实施物理科学方法教育的策略谈(续)

　　摘要：本文从四个方面论述了进一步全面落实物理科学方法教育需要做的几项工作。
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　　关键词：课程标准；科学方法教育内涵；实验教学；科学方法教育因素
　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）2（S）-0001-5
　　（上接第1期）
　　如前所述，物理教学中实施科学方法教育的目的之一。就是要弘扬科学的创新思想，培养学生的创新意识。而富有新意的实验则是一个教师的创新精神、创新意识和创新能力的最好体现。下面我们结合实例，谈谈如何在实验的过程中，通过反思设疑、改革创新，点燃学生创新的思维火花，捕捉生成新的资源，推进创新人才的早期培养。
　　4.5 通过实验培养学生的创新意识
　　4.5.1 任何一个成功的实验都是综合利用多种科学方法的成果
　　例如，如图10、图11所示的微小形变实验，玻璃瓶的底面是椭圆形状的。是为了探究物体受力是否发生形变而开发的一个看上去很简单的实验，但是我们却可以提出几个有关科学方法方面的问题：
　　①如何探究玻璃瓶能否发生形变？显然利用实验方法是最简单可行的。
　　②这个实验是由三部分组成的：
　　实验对象――玻璃瓶；实验源――人手；实验效果显示器――细玻璃管中的色水。初中物理实验中有十几处都是利用了这种方法显示实验效果。
　　③在此实验中，人手是力源还是热源可以作为悖论提出来研究。如果是热源，那么先后从两个方向用手捂而加热的话，细玻璃管中的色水应该是连续上升的。这与实验结果是矛盾的，否定了加热，肯定了手是起到力源的作用。
　　④问题：为什么如图10那样，沿着底面短半轴方向挤压玻璃瓶时。细玻璃管中的水是上升的：如图11沿着底面长半轴方向挤压玻璃瓶时，细玻璃管中的水是下降的。一个上升，一个下降，是否矛盾？我们只要利用数学知识，即可迎刃而解。原来沿着短半轴方向挤压时，椭圆面积变小了，挤压时水沿着细玻璃管上升；当沿着底面长半轴方向挤压玻璃瓶时，底面向着圆的方向发展，同样周长的曲面，圆面积最大，因此挤压时水沿着细玻璃管下降。
　　同样如图12所示的真空铃实验也可以提出类似的一些问题：
　　①如何探究真空中能否传播声音？
　　②实验的三个基本组成部分：实验对象――封有空气的钟罩及发声闹钟：实验源――抽气机；实验效果显示器――人的耳朵。
　　③如何分析得出结论
　　因果关系分析：分析电铃声音变小的原因是抽出了气体。
　　共变分析法：声音变小是与气体逐渐减少同时发生的。因此，根据因果共变说明气体逐渐减少是声音变小的原因。
　　理想实验：真空是难以实现的，抽气到一定程度，即可做理想实验进行推理；如果继续抽成真空的话，声音就会消失了，说明真空不能传声。
　　反向对比：逐渐向钟罩里充气，声音又逐渐变大，说明了声音传播与空气的关系。
　　④共变法：如果每当某一现象发生一定程度的变化时。另一现象也随之发生一定程度的变化，那么这两个现象之间就有因果关系。
　　4.5.2 实验对象的拓展
　　将实验对象从一个（种）拓展成多个（种）。例如，学习了通电导体在磁场中受力（如图13）之后，有的学生问老师。通电的液体在磁场中是否受力，受力之后的液体呈现什么样子？这是许多老师包括笔者，从来没有考虑过的问题。老师如实回答不知道。让学生自己去进行实验观察研究。结果学生到化学实验室，研究通电食盐水在磁场中受力的情况，发现通电食盐水转动起来。
　　实验过程中。学生改进了电源连接的方式。并在食盐水中撒一些纸屑用来观察食盐水的转动（如图14），同时研究了此过程中的化学反应式。学生不仅学到了知识，还体验了探究的乐趣。
　　4.5.3 实验方法的创新
