器（如电势差计），你还有其它方法吗？

　　（3）这些方法中，哪些是比较合理的？哪些是比较精确的？哪些方法中需要附加些条件？

　　（4）试就你所想到的各种方法，作一归纳总结，从中能得到测量电动势和内电阻的一般规律吗？

　　学生通过广泛联系和运用所学的知识和方法，集思广益，初步提出了近十种可能的实验方案，其中一些不乏闪烁着创造性思维的火花。对此，再组织学生讨论、辩析，对合理的加以肯定，不恰当的指出问题所在，对无法完成的方案阐明其原因。各种方案在一一论证以后，只要条件许可，都可组织学生自己动手操作，进行实际测量。

　　2、根据限定的实验器材，要求学生进行发散性实验设计，看看最多能做多少种不同的实验。例如，在电学实验中，提供以下实验器材：电流表（0～0．6A—3A）、电压表（0～3V—15V）、滑动变阻器（0—50欧）、电池、小灯泡、几个阻值不一的定值电阻、电键、导线若干。

　　要求：利用上述仪器尽可能多地设计一些电学实验。

　　笔者曾让学生练习过，结果学生共提出了十多种可行的方案，兹例举如下：

　　①如图1（a），用伏安法测定值电阻的阻值。

　　②如图1（a），验证欧姆定律I＝U／R。

　　③如图1（b），用伏安法测伏特表的内阻。

　　④如图1（C），研究小灯泡的伏安特性规律

　　⑤如图1（d），用伏安法测电池的电动势和内电阻；

　　⑥如图1（e），验证并联电路总电阻的公式；探索并联电路的总功率与各支路功率的关系。

　　⑦如图1（f），研究滑动变阻器的限流和分压变化规律。

　　⑧如图1（g），研究照明电路中电灯的亮暗随负载变化的规律。

二、实验仪器的局限性与思维的求异性

　　审视传统的物理教学，我们的观念总是强调确定性，排斥可能性，在这种教育的熏陶下，培养的学生往往长于求同，而弱于求异，其结果往往是墨守成规，缺少创新。要真正塑造创造型的人才，教师在教学中必需要鼓励学生勤于观察、敢于质疑，勇于发问，即便对那些已成定论的东西也不妨去重新审视或争论一番，使之不成为僵死的教条。诚如笛卡尔所说：“科学产生于怀疑”。以测量性实验为例，由于每一种测量仪器都有其基本的固定的作用，如用刻度尺测长度、用天平测质量等，但如果要求突破测量仪器固有的功能（局限性）去测量一些看似没有因果联系的物理量，这对培养学生的求异思维品质无疑是一条“绿色通道”。

　　例如：提供一定容积的并盛满清水的“可乐瓶”一只（瓶底有一小孔）、细线一根、米尺一把、小祛码一只和用来盛水的桶一只。试估测水从此瓶底小孔连续流出的平均流量，并进行测量的误差分析。

　　此题是1997年浙江省中学生物理竞赛实验试题。从题意来看：水的平均流量Q＝水的总体积V／水流尽的时间t。从提供的条件来看：其中水的体积可从瓶贴的标签上直接观察得到（这里考查的是学生的观察能力，遗撼的是一些考生并未发掘出这一点）；最困难的问题还在于，如何测量水流尽所用的时间？要想突破这个难点，需要从实验方法上寻找解决办法：用题目提供的细线与祛码组装成一单摆，用它作用一间接的计时仪器去替代秒表。它的摆长L可由米尺测出，周期可由公式算出，只要以此作为“参照量”数出水流尽过程中单摆全振动的次数N，即可测得时间t＝NT。

　　显然，该题运用的是物理实验中典型的替代法，即用已知的标准量去代替未知的待测量，以保持状态和效果相同为判断依据，从而求出待测量。

　　又如：试用一根卷尺估测一堆砂粒间的动摩擦因数。

　　如果说上述实验的设计还是“有法可依”的话，那么本题的设计可谓是“无法无天”，因为卷尺测得的长度与砂粒间的动摩擦因数似乎是风马牛不相及的两码事。但是，我们可以这样来思考，要测定砂粒间的动摩擦因数，必须让砂粒间发生相对运动；再联想到力学中一个常见的斜面模型，如图2（a）：逐渐增大斜面倾角0使木块在斜面上将要发生相对滑动，此时有p＝受这一原型的启发，我们可将题给的一堆砂从高处慢慢漏下，在地面上形成一圆锥体，并不断增高以至高得不能再高，即表面砂粒将要开始滑动。如图2（b）、此时的砂堆不就构成一“蠢蠢欲动”的斜面了吗？隔离出其表面的任一颗砂粒，不就相当于斜面上的一木块了吗？

　　这样一来，通过θ这个中间变量即可把动摩擦因数u的测量转化为可用卷尺测量的长度（圆锥的高h和周长L）。在物理实验中，将不易直接测量的物理量转化为另一种易观测的物理量进行测量的方法，称为转换法。本题运用的正是这种转换法。

