探索性實驗的思考.doc

探索性實驗的思考“創(chuàng)新是一個民族的靈魂”，在知識經(jīng)濟的社會中人的最重要的素質(zhì)是創(chuàng)新能力。而物理是一門以觀察和實驗為基礎的學科，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)和物理理論的建立都必須以嚴格的物理實驗為基礎，并受到實驗的檢驗。因此在物理教學中，尤其是在實驗教學中，通過實驗激發(fā)學生的求知欲望，培養(yǎng)學生的能力，發(fā)展智力，特別在培養(yǎng)學生的觀察能力、動手能力、創(chuàng)造能力、發(fā)散性思維及發(fā)揮個性、提高學生的整體素質(zhì)方面有獨特的作用。但是傳統(tǒng)包辦式的實驗教學不利于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，探索性實驗作為近年來嶄露頭角的一種新型實驗，它在激發(fā)學生學習興趣、訓練動手操作能力，特別是在培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維能力方面有著很好的作用。我們對探索性實驗的定義是：由教師給出實驗課題，提供實驗器材，提出實驗要求，讓學生自己擬定實驗方案，制訂實驗步驟，獨立地通過實驗的觀測和分析去探索研究，從而發(fā)現(xiàn)“新”的物理現(xiàn)象，并通過建立物理模型來解釋實驗現(xiàn)象，總結(jié)出他們原來并不知道的規(guī)律性認識的實驗。探索性實驗作為物理實驗的一種形式，它既有別于測定性實驗，又有別于一般的驗證實驗。探索性實驗的目的在于使學生獲得物理實驗研究方法的訓練，讓學生接觸探索、發(fā)明、發(fā)現(xiàn)的過程和方法。在探索發(fā)現(xiàn)的過程中，發(fā)展學生理性的、批判的思想方法，體驗學者研究的苦衷和愉悅，培養(yǎng)他們的發(fā)現(xiàn)、探究能力。而要達到這種目的，首先要求教師樹立正確會設計的指導思想。那么，探索性實驗的設計應該該具備什么樣的指導思想呢？瑞士心理學家皮亞杰的發(fā)生認識論理論可以給我們以很好的啟示皮亞杰認為，人的行為具有一種定向性平衡。本來處于平衡狀態(tài)的圖式，由于人與事物的相互作用而破壞了平衡狀態(tài)，出現(xiàn)了不平衡，為此，人再進行反應又恢復平衡，這種重新達到平衡狀態(tài)的心理反應過程，稱為平衡化。平衡化又可分為同化和順應兩種形式。同化是主體面臨新的情境時，總是將新的知覺要素或刺激整合到原有的圖式中，引起主體原有認知結(jié)構(gòu)量的變化，以加強和豐富主體的動作；而當主體的圖式不能同化客體時，主體只有改變原有圖式或建立新的圖式，引起主體認知結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)變才能適應或容納新的刺激，這叫順應。正是在同化、順應的交替轉(zhuǎn)換過程中，新的認識不斷整合為更高級復雜的認知結(jié)構(gòu)。學生的心理發(fā)展，就是這種認知結(jié)構(gòu)從平衡到不平衡再到新的平衡的過程。皮亞杰認為，引起兒童認知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激發(fā)兒童的求知欲和好奇心。按照他的平衡學說，沖突是認知結(jié)構(gòu)重新組織和隨后發(fā)展的基礎。探索性物理實驗作為學生的一種積極主動的認識建構(gòu)手段，其目的和作用不僅僅只是作為一般的建構(gòu)手段，而是作為學生建構(gòu)邏輯結(jié)構(gòu)的手段。要達到這種目的，就要使學生在進行探索性實驗時發(fā)生認知沖突。這要求探索性實驗設計首先要足夠“新穎”。正是這種“新穎”的刺激，才會激發(fā)學生對探索的興趣，才能引起學生探索的欲望，才使得它與主體原有的“定勢”相矛盾、相對立，才能產(chǎn)生認識上的不協(xié)調(diào)和沖突。比如，如果設計“測定沒有系統(tǒng)誤差存在時干電池的電動勢和內(nèi)電阻”的實驗，要求學生自己設計電路、得出數(shù)據(jù)，并求出沒有系統(tǒng)誤差存在時電池的電動勢與內(nèi)電阻，就比高中教材上的實驗“新穎”。那么，設計的“新穎”要達到什么程度呢？這涉及一個“度”的問題，太弱的刺激由于不能引起認知上的不平衡，因而也就不能引起同化和順應。相反，如果外部刺激超過主體認知結(jié)構(gòu)同化的范圍，那么同化和順應都無法進行，主體的反應也無從談起。這正如皮亞杰所說的那樣：“一個人既不注意太熟悉的東西，因為已經(jīng)司空見慣了，他也不注意太不熟悉的東西，因為和他圖式中的任何東西都沒有聯(lián)系?！睘榱艘饘W生認知上的沖突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性實驗的設計還要遵循“適度”原則?！斑m度”是指設計既要與學生已有的知識經(jīng)驗有一定聯(lián)系，同時又要有一定的難度。這樣的設計如同樹上的果子一樣，學生必須“跳一跳”才能摘下來，這樣就最大限度地激發(fā)了學生的求知欲和好奇心。當他們依靠已有的知識解決了一個新問題時，往往會在緊張的智力勞動之后帶來精神上的滿足。這種求知欲滿足后，又會產(chǎn)生新的刺激，激勵他們進一步去探索新的課題，從而轉(zhuǎn)化為學習上的一種內(nèi)驅(qū)力。