通過中學(xué)物理教學(xué)怎樣培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

怎樣通過中學(xué)物理教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力《中國高考評(píng)價(jià)體系》中指出：基于學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向，承接學(xué)科素養(yǎng)要求，結(jié)合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展實(shí)際，高考評(píng)價(jià)體系確立了符合考試評(píng)價(jià)規(guī)律的三個(gè)方面的關(guān)鍵能力群：第一方面是以認(rèn)識(shí)世界為核心的知識(shí)獲取能力群；第二方面是以解決實(shí)際問題為核心的實(shí)踐操作能力群；第三方面是涵蓋了各種關(guān)鍵思維能力的思維認(rèn)知能力群。根據(jù)高考的特征，高考評(píng)價(jià)體系將這三個(gè)方面關(guān)鍵能力的發(fā)展水平作為主要考查內(nèi)容，以區(qū)分學(xué)生綜合能力水平的高低，引導(dǎo)基礎(chǔ)教育對(duì)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)。我認(rèn)為“思維能力是重要關(guān)鍵能力的核心能力，而創(chuàng)新能力是思維能力的重要體現(xiàn)，也是中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)該重點(diǎn)培養(yǎng)的一種核心能力，特別是高中物理的實(shí)驗(yàn)教學(xué)更應(yīng)該如此。中學(xué)物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)。中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)一般分為1操作性實(shí)驗(yàn)，例如組成串聯(lián)電路和并聯(lián)電路2測(cè)定性試驗(yàn)：例如用單擺測(cè)重力加速度，3探究性實(shí)驗(yàn)：例如探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因。下面我們主要介紹如何通過探究性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力探究性實(shí)驗(yàn)的邏輯思維線索是：物理現(xiàn)象（物理情景）→發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想→實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（進(jìn)行實(shí)驗(yàn)→收集數(shù)據(jù)→處理數(shù)據(jù)→得出結(jié)論）→驗(yàn)證猜想→理論解釋。這類實(shí)驗(yàn)的邏輯思維線索大致可以分為前后兩個(gè)階段：第一階段為：物理現(xiàn)象（物理情景）→發(fā)現(xiàn)問題→提出猜想；在第一階段要讓學(xué)生明確如何由物理現(xiàn)象通過科學(xué)思維活動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題提出猜想，第二階段為：實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證→驗(yàn)證猜想→理論解釋。在第二階段要讓學(xué)生明確如何通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)驗(yàn)證猜想的正誤。要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力就要從以下兩方面入手在第一階段要讓學(xué)生明確如何由物理現(xiàn)象通過科學(xué)思維活動(dòng)提出猜想。下面是由物理現(xiàn)象通過科學(xué)思維活動(dòng)提出猜想的幾種常用的方法：1類比推理法自然界中有很多物理現(xiàn)象與物理過程具有許多相似性與對(duì)稱性，在科學(xué)探究中人們常常用類比的思維方式把在探究中遇到的新的、未知的物理現(xiàn)象與人們熟悉的物理現(xiàn)象、物理過程進(jìn)行類比從中受到啟迪，來推測(cè)未知物理現(xiàn)象、物理過程的性質(zhì)、提出猜想與假設(shè)。例如當(dāng)我們要比較物體運(yùn)動(dòng)快慢時(shí)，我們用物體位置改變多少除以位置改變所用的時(shí)間（即位移與時(shí)間的比值——速度）來表示物體運(yùn)動(dòng)快慢再如在初中比較物體做功快慢的時(shí)候，我們能否也可以用物體做功的多少除以做這些功所用的時(shí)間（即功與時(shí)間的比值——功率）表示物體做功快慢呢？。