物理教学实验的“原型”及设计原理

母小勇

(苏州大学教育学院,江苏苏州 215123)

教育部制订的《全日制义务教育物理课程标准》(实验稿)(以下简称《课标》)于 2001年7月正式颁布,对全面推进素质教育、拓宽学生学习的时空领域和个性发展的空间提供了基本保障.《课标》首次阐述了“科学探究”学习方式和“过程与方法”课程目标,认为只有学生经历了观察物理现象、发现物理问题、物理科学探究和交流讨论的过程,才能够领悟物理学的探究方法和发展能力,才算真正学习了物理和学会了物理.由于物理学以实验为基础、以实验为内容,所以,物理课程的经验和探究活动都以物理教学中的实验活动为基本形式.我们把物理课程中设计的物理实验称为“物理教学实验”,以区别于物理学家曾经做过的物理实验.按照《课标》的精神和要求,目前已经通过审定并正式出版的六套义务教育初中物理教科书都力图把以“物理教学实验”为中心的“科学探究”作为课程的主要内容.因此,物理教师必须清楚教科书中设计的“物理教学实验”的教育价值,充分挖掘其科学与人文教育价值.每一个中学“物理教学实验”的内在价值决定于它是根据什么设计的,决定于它是基于什么考虑设计的.中学“物理教学实验”不是凭空设计的,总有这样或那样的“原型”.要最大限度地发挥“物理教学实验”的功能,物理教师必须知道并理解其“原型”,从“原型”发现并凸显这些中学“物理教学实验”所包含的丰富的科学与人文教育价值,以实现《课标》提出课程目标.

1 “物理教学实验”的“原型”

我们知道,在初中物理课程中,任何物理概念、物理定律和物理原理都直接来源于物理学,都能够找到物理学家早期关于这些概念、定律和原理的观点以及他们思考的路径.也就是说,初中物理课程所设计的概念形成和探究原理的过程都是以物理学发展过程中形成概念和探究原理的轨迹为“原型”.那么,初中物理课程所设计的“物理教学实验”是否也是物理学家曾经做过的呢?这是一个值得物理教师关注的问题.物理学是以实验为基础的,更是以实验为内容的.只有物理教师知道了教科书设计“物理教学实验”的依据是什么和是怎样设计出来的,才能够最大限度地利用这些实验去培养和发展学生,进而自己开发和设计新的教学实验;只有让学生清楚了物理教学实验的来龙去脉,才能够真正理解物理学,才能真正学会进行物理实验.笔者认为,经典的初中甚至高中“物理教学实验”都来自3个方面的“原型”.

1.1 物理学家发现物理规律时设计并完成的经典实验

跟中学物理概念、原理一样,绝大多数经典的初中甚至高中“物理教学实验”都能够找到对应的物理学家曾经做过的“原型”实验.依据这些“原型”实验,后继的物理学家一般则按照其思路进行进一步的探索.这些“原型”实验就逐步被改造成为中学、大学的“物理教学实验”.例如,中学“探究欧姆定律”实验就是完全按照欧姆(Georg Simon Ohm)发现欧姆定律过程中所做的实验设计的,中学“探究光的折射规律”实验也是完全按照托勒玫(Claudius Ptolemaeus)光的折射实验设计的.一些新课程初中物理教科书采用冰来进行“探究熔化和凝固的特点”实验,这恰巧符合布莱克(Joseph Black)等人最初用冰探究熔化和凝固的特点所做的实验.中学“水的低压沸腾”实验与格里克(Otto von Guericke)用黄铜泵抽取装水的密闭木桶听到沸腾噪声的实验也有直接的关联,中学“水和酒精混合”实验则是对摄尔修斯(Anders Celsius)曾经将水和硫酸混合后发现混合物体积减少了的实验的改造.可见,这些“物理教学实验”与“原型”实验几乎如出一辙.

以中学物理“水的低压沸腾”实验为例,可以清楚地体验到“物理教学实验”与“原型”实验之间的内在逻辑关系.

