立足实验教学培养创新能力

1、立足实验教学培养创新能力(2002-11-19 08:34:28)    【摘要】实验在培养学生创新能力方面有着重要的、不可替代的作用。物理实验教学要着重培养学生的创新观察能力、创新实践能力和创新思维能力。 【关键词】实验教学 创新能力 观察 操作 思维 【中图分类号】G633.7 【文献标识码】A 【文章编号】1000-0186(2001)07-0039-04 人类社会的历史是一部不断发展、不断创新的历史。如果没有昨天的创新，就不会有今天的辉煌；如果没有今天的创新，同样也不可能迎来明天的腾飞。因此，“创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力”，同时

2、也是我们教育肩负的一项历史使命。如何培养新一代具有创新能力的人才，成为我们每一个教育工作者所面临的一个重要课题。科学研究表明，人的创新能力和右脑有着密切的联系，只有大脑左右半脑的功能得到平衡发展，两半脑的活动相互密切配合，人的创新能力才能得到高度发展。而右脑功能的开发主要靠能体现形象性、直观性等特点的各种实践活动。因而实践活动在培养创新能力方面有着重要的、不可替代的作用。有鉴于此，我们必须立足实验这个物理学的基础，努力构建培养学生创新能力的“大厦”。 一、着眼于看，培养学生的创新观察能力 观察作为一种有目的、有计划、较持久的知觉，是人们全面、深入、正确地认识事物的一种过程，是学生认识世界、获得

3、信息和汲取知识的主要途径。观察应讲究方法，善观察者，可以见常人所未见；不善观察者，入宝山空手而归。例如，英国物理学家法拉第和科拉顿分别进行了电磁感应实验，结果法拉第获得了成功，而科拉顿却错失良机，就是一个很好的例证。因此，观察能力本身也是创新能力的一个重要方面。从一定意义上讲，实验就是人为地创造提供观察的条件。物理实验中的观察一般包括对教师演示实验的观察和学生分组实验中的观察两个方面，为了使物理实验中的观察真正成为创新意义层面上的观察，进而通过观察能卓有成效地培养学生的创新能力，要求观察活动必须突出如下几个方面。 (一)全面性 要全方位、多视角、全过程地观察物理实验过程中的各种现象和现象的各个

4、方面。如“观察水的沸腾”，既要观察水沸腾时液体内部形成的气泡在上升过程中逐渐变大至液面后破裂的情况，也要观察水沸腾前气泡在上升过程中逐渐变小，甚至未达到液面就消失的现象，同时还要观察水沸腾过程中温度保持不变等情况。 (二)深刻性 必须善于透过纷繁复杂的表面现象，善于撇开事物的那些扑朔迷离的非本质特征，有选择、有重点地捕捉观察目标，进而抓住事物的本质特征。如在“研究电磁感应定律”实验中，要能透过磁铁接近与远离线圈时电流表指针的偏转方向不同的表面现象，认识感应电流磁场与原磁场间存在着“来则拒之，去则留之”的作用情况，进而认识到“感应电流的磁场总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化”这个本质规律。 (三

5、)准确性 观察需要认真细致的科学态度，对一些定性的研究要求“定性”准确，对定量的研究则要求必须有足够的准确度。正是天文学家第谷在条件极为简陋(当时连简单的望远镜也没有)的情况下通过对火星的精确观测，使开普勒从按圆形运行轨道计算的火星位置与第谷观测结果之间所存在的微乎其微的8分之差(仅相当于秒针002秒瞬间转过的角度)中，发现了行星绕太阳按椭圆轨道运行的规律，从而“引起了天文学的全部革新”。 (四)敏锐性 要善于抓住那些稍纵即逝的物理现象，尤其是那些乍看起来有些“反常”的一些现象。如在玻意耳定律的实验中，当气体的体积被压缩到一定程度时，在水银表面有时会出现凝结水；当带有少量电荷的验电器箔片张开一