又如如當(dāng)我們要比較物體運(yùn)動(dòng)速度變化快慢時(shí)，能否也可以用物體速度改變多少除以速度改變所用的時(shí)間（即速度與時(shí)間的比值——加速度）表示物體運(yùn)動(dòng)速度變化快慢呢？是否今后我們只要比較一個(gè)物理量的變化快慢時(shí)，都可以用這個(gè)物理量的變化量除以產(chǎn)生這種變化所用的時(shí)間（變化量與時(shí)間的比值——變化率）表示這個(gè)物理量的變化快慢呢？把萬有引力定律與庫侖定律進(jìn)行類比，可以更好的理解庫倫定律。再如把靜電力做功與重力做功類比，由重力勢(shì)能引入電勢(shì)能等。2逆向推理法這是由熟悉、正確的正向物理過程推測(cè)未知的反向物理過程的正誤而提出猜想與假設(shè)的一種科學(xué)思維方法。例如在進(jìn)行探究感應(yīng)電流產(chǎn)生的原因時(shí)，就可以通過逆向推理法提出猜想與假設(shè)：我們知道通過電流可以獲得磁場(chǎng)，那么反過來我們能否通過磁場(chǎng)來獲得電流呢？3歸納推理法這是由在特殊情況下正確的物理規(guī)律推測(cè)在一般情況下是否還正確而提出猜想與假設(shè)的一種科學(xué)推理方法。例如，前面我們通過功率、速度、加速度概念的比較，今后我們只要比較一個(gè)物理量的變化快慢時(shí)，是否都可以用這個(gè)物理量的變化量除以產(chǎn)生這種變化所用的時(shí)間（變化量與時(shí)間的比值——變化率）表示這個(gè)物理量的變化快慢呢？再如我們已經(jīng)根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)定律證明對(duì)于物體受恒力而做勻變速直線運(yùn)動(dòng)的過程動(dòng)能定理是正確的，那么動(dòng)能定律對(duì)物體受變力而做非勻變速直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程是否也是正確的（應(yīng)用積分學(xué)的知識(shí)已經(jīng)證明也是正確的）呢？4演繹推理法這是由在一般情況下正確的物理規(guī)律推測(cè)在特殊情況下是否還正確而提出猜想與假設(shè)的一種科學(xué)推理方法。例如，我們已經(jīng)知道能量守恒定律是自然科學(xué)中的基本定律之一，那么對(duì)在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、原子物理學(xué)中的能量轉(zhuǎn)化的物理情景過程中能量也是否守恒呢？。也就是機(jī)械能守恒定律、熱力學(xué)第一定律、閉合電路的歐姆定律、愛因斯坦的光電效應(yīng)方程是否都應(yīng)該遵循能量守恒定律，都應(yīng)該正確呢？5直覺推理法所謂直覺，或者稱為靈感，就是偶爾在頭腦中閃過的對(duì)問題的某種特別具有獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)想．它往往是人們對(duì)某個(gè)問題研究已久，絞盡腦汁，冥思苦想不得其解，就在處于"山重水復(fù)疑無路"的困境中時(shí)，突然因某種刺激而引起聯(lián)想，得到啟發(fā)，茅塞頓開，發(fā)現(xiàn)端倪或使問題迅速得到解決，文學(xué)藝術(shù)上常有許多膾炙人口的例子．相傳宋代著名文人秦少游結(jié)婚時(shí)，新娘蘇小妹（大文學(xué)家蘇東坡之妹）出的上聯(lián)"閉門推出窗前月",時(shí)難倒了新郎，在庭院里來回踱步低頭沉思．蘇東坡見狀，從地上拾起一顆小石子丟人庭院里的水池中，秦少游立即受到啟發(fā)，吟出了千古傳誦的絕對(duì)："投石沖開水底天"．在物理學(xué)上也不乏這種例子．常常被人津津樂道的阿基米德巧稱金王冠就是生動(dòng)的一例．據(jù)傳說，敘拉古希羅大帝（KingHiero，前269-﹣前216在位）在錫拉丘茲稱王以后，為了標(biāo)榜自己的功績，決定在一座圣廟內(nèi)安放一頂金王冠．金匠根據(jù)國王的命令，按時(shí)做好一頂精美的王冠，但有人告發(fā)，說金匠貪污了部分金子，攙進(jìn)了等量的白銀或銅．希羅感到自己受了騙，是奇恥大辱，但又苦于沒有辦法查出來，于是就請(qǐng)阿基米德（ArchimedesofSyracuse，約前287﹣前213）想辦法．阿基米德雖然經(jīng)過苦思冥想，也沒有想出一個(gè)好辦法來，困難的是難以測(cè)出金冠的體積．大，阿基米德去洗澡，由于澡盆的水放得太滿，他一進(jìn)澡盆水就溢出，他發(fā)現(xiàn)身體浸人水中越多，溢出的水也越多，并且感到水對(duì)他身體的托力也越大．他好像發(fā)現(xiàn)什么秘密似的，把身子在澡盆里沉下浮起，浮起沉下，使他頓時(shí)領(lǐng)悟到：一個(gè)不規(guī)則形狀的物體的體積可用它排開的水的體積來測(cè)定．他想到這里，高興地跳了起來，竟然忘記了自己是赤身而沖出浴室，跑上街去．邊跑邊喊："攸勒加！攸勒加！"意思是"我想出來了！我想出來了！"阿基米德用排水法巧妙地測(cè)出了金王冠的體積，再根據(jù)它的重量，終于證實(shí)了金匠確在王冠中攙入了白銀，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)步實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的浮力定律。