概括以上兩個方面可知，探索性實驗的設計指導思想應該是“新穎、適度”。探索性實驗的涵義及相關理念1探索性實驗的程序探索性實驗要求學生靈活、綜合地運用所學的物理以及相關學科的知識和技能，完成如下的程序。一是準備、設計階段：查閱資料，設計實驗方案，選配實驗儀器，擬定實驗步驟；二是實驗階段：正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)，思考和分析問題；三是小結(jié)階段：可以以課題論文形式提交實驗結(jié)果，也可以進行口頭形式的交流討論。2探索性實驗選題的原則探索性實驗選題的原則，一般不要求突出實驗內(nèi)容的復雜性，課題只給出實驗目的和要求，由學生根據(jù)目的要求去查閱資料，獨立制訂實驗方案。提出分析解決問題的設想，然后在教師的指導下獨立去解決，最后寫出實驗報告。3探索性實驗分類(1)從形式上可分為兩種類型：第一，給定某種儀器設備，要求完成某一物理量的測定或某一物理現(xiàn)象的觀察研究。課本中一些“做一做欄目中介紹的小實驗，有些就是這種類型的設計性實驗。如平拋物體運動中的“用尺測量玩具手槍子彈射出時的速度”。又如在“顯示微小形變”小實驗中，變換一下問題方式就可以成為此類設計性實驗，可以提出問題： “給你一個大玻璃瓶，你如何通過實驗來顯示微小變形?”第二，只提測量要求，不限實驗方法和所用儀器，完成某一物理量的測量任務。(2)從內(nèi)容上可以分為三種類型：第一，測量某一物理量的課題，如“怎樣測量半圓柱形下玻璃磚的折射率”，由學生設計實驗方案；第二，探討研究和應用的課題，如“太陽能電池的應用”，由學生閱讀相關材料后，對工作原理和應用前景進行了解分析；第三，研究測量方法的課題，要求設計一種實用的方法。例如，在用伏安法測電阻后，可以提出：“一位無線電修理工手邊有最大阻值為50的滑動變阻器R0和未知電阻Rx各一只，除用伏安法測量外，還有哪些方法能測出它的大小(器材自選)”的研究課題，讓學生根據(jù)課題要求，設計出多種測量方法。一、教學案例實驗課題：重力加速度的測定 1課題的提出重力加速度是物理學中最重要的常數(shù)之一，它在高中的物理學習章節(jié)里大量頻繁出現(xiàn)，其數(shù)值的測定方法很多，有些方法在物理學發(fā)展史乃至在科學史上有重要的價值。請同學們根據(jù)所學知識以及了解的知識設計一種可行的實驗方案。涉及到重力加速度的知識點很多。靜力學中的重力，運動學中的勻變速直線運動、自由落體運動、平拋運動等；在動力學中的牛頓運動定律，超重、失重、力的平衡、勻速圓周運動、萬有引力定律、機械能守恒定律等；在電學、原子物理中帶動粒子的受力也涉及到重力加速度。2探索實驗的要求(1)學生分為若干實驗小組，根據(jù)所學知識作為實驗原理，可以找到多種測量方法，但至少選擇一種以上你認為切實可行的實驗，進行具體詳盡的方案設計。包含確定實驗原理，選配實驗器材，擬定實驗步驟，提示重要操作事項等。(2)正確調(diào)節(jié)和使用儀器，觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù)，思考和分析問題。(3)提交實驗結(jié)果，對所設計方案在實驗中出現(xiàn)偏差或誤差的原因進行分析，注意實驗的可行性和實驗價值的分析評估。3探索實驗的互動和幫助(1)從方案設計到實驗過程到總結(jié)，學生以自主完成為主，疑惑較大時，師生間可以討論，教師可給予適當指導。 (2)開放實驗室，實驗室可以提供學生較熟悉的一些儀器，如秒表、光電計時裝置、打點計時器、電火花計時器、單擺裝置等。4探索實驗的思考(1)對各小組的設計方案及實驗結(jié)果進行對比分析，從實驗的新穎性、可行性、實用性、先進性設計方法的價值等方面作對比，相互間作出評價。(2)查閱資料，了解一種比較精確的測定重力的加速度方法凱特擺測量法，思考其設計思想在科學史上有何重要價值。二、教學思考1本案例課題極富開放性和挑戰(zhàn)性。設計方案時，要求學生提出盡可能多的設想，再根據(jù)時間和條件，實踐一、二種方案，有的實驗無條件進行，也可以提出各種新的設想，這是創(chuàng)新思維訓練的有效模式。由于課題較熟悉，要設計一個方案并不難，難就難在設計一個好方案，好方案就好在測量方法新穎、準確可行上。在研究此課題中學生根據(jù)所學知識，設計出不少方案，如自由落體(s=1/2gt2)，物體由靜止在斜面滑下的方法s=1/2at2=1/2(gsin-ug)t2，單擺法，力的平衡(彈簧拉力F=G=mg)；帶電粒子在勻強電場平行板電容器中平衡(mg=qud)等方法，僅是自由落體的方法，也有不同的方案，如通過光電門裝置來測物體下落時間的，也有通過打點計時器所打的紙帶來計算g。同一方案，為了更準確測量，都有不同的測量方法。2設計中的反思促使創(chuàng)新意識轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新能力。書面知識和實際操作之間存在巨大差異，想到一套好的思路并不等于有了實際操作的可行性。因此應鼓勵學生在探索實驗中不斷對比、反思、借鑒，通過對測量手段的優(yōu)化創(chuàng)新來提高實驗的可行性。如有不少學生在方案中采用多次測量或圖表的方法來減少偏差和誤差，正確使用較好的儀器，如光電計時裝置、電火花計時器等來保證測量的準確度。為了