1660年玻意耳(Robert Boyle)出版的《关于空气的弹性及其物理力学的新实验》一书论证了压强对水的沸点的影响,指出当使周围的空气稀薄时热水就能沸腾起来.即当热水上方的气压降低时,水的沸点会降低.这就是所谓水的低压沸腾.德国实验物理学家格里克(Otto von Guericke)曾经在1684年用黄铜泵抽取装满水的密闭的木桶,希望形成真空.在抽水的过程中,格里克听到一些噪声,他认为桶内剩余的水似乎在沸腾.实际就是因为水上方的气压降低后水的沸点降低了,产生了水的低压沸腾现象.随着抽水的继续进行,由于木桶开始漏气,空气进入木桶,格里克发现噪声没有了.即进入木桶内的空气使水上方的气压增加,水的沸点又升高到平常状态,水的沸腾就停止.

我国在 1978、1986和1990年颁布的教学大纲中,开始要求用演示实验研究“沸点跟压强有关系”.虽然《课标》对水的低压沸腾实验没有明确要求,只是作为大气压强在日常生活中的应用的内容要求学生了解.但是,水的低压沸腾实验的确具有重要的教育价值,因此,有些版本的教科书仍然安排了水的低压沸腾这一演示实验.上海科技出版社、广东教育出版社出版的8年级下册新课程教科书中就设计了用烧瓶做水的低压沸腾实验.[1]这本教科书几乎完全按照格里克的探究过程设计了两个小实验:(1)增大液体上方的气压,使原来沸腾的水不沸腾;(2)减小液体上方的气压,使原来不沸腾的水沸腾.江苏科技出版社出版的8年级下册新课程教科书中也安排这一实验.[2]采用了浇冷水的方法使倒置烧瓶水面上方气压减小,让学生观察水重新沸腾的现象.

1.2 生产生活中的物理现象或产生认知冲突的事实

物理学就在我们身边,生产生活中大量存在与物理有关的现象和事实.为了让学生形成物理概念、掌握物理规律,物理课程往往将一些学生容易产生认知冲突的现象或事实设计成“物理教学实验”.例如,皮亚杰(Jean Piaget)在研究儿童守恒概念形成的实验中,利用儿童容易产生认知错误的守恒概念,设计了与现在中学物理课程中“质量是物体的属性”实验类似的心理学实验.中学“探究平面镜成像特点”实验的设计则完全依据了儿童可能产生的认知冲突:儿童希望在镜子后面找到另一个自己形象,结果根本找不到.因此,这一中学“物理教学实验”被设计成用两支同样的蜡烛和一块透明玻璃板进行实验,以比较物体和它的虚像,并同时可以看到物体和它的虚像.类似的中学“物理教学实验”还很多.又例如,中学“观察光的折射现象”实验与生活中筷子在碗中水里看上去被“折弯”的现象和硬币在杯子注满水后“消失”的现象,中学“用牙齿听声音”实验与贝多芬(Ludwig van Beethoven)作曲过程中的“听”声音的事实,中学“保险丝的作用模拟”实验与现实生活中的短路现象等.

以中学物理“用牙齿听声音”实验为例,可以知道生活中学生产生认知冲突的现象或事实往往可以作为设计“物理教学实验”的“原型”.

德国音乐家贝多芬很早就显露了音乐上的才能,8岁开始登台演出.1792年他到维也纳深造之后,艺术就突飞猛进.但是,他26岁时不幸患了中耳炎,1820年两耳完全失聪,这对音乐家来说无疑是致命的.贝多芬并没有屈服.他说:“我要扼住命运的咽喉,它决不能使我完全屈服.”贝多芬1824年创作了《第九交响曲》,这是他最杰出的作品.他用牙齿咬住一根小木棒的一端,将另一端插进钢琴内,借着钢琴弦的振动来获得听觉,就这样凭着他坚强的意志,用了6年时间完成了这一伟大创作.这个特别的“听音器”至今还保存在波恩贝多芬博物院里.贝多芬实际上是利用了声音通过“骨传导”方式传播“听”到自己的华美乐章的.

我国建国后的历次教学大纲均没有提出“用牙齿听声音”实验要求,只用文字和图示介绍人类听到声音的过程和骨传导的原理.人民教育出版社出版的8年级上册新课程教科书就设计了“用牙齿听声音”这一学生“边学边实验”.[3]该教科书首先让学生通过实验知道用手堵住耳朵,切断了声音通过空气传播,不能够听见声音.接着,让学生模仿贝多芬“用牙齿听声音”,体会失去听觉的人怎样利用骨传导来“听”声音.