第二階段要讓學(xué)生明確如何通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)驗(yàn)證猜想的正誤。下面是通過科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)活動(dòng)驗(yàn)證猜想的探究因果聯(lián)系的常用的方法——探因五法1、求同法求同法（或稱契合法）的內(nèi)容是：在被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的若干場(chǎng)合，其中只有一個(gè)情況是共同的，而其他情況則不完全相同，那么這個(gè)唯一的共同情況就是被研究現(xiàn)象的原因．求同法的公式．場(chǎng)合先行情況被研究對(duì)象ABCQaADERMaAFGLKa………………所以A可能是a的原因例如棉花能保溫，積雪能保溫（保持地表溫度），海綿也能保溫，泡沫塑料還能保溫……．他們有一個(gè)共同的情況："疏松多孔、含有空氣"．因此我們得出的結(jié)論："疏松多孔、含有空氣"是"易于保溫"的原因．．求同法的特點(diǎn)是異中求同，在上面例子中就是通過排除不同因素，尋找共同的因素來確定原因的．運(yùn)用求同法時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：（1）．各場(chǎng)合中除了已知的共同情況外是否還有其他共同情況存在．（2）．進(jìn)行比較的場(chǎng)合越多，結(jié)論的可靠程度就越高（3）.這種方法只能確定因果之間的定性關(guān)系，不能確定因果之間的定量關(guān)系，常用在物理概念的形成過程中。2、求異法求異法（或稱差異法）是從兩個(gè)的差異中尋求原因的方法．為了應(yīng)用求異法來找出現(xiàn)象的原因，必須有兩個(gè)場(chǎng)合，即所研究的現(xiàn)象出現(xiàn)的正面場(chǎng)合和所研究的現(xiàn)象不出現(xiàn)的反面場(chǎng)合．在這兩個(gè)場(chǎng)合中，其他情況都相同，只有一個(gè)情況在正面場(chǎng)合中出現(xiàn)，而在反面場(chǎng)合中不出現(xiàn)，那么，這個(gè)情況就是被研究現(xiàn)象的原因或部分原因．求異法的公式．場(chǎng)合先行情況被研究對(duì)象ABCa—BC—所以A可能是a的原因例如，把電鈴放在玻璃罩內(nèi)，通電使錘敲鈴，則可聽到鈴聲；如果把玻璃罩內(nèi)的空氣抽凈，再通電敲鈴，則聽不到鈴聲．在這兩個(gè)場(chǎng)合中，玻璃罩、鈴、通電、錘敲鈴等情況相同，只有一個(gè)情況不同即在正面場(chǎng)合有空氣，在反面場(chǎng)合沒有空氣．有空氣就能聽到聲音，沒有空氣就聽不到聲音，于是得出結(jié)論：空氣是傳聲原因上例子是空氣有無的對(duì)比實(shí)驗(yàn)是在條件大體相同的情況下找差異，從差異的對(duì)比中找原因，即同中求異法．與求同法相比，求異法在探究活動(dòng)中具有更大的認(rèn)識(shí)作用。第一，求異法主要用于實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)可使我們用人工方法改變自然條件，因此，它的應(yīng)用范圍比以觀察為基礎(chǔ)的求同法要廣泛得多．第二，求異法的結(jié)論具有更大的可靠性．當(dāng)相同情況不止一個(gè)時(shí)，單用求同法就不行了，如果我們用求異法對(duì)正反兩個(gè)場(chǎng)合進(jìn)行正確分析，那么求異法的結(jié)論就更可靠了．因而求異法常用檢驗(yàn)求同法所得到的結(jié)論．運(yùn)用求異法時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)：（1）．兩場(chǎng)合中是否還有其他的不同情況．（2）．兩場(chǎng)合中唯一不同情況是被研究現(xiàn)象的整個(gè)原因，還是部分原因．3、求同求異并用法求同求異并用法的內(nèi)容是：如果在被研究現(xiàn)象出現(xiàn)的一組場(chǎng)合（正面場(chǎng)合）中，只有一個(gè)共同情況；在被研究現(xiàn)象不出現(xiàn)的一組場(chǎng)合（反面場(chǎng)合）中，都沒有這個(gè)情況，那么，這個(gè)情況就是被研究現(xiàn)象的原因．其公式表示如下場(chǎng)合先行情況被研究現(xiàn)象ABCa正面場(chǎng)合ADEaAFGaBMN—反面場(chǎng)合DOP—FQR—所以A是a的原因例如：①敲鑼發(fā)聲時(shí)，用于手指摸鑼面，會(huì)感覺到鑼面在振動(dòng)．②人說話時(shí)，用手去摸咽喉，會(huì)感到振動(dòng)．③人不說話時(shí)，再用手摸咽﹣喉，會(huì)感到咽喉停止振動(dòng)．④用琴弓拉琴弦發(fā)聲時(shí)，讓紙條與發(fā)聲的弦接觸，紙條能跳動(dòng)起來．⑤反之，紙條不跳動(dòng)．這些例子中有六個(gè)場(chǎng)合，其中三個(gè)正面場(chǎng)合，三個(gè)反面場(chǎng)合．