　　例如，显示光线时有的老师应用棉线绳显示光线的路径，十分明显。又如，研究平面镜成像问题时，现在一般的初中教材基本上都是借助于转换的方法，用透明玻璃板代替平面镜（如图15）。人们不禁要问，难道就没有办法直接用平面镜进行研究吗？有的老师这样设计：用平面镜和两个完全相同的墨水瓶A、B，研究“平面镜成像的特点”。实验时，将平面镜竖立在桌面上，把A放置在镜前的边缘处（如图16）。调整观察角度，可在镜中看到它的部分像。再将B放到镜后并来回移动。直至其未被平面镜遮挡部分与A在镜中的不完整像拼接成一个完全吻合的“瓶”，那么墨水瓶B所在的位置即为A在镜中成像的位置。
　　再如，有的老师用如图17所示的“斜面塔”代替原来的单个斜面，这样就可以“同时观察”三种不同平面上物体移动的距离，不必再作数据的记录，这对定性实验来说是很方便的。
　　4.5.4 实验仪器的改进
　　进行实验仪器的改进。最常用的方法是“列举不足”。例如，研究楞次定律时，传统的是向一个线圈中插拔磁铁，观察与线圈相连的电流计的指针是否偏转以及偏转的方向，进而研究总结楞次定律（如图18）。由于电流表的指针在偏转过程中有惯性问题，这样磁针偏转越过中心零点，是电流方向不同引起的还是惯性问题。容易引起歧义。江西的郭训盛老师研制了一件实验仪器：在一个自己绕制的线圈的两端，并联两个正反向连接的发光二极管（如图19）。当用强磁铁靠近线圈时，假设是左面的二极管发光，那么远离线圈时则是右边的那个二极管发光，进而据此分析研究总结楞次定律。解决了上述传统仪器几十年来未解决的不足之处，这是一种仪器的创新。为此他在全国名师大赛中获得了特等奖。
　　4.5.5 开拓研究思路。形成系列实验
　　不断地对实验进行反思，提出一些相悖的问题，进而设计实验，形成系列化实验。例如，如图20所示用小烧杯做覆杯实验（不够惊险）――提出用大的烧杯可以做吗？如图21所示用大玻璃筒做覆杯实验（比较惊险）――提出质疑：纸片覆在玻璃杯上，真的是因为大气施压的缘故吗？――设计实验：将实验用的覆杯放到真空罩中（如图22），抽出空气到一定程度时，纸片脱落下来，说明纸片覆在玻璃杯上，真的是因为大气施压的结果。以上实验连续形成了系列实验，很有借鉴意义。 　　②求同比较：分别比较通电螺线管外部磁场的极性是相同的两种情况（如图23中①③或②④）。如果两种情况中，有相同的条件（线圈的绕向或电流的方向），那么这个相同的条件就是决定通电螺线管外部磁场极性相同的条件。
　　4.5.6 实验归纳法总结规律
　　实验归纳法是总结物理规律最基本的方法，但是仅仅应用实验是不足以总结出规律的，必须进行科学的思维，并应用数学方法，方可达到目的。
　　（1）物理实验结合科学的思维
　　物理规律包括定律、定理、方程和法则（定则）等，下面我们以探究“通电螺线管的磁场是什么样的”（即如何判断通电螺线管的极性）为例，看看在实验探究的基础上，如何应用求同法、求异法进行因果关系分析总结规律。
　　①进行实验：在两种（只有两种）不同绕向的螺线管中，接入不同方向的电流，利用小磁针可以判断出它们的极性分别如图23中的①-④所示（或用磁感应线表示，略）做实验，只有如下四种不同的情况。
　　据此，我们比较图23中①③或②④可得：电流的方向相同是极性相同的原因。
　　③求异比较：分别比较通电螺线管外部磁场的极性不相同的两种情况（如图①②或图③④）。如果两种情况中，有一个是不相同的条件（线圈的绕向或电流的方向）。那么这个不相同的条件就是决定通电螺线管外部磁场极性不同的条件。据此，我们比较图①②或图③④可得：电流的方向不相同是极性不相同的原因。
　　④多因素比较：如果我们比较图①④或图②③，则有两个不相同的条件。难以确定螺线管的极性不同是由哪个因素引起的。