1.3 科学技术应用活动中的物理现象或产生认知冲突的事实

科学技术的发展,往往也会带来物理教学方法和媒体的变革.为了让学生理解物理原理,物理课程经常利用科技手段,采用更加形象、生动的方式帮助学生理解抽象的物理规律.这类“物理教学实验”的突出特点是,既引起学生的认知冲突,也为学生揭示物理规律.例如,声波看不见摸不着,为了让学生直观地认识声波,中学教科书设计了用示波器“观察声波的波形”的实验,这里显然利用了示波器音频信号显示技术或“原型”.利用光纤的原理,设计了中学“光沿水流传播”实验,帮助学生理解全发射现象,生动地展现了光纤通信的过程.

以中学物理“观察声波的波形”实验为例,可以发现科学技术“原型”对设计“物理教学实验”的重要性.

现在示波器广泛应用于工业、科研、教学、医疗和生活等领域,是人们分析、研究裸眼不可见信号及变化的不可或缺的工具.其特点是既能观察、研究各种电信号及变化,更能将各种非电子信号及变化转化为电信号及变化,以便人们分析、探究.在医院,医生通过示波器将患者心脏的微弱电磁波或脑部微弱的电磁波及其变化,“直观”地在显示屏上呈现出来,这就是心电图、脑电图.雷达的核心装置就是一个灵敏的示波器.借助示波器等机电设备,可准确地获得目标物的距离、方位、高度与速度以及是什么物体等有用的信息.这就是“用示波器显示声波”实验的技术“原型”.

我国建国后的历次教学大纲均没有提出“用示波器显示声波”的实验要求.虽然示波器是一种学生以前没有接触过的图形显示设备,但是,现代生活里示波器声音波形信号的应用并不少见:很多家用音响、录音机、计算机上都有音乐波形的直观显示(包括声音信号的波形、振幅、周期、频率、音色的变化图线),这是我们身边的示波器应用现象.现在,几乎所有新课程初中物理教科书都设计了用话筒将声音信号转换成电信号,再由示波器显示出描绘电信号的波形曲线,从而“观察声波的波形”.当学生在活动中看到自己发出的声音可以变成示波器显示的波形,将大大激发他们的兴趣.

2 凸显物理教学实验“原型”的价值

《课标》在突出物理课程的科学价值的基础上,也重视物理课程的人文价值,倡导以“公开的科学”与“个人的科学”的整合为依据设计物理课程内容(特别是物理科学探究活动).所谓“公开的科学”,是以科学专著、刊物、教科书等媒介公开出版的科学文本和人们能够直接感受到的以实物成果形式呈现的科学产品,但是这些科学文本和产品很少揭示科学的来源(科学研究者也包括科学学习者早期非常规的思考、探索的艰辛和激动人心的高峰体验等);“个人的科学”则是科学研究者也包括科学学习者个人层面的、常规的和非常规的思考、判断和体验,虽然不一定非常成体系,但是它可以揭示科学的来源.学生要学习真实的科学,就要从“公开”和“非公开”的科学现象的整体中把握“公开的科学”,体验科学研究者“个人的科学”并形成学生“个人的科学”.义务教育阶段,物理课程当然要强调“双基”的学习和训练,但更要注重科学过程和科学方法的学习.要实现学生从“学会物理”到“会学物理”的转变,其核心是把“公开的物理学”和人类先驱的“个人的物理学”结合开展物理教学活动,最终把它们转化为学生“个人的”思考、判断和体验——学生“个人的物理学”.

《课标》认为,科学探究对学生来讲不仅仅是学习的方法,更是学习的内容;科学探究对教师来讲不仅仅是教学的一种模式或策略,更是教学的内容.学生科学探究的本质是,不仅仅要让学生历经类似于人类先驱们探究物理世界的科学活动,体验他们“个人的物理学”,还要让学生从历经、体验转化为自己的经验和自己的“个人的物理学”,在经验的基础上加深对物理科学的热爱.这些观念的转变也是基于对“科学”的新的理解:“科学”首先是一种“产品”,是一个具有严密结构的知识体系;其次,“科学”是一个过程,它是一系列的科学探究活动、环节组成的流程和历史,它包括提出问题、猜想与假设、制定计划与设计实验、进行实验与收集证据、分析与讨论、评估、交流与合作等基本环节;最后“科学”是一种人类活动,是人与自然的对话.将科学探究作为课程的内容,旨在使学生成为学习的主人,引导学生经历与科学工作者进行科学探究时的相似过程、体验科学探究的乐趣、学习科学探究的方法与基本程序和领悟科学的思想和精神.