三個(gè)正面場(chǎng)合中有振動(dòng)情況，因而出現(xiàn)聲音現(xiàn)象；另三個(gè)反面場(chǎng)合無振動(dòng)情況，因而不出現(xiàn)聲音現(xiàn)象，根據(jù)"求同求異并用法"我們可以得出結(jié)論：振動(dòng)是產(chǎn)生聲音的原因．在上面的例子中，聲音現(xiàn)象是被研究的現(xiàn)象，振動(dòng)是正面場(chǎng)合的共同之處，也是兩組場(chǎng)合之間的不同之處，在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實(shí)際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．再如高中物理必修三114頁，在“電磁感應(yīng)現(xiàn)象及應(yīng)用”一節(jié)課中應(yīng)用求同求異法探究產(chǎn)生電磁感應(yīng)的原因高中物理（必修三114頁問題？）中①當(dāng)導(dǎo)體棒水平向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。②當(dāng)導(dǎo)體棒水平向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。③當(dāng)導(dǎo)體棒傾斜向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針同樣發(fā)生偏轉(zhuǎn)。④當(dāng)導(dǎo)體棒在豎直平面前后運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑤當(dāng)導(dǎo)體棒在豎直平面內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針也不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑥無論導(dǎo)體棒在豎直平面內(nèi)怎樣運(yùn)動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這些例子中有六個(gè)場(chǎng)合，其中三個(gè)正面場(chǎng)合，三個(gè)反面場(chǎng)合．三個(gè)正面場(chǎng)合中有導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因而出現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)，閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流；另三個(gè)反面場(chǎng)合中沒有導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)，因而沒有出現(xiàn)指針偏轉(zhuǎn)，閉合回路中沒有產(chǎn)生感應(yīng)電流；根據(jù)"求同求異并用法"我們可以得出結(jié)論：閉合電路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因．在上面的例子中，感應(yīng)電流是被研究的現(xiàn)象，導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)（磁場(chǎng)垂直穿過閉合回路的面積S發(fā)生變化）是正面場(chǎng)合的共同之處，也是兩組場(chǎng)合之間的不同之處，在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實(shí)際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．又如高中物理（必修三115頁）圖13.3—3中，①當(dāng)開關(guān)閉合的瞬間，右邊靈敏電流計(jì)指針發(fā)生偏轉(zhuǎn)。②當(dāng)開關(guān)斷開的瞬間，右邊靈敏電流計(jì)指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。③當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)迅速移動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑片瞬間，右邊靈敏電流計(jì)指針也發(fā)生偏轉(zhuǎn)。④當(dāng)開關(guān)閉合以后，右邊靈敏電流計(jì)指針不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑤當(dāng)開關(guān)斷開以后，右邊靈敏電流計(jì)指針也不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。⑥當(dāng)開關(guān)閉合，滑動(dòng)變阻器的滑片不動(dòng)時(shí)，右邊靈敏電流計(jì)指針不在發(fā)生偏轉(zhuǎn)。我們用分析高中物理（必修三114頁問題？）