6、定角度后，当带有较大量异种电荷的带电体靠近验电器时，可以明显见到箔片张角反而增大。抓住这些反常现象并追溯其产生的原因，常常可以得到意外的一些收获。 二、着力于做，培养学生的创新实践能力 著名美籍华裔物理学家杨振宁教授曾经指出：“中国的小孩在动手的兴趣和能力方面明显不如欧洲和美国的小孩，主要是没有动手机会。”1其实，不但我国小孩的情况如此，就是我国中学生参加国际物理奥林匹克竞赛，尽管捷报频传，但比赛中的实验成绩往往落后于其他国家，是靠理论成绩的优势取得总分较高名次的，我国出国留学的研究生，这方面同样也是一个薄弱环节。由于在我国的物理教学中，实验所占的比重本来就偏少，我国实验大约占总课时的20%，

7、欧美国家往往占到一半左右，德国教材中安排的实验总数(包括演示实验和学生实验)是我国的2.5倍，其中的学生实验则是我们的16倍。而由于多方面因素的影响，以致我们教材中安排的本来就不算多的实验，在实际教学中也往往难以都落到实处。我们的一些教师常会不自觉地越俎代疱，用讲解和演示代替学生的动手操作，有的则干脆以程式化的书面训练代替学生分组实验。因而，实验教学仍然是我国物理教学的一个薄弱环节，学生实践能力较差的问题仍然是一个不容忽视的现实问题，这势必会严重制约学生创新水平的提高。有鉴于此，我们必须努力加强和改进实验教学，以便为学生提供较为充分的动手实践机会。 (一)扩大实验空间 众所周知，在我们本来为数

8、不多的实验中，演示实验占有绝对多数的比例。据统计，欧美等国的物理实验中80%以上为学生实验，演示实验通常只有百分之十几的比例。而在我国，这种情况则刚好被倒置。由于演示实验习惯上都是由教师在讲台上做给学生看的，由此导致学生动手机会明显偏少，动手能力普遍不高，因而我们有必要想方设法将演示实验的空间由通常的讲台向学生座位乃至更大的范围扩展，具体地说，可以通过改进、改组和改造等方法。其中，改进是将一些演示实验改为师生合作实验或共同实验，如对以往的操作均由教师“承包”的单摆演示实验可改为由教师控制单摆、学生手执秒表计时的师生合作实验，对电流的磁效应、磁场对载流导线的作用力等则可改为台上、台下同时操作的师

9、生共同实验；改组是创造条件将一些演示实验改为学生分组实验或边学边实验，像胡克定律、光的色散等可改为边学边实验，焦耳定律、波意耳定律等则可改为学生分组实验；改造则是将一些演示实验在课堂正常安排的情况下，利用家庭和社会的条件进一步将其改为课外实验或家庭实验，如声波的反射，水波的干涉和衍射，光的散射等。 拓展实验空间还包括将学生实验由传统的学科课程向活动课程拓展。随着教育改革的深入和素质教育的全面推进，中等教育中由学科课程一统天下的局面正在逐步改变，而以学生的现实需要和兴趣爱好为依据进行设计的，以探求自主性活动为主要方式，以获得直接经验为主要内容的活动课程正日益受到人们的重视。由于物理实验所具有的与

10、现代科学技术以及工农业生产、学生生活联系较为密切的特点，因而将理所当然地成为活动课程教学的一个重要内容。 在活动课程中培养学生的动手实践能力要注意和学科课程的有机结合，如可以结合物理实验教学，将一些程序性的验证性实验改为目标性的探索性实验；可以进行物理实验的一些变式实验的设计和研究，还可以联系工农业生产和学生生活，进行一些有一定实际意义的实验课题的设计和研究等活动。 (二)增加实验时间 即将实验时间由通常的课内向课外延伸。延伸的办法主要包括课外兴趣小组活动和开放实验室等方面。由于课外活动具有时间上比较充裕，形式上灵活多样，并可照顾到学生的兴趣爱好等特点，因而也便于有针对性地通过实验操作加强动手

11、能力的培养。如围绕物理课堂教学，并联系农村及小学实际，可以成立农村电工、家电维修、玩具制作、幻灯片、投影片及多媒体课件制作等兴趣小组，这些活动在受到学生广泛欢迎的同时，在实践中也会产生积极的效果。开放实验室就是在规定时间内将有关实验器材摆放在实验室，供学生有选择地进行操作、研究。开放的内容一般包括：一些学生未能参与的课堂演示实验，一些课内学生没有做好或做后有不同见解及有疑虑的学生分组实验或边学边实验，一些配合课堂教学的系列实验或补充实验；教材中安排的一些小制作、小实验、小研究，由教师命题、学生设计的实验以及学生自行命题、设计的实验等。开放实验室可以让不同层次、不同需要的学生各得其所，便于学生在