绝大多数“物理教学实验”的“原型”都是第1类“原型”——物理学家发现物理规律时设计并完成的经典实验.这些“原型”包含着物理学家“个人的物理学”.因此,这些“原型”充满了巧夺天工的智慧、坚韧不拔的执着、审美的情怀和浪漫的色彩.如果能够在进行“物理教学实验”的过程中让学生了解这些“原型”的内容与过程,无疑会产生意想不到的教育效果.所以,凸显“物理教学实验”的“原型”既是实现物理课程科学与人文教育价值的重要途径之一,也是实现“公开的物理学”与“个人的物理学”整合极好的结合点.

凸显“物理教学实验”的“原型”,就是让学生了解“原型”实验的内容与过程,就是让学生知道“原型”实验的目的与思路,从而清楚物理实验的方法、过程和设计思想,进而理解物理实验在物理学发展中的地位和作用、物理学在人类社会发展中的功能.通过凸显“物理教学实验”的“原型”,可以让学生了解物理学、物理实验、物理现象就在他们身边,他们日常的生活中就包含大量的物理现象、过程和原理;通过凸显物理教学实验的“原型”,让学生知道他们学习的物理课程具有广泛的科学技术应用前景.而最重要的是.通过凸显“物理教学实验”的“原型”,可以让学生了解物理学家当时是怎样思考的和怎样设计探究实验的,让学生体会物理学家当时设计探究实验时的继承、创新、艰辛、快乐、灵感,使学生获得观点、方法的启发.

以中学物理“探究电流的磁效应”实验为例,可以清楚地看到这个“物理教学实验”的“原型”是怎样充分展示奥斯特(Hans Christian Oersted)“个人的物理学”.

电流的磁效应是电流的基本效应之一.丹麦物理学家奥斯特于1820年通过实验首先发现电流的磁效应.一开始,奥斯特采用类比推理的方法进行电流效应的分析:电流通过直径较小的导线时会发热,这是已经发现的电流的热效应;如果继续减小导线的直径,或增加伽伐尼(Luigi Galvani)电池的金属板的对数,通电导线还会发光;假设导线的直径再减小,或再增加伽伐尼电池的金属板的对数,通电导线就还会产生磁.由于电流通过导线时产生的热和光是向四周发射的,奥斯特也猜想,在电流的横向可能产生磁效应.为了验证这一假设,他设计了一个实验:在桌面放置一个用玻璃罩盖着的磁针,将一根细铂金丝放在磁针上面,此铂金丝与伽伐尼电池相连,然后观察通电后磁针有没有运动.由于偶然的原因,他一直没有试做这个实验.后来在一次演讲中,奥斯特按照电流的横向可能产生磁效应的设想,先使磁针跟导线垂直(即东西方向放置导线),结果当电流通过导线时磁针却一动不动,实验未能得到预期的结果.在演讲快结束时,奥斯特灵机一动进行了另一种尝试:让我把导线跟磁针平行放置(即南北方向放置导线)来试试看!当电流通过导线时,导线下面与导线平行放置的小磁针真的发生了摆动.由于小磁针摆动得非常微弱,听讲者没有太大的印象.演讲结束后,奥斯特十分喜悦.他连续工作了近3个月,试验在各种情况下电流对小磁针的作用.他先后在通电导线与小磁针之间放置玻璃、金属、木头、水、陶瓷、树脂等介质,都发现电流对小磁针发生了作用.1820年7月21日,他把研究成果写成一篇题为“作用在磁针上的电流碰撞的实验”的论文.这个实验后来一直被各类物理教学所“复制”.