中實(shí)驗(yàn)的科學(xué)思維方法去分析（必修三115頁）圖13.3—3中的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象會(huì)得出結(jié)論：A線圈的磁場(chǎng)的變化（磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化）是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因我們?cè)俜治鲞@兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)又有什么共同特征呢？第一個(gè)實(shí)驗(yàn)說明：閉合回路部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)（磁場(chǎng)垂直穿過閉合回路的面積S發(fā)生變化）是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因第二個(gè)實(shí)驗(yàn)說明：A線圈的磁場(chǎng)的變化（磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化）是產(chǎn)生感應(yīng)電流的原因。我們前面學(xué)過這樣一個(gè)（既與B有關(guān)又與S有關(guān)）的物理量——磁通量Φ=B?S 這兩個(gè)演示實(shí)驗(yàn)的共同特征：穿過閉合回路的磁通量都發(fā)生變化。綜上所述我們得出的結(jié)論：穿過閉合回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)閉合回路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流在每一組中求同，在兩組之間求異．求同求異并用法實(shí)際上通過三步確定現(xiàn)象的原因．第一步，把被研究現(xiàn)象a出現(xiàn)的正面場(chǎng)合加以比較，發(fā)現(xiàn)只有A這一個(gè)共同情況，應(yīng)用求同法得出結(jié)論：A是a的原因第二步，把a(bǔ)不出現(xiàn)的反面場(chǎng)合加以比較，發(fā)現(xiàn)A也不出現(xiàn)，再應(yīng)用求同法得出結(jié)論：在反面場(chǎng)合中A的不存在是a的不存在的原因．第三步，比較正反兩組場(chǎng)合：有A有a無A無a所以A是a的原因這里應(yīng)用求異法得到的結(jié)論比每組場(chǎng)合單獨(dú)得出的結(jié)論更為可靠．運(yùn)用求同求異并用法時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：1．被考察的正反兩組事例的場(chǎng)合越多，其結(jié)論的可靠程度越高．2．與正事例場(chǎng)合相比較的反事例場(chǎng)合除了有無某個(gè)共同情況外，其他情況越是相似，結(jié)論越可靠．四、共變法共變法：如果某一現(xiàn)象發(fā)生一定程度的變化，另一現(xiàn)象也隨之發(fā)生一定程度的變化，那么第一個(gè)現(xiàn)象就可能是另一個(gè)現(xiàn)象的原因．共變法的公式場(chǎng)合先行情況被研究對(duì)象(1)A1BCa1(2)A2BCa2(3)A3BCa3………………所以A是a的原因例如，天氣越熱，溫度計(jì)里的水銀柱隨之升得越高，天氣越冷，溫度計(jì)里水銀柱隨之降得也越低，因此得知，氣溫變化是溫度計(jì)中水銀柱升降的原因．共變法適用于觀察和實(shí)驗(yàn)，主要是實(shí)驗(yàn)的方法，在實(shí)驗(yàn)中比觀察更便于找到現(xiàn)象間的共變關(guān)系．共變法的優(yōu)點(diǎn)是：首先，它不但求出原因，而且還找出因果的數(shù)量關(guān)系．其次，它比求異法更簡單易行，只要有共變關(guān)系，共變法便可據(jù)之得出結(jié)論，不必像求異法那樣必須從有到無、比較有無正反兩方面事例．運(yùn)用共變法時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)：應(yīng)用共變法時(shí)，只有一個(gè)現(xiàn)象變化而另一個(gè)現(xiàn)象隨之變化其他現(xiàn)象保持不變（這也叫單因素分析法）．如果還有多個(gè)其他現(xiàn)象在變化，應(yīng)用共變法時(shí)首先要控制只有一個(gè)現(xiàn)象變化而另一個(gè)現(xiàn)象隨之變化其他現(xiàn)象應(yīng)保持不變，然后再應(yīng)用共變法探究其因果聯(lián)系（這就是我們常說的控制變量法）。否則，往往會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論．3．各場(chǎng)合中唯一變化的情況與被研究現(xiàn)象之間是一種不可逆的單向作用，還是可逆的相互作用．例如，應(yīng)用共變法探究單擺周期和擺長的關(guān)系時(shí)，只讓擺長變化而單擺周期隨之變化其他因素應(yīng)保持不變．逐漸改變擺長L為L1L2L