12、宽松、自由的氛围中积极自由地动手和动脑。 (三)拓展实验方式 实验教学立足于做，需要以一定的物质条件为基础，这样势必需要添置更多的实验器材。但更重要的，还是要因陋就简，就地取材，修旧利废，“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，大力发展简单易行的各种替代性实验。应当说，相对于那些高档化、复杂化的实验仪器而言，一些简单实用的替代性实验同样有独到之处，对此，著名物理学家麦克斯韦有精辟见解：“一项演示实验，使用的材料越简单，学生越熟悉，就越想透彻地获得所验证的结果。”2而且，组织学生共同研究和制作一些简单实用的实验器材以及对实验器材进行维护和修理，其本身就是培养学生动手能力的有效形式。与此同时，也要注意

13、发挥一些微型化实验、简约化实验以及玩具类实验在培养学生动手能力方面的重要作用。值得一提的是，对玩具实验功能的开发，既是发展替代性实验的一个有效渠道，同时对培养学生的创新实践能力也不无裨益，一方面，用来作为实验的玩具的选择，对玩具进行的组合、改造以及用一种玩具进行多种实验，或用不同的玩具进行同一实验等，都可以在一定程度上激发学生的创造欲望；另一方面，玩具作为教学中的一种信息源，其巧妙的设计，独特的构思，常令学生叹为观止，进而引其入胜，欲名其妙。 三、着重于思，培养学生的创新思维能力 实验教学不仅要给学生提供生动、直观的物理图景，不仅要使学生得到观察和操作实践方面的规范有素的训练，更重要的是要通过

14、观察和思考的结合，动手和动脑的结合，实现由现象到本质，由感性到理性的认识阶段上的飞跃。在实验教学中培养学生的创新能力，即在培养学生创新观察能力和创新实践能力的同时，着重培养学生的创新思维能力。从物理实验教学的实际情况看，可以采取如下一系列措施。 (一)加强设计训练 实践表明，指导学生进行设计性实验的训练是调动学生动手和动脑积极性的一项有效措施。设计性实验要力求使学生感到有探索价值和设计必要，能引起学生兴趣，能培养学生动手动脑的能力。实验设计应注意联系教学实际，努力从学生及实验的具体情况出发，努力通过启发引导、点拨指导，达到控制实验难度，降低思维台阶，逐步提高设计水平，进而培养学生的创新思维能力

15、的目的。如结合“用单摆测重力加速度”，可在摆球质量均匀、摆线长度容易测量的常规实验的基础上，引导学生探索当“摆球质量不均匀时如何测重力加速度”。要通过启发引导，使学生认识到，由于直接测量摆球半径的路径受阻，必须另辟蹊径：能否采取改变摆长的方法?不妨设小球重心至其顶部(连接点)的距离为r，若先后两次实验的摆长分别为L1+r和L2+r，再分别代入单摆周期公式，即可求出重力加速度g。用类似的方法还可引导学生探究当“摆线长度难以测量时如何测量重力加速度”的问题。 (二)引导发现探究 英国科学家阿姆斯特朗说：“实验总是以发现、以探索作为追求目标的，实验在学校里是教授学生去发现的方法。”3虽然物理实验中的

16、现象和规律通常都是前人已经发现的，但对学生来说却依然是未知的，因此，在实验教学中，教师应当努力把发现的任务交给学生，在让学生成为发现的主人的同时，让他们充分体验到智力劳动的艰辛以及科学发现的喜悦，从而激发其强烈的探索精神，培养创新思维能力。例如，在“用伏安法测导体电阻”实验中，教师先给各组提供一个阻值相同的电阻让学生测量，由于有的学生将电流表内接，有的将电流表外接，势必导致彼此间测量结果的较大差别(甚至可以是成倍的差别)，疑惑也就由此产生：“相同阻值的电阻其测量值为何会有这么大的差别?”“哪一个测量值比较准确?”“怎样才能减少测量的误差?”这时，学生会怀着解决问题的迫切心情去通过实验并结合实验