　　除以上所用的几种方法外，还有一些常用的实验方法，如比较法、放大法、补偿法、共轭法等。在实验设计的过程中，实验方法起着关键的作用，而求异思维则为实验方法的选择开拓了思考的不同途径。当然，科学求异决不是胡思乱想，它来源于扎实的知识基础和敏捷的思维能力，既要敢于想，又要善于想，才能充分发挥实验方法的长处，以较高的效率、简明的方法去解决面临的新问题。

三、实验误差的客观性与思维的批判性

　　实验误差总是客观存在的。在很多情况下，系统误差是影响测量结果的主要因素，可是它又常常不明显的外现出来，有时却给实验结果带来严重影响。因此，用“批判”的眼光发现并正视实验的系统误差，再想方设法予以修正以尽量消除它的影响，这既是误差分析的重要内容，也是从理性的角度进一步完善实验原理。设计更精确的实验方案的重要依据。爱因斯坦曾在《论教育》中谈到：“发展独立思考和独立批判的一般能力，应当始终放在首位。如果一个人掌握了他的学科基础理论，并且学会了独立地。批判性的思考和工作，那么他必定会找到自己的道路，而且比那种主要以获得细节知识为其培训内容的人来，他一定会更好地适应进步和变化。”

　　例如：在竞赛辅导中，我们曾引导学生对如何测电阻这一课题进行了深入的研究。

　　具体的运作大致是；用简单的伏安法电路，不论是采用电流表内接还是电流表外接，都有因电表的内阻对电路的影响而产生的系统误差。针对这一问题，先给学生介绍补偿的思想，然后由学生自行设计出电流补偿和电压补偿两种线路（电路图略）。补偿法解决了由于实验电路不完善带来的系统误差，但这个矛盾解决了，电流表和电压表不够准确的问题便上升为主要矛盾。怎么办？经过进一步思考改进，大家认为可以用准确度高得多的电阻箱来取代电压表和电流表，再辅以灵敏度很高的电流表，便可大大提高实验结果的准确度，这就是常用的惠斯通电桥（电路图略）。最后让学生分别用上述三种方法实际测量了同一个标准电阻的阻值，比较测量结果证实了理性的分析。历史上，从伏安法到电桥法经历了很长的一个过程，而在这堂实验课中，学生亲身体验了这样一个发现问题、分析问题、解决问题的全过程。这种有序的启发对学生创新思维能力的培养是大有稗益的。

　　又如：在用打点计时器做验证牛顿第二定律的实验时，如果用进码盘和砝码代替砂桶和砂，如给定四个质量均为m的小砝码，已测出进码盘的质量M＝2m，小车的质量M＝4m，假定小车与木板间的摩擦已被平衡且其它所需器材不变。为了较准确地验证牛顿第二定律，该如何设计并完成这个实验？

　　实验中若以小车为Mg－T＝M′a和T＝Ma可得出，其中M为小车和车上所载图3硅码的总质量，M′为祛码盘和所载过码的总质量，显然，只有满足M＞＞M′时，才有T＝M′g，即可以M′作为小车所受合外力进行研究。

　　但在题给的器材中，即便将砝码全部载入小车，也不能满足上述条件。为解决小车所受拉力的矛盾，我们可以通过转换研究对象，即以小车、以砝码盘和盘中所装砝码所受重力为系统所受的合外力，这样就可较准确地达到验证的目的。具体的实验步骤为：

　　保持质量不变，改变外力，测加速度验证a与F的关系：

　　首先将4个砝码载入小车，以空砝码盘所受重力作为外力F1＝2mg，测出第一个加速度a1；然后每次将一个小砝码从小车上移到砝码盘中，系统的质量始终保持10m不变,而外力则依次变为F2＝3mg，F3＝4mg，F4＝5mg，F5＝6mg，分别测出各次的加速度a2、a3、a4、a5。作出a-F图象即可验证之。

　　保持外力不变，改变质量，测加速度验证a与M的关系。

　　先让小车空载，砝码盘也空载，测出第一个加速度a1′，对应外力F＝2mg，系统质量m1＝6m；然后依次将一个砝码载入小车，使系统质量逐次变为M2＝7m，M3＝8m，M4＝9m，M5＝10m，而外力始终保持F＝2mg不为难，分别测出相应的加速度a2′、a3′、a4′、a5′。作出图象图象即可验证之。

　　“回顾与展望、继承与发展、传统与创新”──这是一对永恒的矛盾，也是一个永恒的课题。行文至此，回想我们的举措仍感到非常欠缺，何况利用设计性实验仅仅是培养学生创造性思维能力的一种载体。物理学是物理学家创造性的劳动结晶，物理教学使学生获得他们未曾拥有的物理知识，也是一种创造性的认知过程。尽管我们不能期望中学生作出惊天动地的创造发明，但学生的创造意识、创造性的思维品质则需要我们充分利用各种载体逐步加以培养，这是时代赋予我们的重任。