　　综上所述。通过以上6种涵盖了通电螺线管外部磁场的所有情况的比较可知：通电螺线管外部的磁场，只与电流的方向有关。也就是说知道了电流的方向就可以判断通电螺线管外部磁场的极性，这是客观的存在。至于下一步，总结用什么方法表示磁场方向与电流方向之间的关系，则是因人而异。例如，可以用右手螺旋法则表示，也可以用其他方法。
　　我们用这么多的笔墨，说明了右手螺旋法则建立的过程和方法，好像不值得。实际上，我们只要掌握了这种思路。学会了研究问题的方法，就可以举一反三。我们不是变得更聪明了吗？笔者想学生一定会应用这种方法。找出一种形象化的方法来判断通电导体在磁场中所受力的方向与磁场方向、电流方向的关系。
　　我们还要鼓励求异思维。例如，2012年12月12日笔者听课时，有一个学生用了这样一种方法，根据实验结果（如图24）：
　　学生说，如果线圈是像图24的①②那样绕法的话，N极就在电池的正极那一方（正确）；如果线圈是像③④那样绕法的话，N极就在电池的负极那一方（正确）。学生把判断法则总结成二种情况，涵盖了所有可能性。只要再进一步合二为一即可总结出右手螺旋法则。这和历史上关于热辐射规律的研究，是多么的相似啊：维恩公式只适合于短波，瑞利一金斯公式只适合于长波，普朗克提出能量量子理论。综合提出普朗克公式，化解了物理大厦上空的乌云。
　　（2）物理实验结合数学方法
　　我们以实验归纳法总结部分电路欧姆定律的数学表达式为例说明。
　　①作单因子实验
　　a.先固定导体的电阻R不变，改变导体两端的电压U，观察电流，与U的关系：
　　可得：I∝U ……（1）
　　b.固定电压U不变。改变电阻R，观察，与R的关系：
　　可得：I∝1/R ……（2）
　　c.综合（1）与（2）两式可得
　　I∝U/R ……（3）
　　为何可以综合得出上述式子：不等式的右边相乘。而不等式的左侧没变？为何可以这样？不说出理由，这是很难让人相信的。但是要想说明这一问题，需要应用复杂的高等数学（可以参考咸世强和秦晓文撰写的论文《牛顿第二定律实验的数学基础》，刊登在北京《教学仪器与实验》杂志2000年第4期）。下面我们用简单的方法解决以上问题。
　　②写成数学关系式（即将（1）（2）二个比例式写成一个等式）
　　规定单位：如果导体两端的电压为1伏特，通过的电流为1安培，此时导体的电阻称为1欧姆，根据（1）式及上述规定，则有：
　　即I=U/R，此式即部分电路欧姆定律的表达式。
　　将I∝U/R写成等式理应为：I=K?（U/R），由于上述规定单位的方法，使K=I公式最简单。凡是遵循正比例或反比例关系的物理规律，如阿基米德定律、焦耳定律、牛顿第二定律等都可以经过类似步骤总结出数学表达式。我们在此“浪费一点时间”让学生学会这种方法，是很有意义的，这也是学习科学方法之魅力所在。
　　（3）物理实验结合视频分析方法
　　只做实验，有些现象的规律仍然难以总结。例如，一个物体由上向下落入一盆水中，我们会看到水花四溅，这里水花四溅的规律与物体的体积、形状、密度、高度等因素有何关系？只根据实验是难以总结的。我们可以用高速摄像机，连续高速拍摄，将其图像、数据通过传感器输入到计算机中，利用适当的软件即可找出其规律，这种总结规律的方法，可以称为视频分析方法。
　　限于篇幅，物理概念教学中、物理规律教学中、习题应用教学中的科学方法因素，读者可参考本文后列出的参考文献，不再赘述。
　　参考文献：
　　[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准[S].北京：北京师范大学出版社，2011.
　　[2]张宪魁.物理科学方法教育[M].青岛：中国海洋大学出版社.2000.
　　[3]张宪魁，张喜荣.物理科学方法教育视频教程[M].广州：广东科技出版社.2013.
　　[4]项华，罗乐.视频分析方法运用于物理教学活动之简介与探讨[J].物理教师，2013，（1）：13.
　　（栏目编辑 廖伯琴）