17、原理及误差的来源进行探索。进而会使他们发现，电流表内接与外接测量同一电阻，会导致测量结果的较大差别，为了减少测量的误差，应根据被测电阻的大小及电流表、电压表的内阻等具体情况确定电流表的接法。但由于这种简单伏安法电路本身的不完善，不论是采用电流表内接还是外接，都有系统误差。那么，能否消除这种系统误差呢?为此，可向学生介绍补偿的思想，引导学生设计出原理上较为完善的电压补偿和电流补偿电路。这时，由于电流表和电压表不够准确带来的误差又会成为主要矛盾，如何解决这个矛盾?经过进一步引导，可使学生认识到，如采用准确度高得多的电阻箱和灵敏度很高的检流计来代替电压表和电流表，便可大大提高测量精度。最后，再让学生

18、分别用上述三种方法实际测量同一个标准电阻的阻值，比较测量的结果证实了理性的分析。而通过如此的发现探究，学生对怎样较准确地测量电阻的问题也就有了深刻的认识。 (三)重视预测猜想 心理学的研究表明，人通过思维能在头脑中创造出某些没有经历过或现实中尚未发现的事物的形象。人们借助这种思维(即想像)常能在未经逐步、仔细分析的情况下迅速对问题的答案作出一些合理的预测或猜想。这种预测或猜想是创新思维的一种重要形式。正如牛顿所说：“没有大胆的猜想，就做不出伟大的发现”。事实上，法拉第正是根据电能生磁猜想到磁能生电，并最终发现了电磁感应定律，同样，也正是“在弱相互作用下宇称可能不守衡”的科学猜想使杨振宁、李政道

19、得以问鼎崇高的诺贝尔奖。鉴此，在实验教学中，要对学生进行预测和猜想能力的训练。如在研究“单摆的周期”时，可先让学生猜想可能影响单摆周期的因素，进而引导学生设计实验方案，选择实验器材，并用实验去验证自己的猜想。当然，预测和猜想可能是正确的，也可能是错误的，当学生通过实验发现自己的预测或猜想是错误的时候，也就为下一步进行成功的预测或猜想创造了条件。这就是人们常说的“失败是成功之母”的道理。实际上，“尝试错误”作为一条重要的学习原则，在实验教学中恰当地加以运用，对培养学生的创新能力同样是有着积极意义的。 (四)鼓励独立思考 独立思考是形成创新思维能力的前提和条件，学生的独立思考能力只有通过经常的独立

20、思考活动的“洗礼”才能逐步形成，而物理实验本身就是独立思考活动的一种有效形式。因而，在实验教学中教师要将学生推上思考问题、解决问题的主体地位。例如，在研究感应电流的方向时，教师不是把感应线圈的绕向、电流表指针偏转方向与电流方向间关系的结论简单地告诉学生，而是让学生通过实验和思考自己去弄清个中缘由。在此基础上，引导学生思考：既然感应电流是由磁通量的变化引起的，那感应电流的方向会不会与磁场方向及磁通量的变化情况有关呢?若有关又该有怎样的关系呢?进而再让学生通过实验进行探索和研究自行得出结论。促进学生独立思考要注意立足学生认知及思维发展水平，要让学生“跳一跳”能摘到“桃子”。必要时，还要帮助学生向上

21、“撮一撮”，至少要让他们能触摸到桃子。要加强对学生获得知识的过程技能(包括观察、操作及推理)的训练。这是由于过程技能及其相关能力是独立思考的核心，也是独立思考中发挥主体作用的桥梁。过程技能中的重点是推理，它包括比较与鉴别、分析与综合、归纳与演绎、类比与联想以及直觉等基本科学思维过程。只有这些基本科学思维方法得到全面正确的训练，学生思考的主体性才能得以真正发挥。需要强调指出的是，必须改变目前实际存在的实验教学过程过于程式化的倾向，在实验中要给学生留有较充分的使学生独立思考的“余地”。众所周知，现在普遍使用的与教材配套的实验练习册是详尽有余，“余地”不足，在客观上为学生“照方抓药”提供了方便，而学生跟着实验册亦步亦趋，势必对整个实验心中无数，又谈何进行深入广泛的思考。教师在教学中有时甚至要不择手段地“逼迫”学生思考，如不允许学生带教材(实验册)进实验室。这样，学生没了“抓药”的“药方”，就不得不在实验前认真