3 “物理教学实验”的设计思路

从前面的分析可以看出,“物理教学实验”不完全是“复制”物理学家曾经做过的“原型”实验,也不是直接把生产生活场景搬到课堂,更不是用越高科技的精密仪器进行教学实验越好.“物理教学实验”总是要利用现代教育理念、心理学原理和现代媒体技术对“原型”进行加工和改造:或进行“复制”、或进行“模拟”、或进行“修正”、或进行“简化”.总之,“物理教学实验”遵从简约性、工具性、可操作性、可理解性和趣味性.例如,中学“探究磁场对电流的作用”实验就是对安培(André-Marie Ampère)实验“原型”的改造:利用学生已经有磁场的概念,将直导线的磁场改为蹄形磁铁提供近似的匀强磁场,避免讨论电流之间的相互作用,突出了磁场对电流的作用.为了保证“物理教学实验”在课堂中成功,教师往往要从物理学的角度研究成功的条件.例如,根据克拉珀龙(Benoit Pierre Emile Clapeyron)方程,可以对中学“低压沸腾实验”进行控制,找到实验成功的条件,保证实验成功.因此,教师进行的演示实验、学生进行的“边学边实验”和实验探究活动,都必须为学生提供清晰的物理现象和科学的实验结果.“物理教学实验”在“复制”、“模拟”、“修正”或“简化”“原型”物理实验的过程中,必须考虑能不能引起学生兴趣,必须考虑是不是有助于培养学生的观察和实验能力,必须考虑怎样培养他们实事求是的科学态度.例如,中学“覆杯实验”主要帮助学生理解“大气压强”概念;中学“测算小灯泡的电功率实验”主要让学生掌握物理操作、测量和处理数据的技能;中学“探究凸透镜成像规律实验”主要让学生经历探究过程;中学“探究欧姆定律实验”可以让学生学习物理学控制变量的研究方法.

以中学物理“探究保险丝的作用”实验为例,可以清楚地看到“物理教学实验”的设计思路.

中学物理“探究保险丝的作用”实验的“原型”是爱迪生(Thomas Alva Edison)的实验和现代社会中常用的电路保护装置.中学物理仍然用保险丝(熔丝)进行实验.保险丝最早的发明者是爱迪生.[4]他在研究白炽灯的过程中发现铂和类似铂的金属具有电阻高、散热慢的特性,于是选用铂丝作为灯丝的材料.为了保护灯丝,爱迪生将两根铂丝绕成双螺旋形,中间插入一支金属棒,铂丝通过电流时,金属棒可以作为调节器:当铂丝的温度接近其熔点时,金属棒由于受热膨胀,造成电路短路,灯泡熄灭;灯泡的温度降低过程,铂丝随之冷却,金属棒也随之收缩,于是灯泡又亮了,这是熔丝的“原型”,起到保护白炽灯的作用.后来爱迪生用可伸缩的膜来替代金属棒调控电路通断、调节铂丝温度.在日常生活中,有时家里的用电器全部启用或某一用电器启用时可能出现断电的现象,究其原因是电路中的熔丝起到关键性作用.在现代家庭、工农业生产和科学技术活动中,我们早已不用传统的方式进行电路保护了,而采用学生不容易观察到内部结构的一体化装置.同时,出于安全和直观的考虑,“物理教学实验”不用220V的市电让学生进行实验,也不用一体化电路保护装置让学生探究.

我国从1956年起,历次教学大纲均要求用实验演示研究保险丝的作用.《课标》对保险丝作用的实验并没有明确的要求,而是要求学生了解家庭电路和安全用电知识,有安全用电的意识.新课程初中物理的“探究保险丝的作用”实验仍然按照爱迪生的发明思路设计,利用低压电源,采用保险丝(熔丝)熔断来“模拟”实验.一般要求学生了解生活中熔丝熔断的两种可能性:短路熔断和过载熔断,也可以让学生了解为什么不能用铜丝替代保险丝,还可以让学生体会到短路的危害.现在,几乎所有新课程初中物理教科书都设计了“探究保险丝的作用”实验.

当“物理教学实验”凸显了“原型”的思想、方法和过程,就使得它具有了丰富的人文教育价值,就可以利用它来培养学生的人文素养.例如,中学“用牙齿听声音实验”、“鸡蛋浮沉实验”、“小孔成像实验”、“模拟闪电实验”、“长短蜡烛实验”[5]就包含许多人文教育价值,中学“探究摆的奥秘实验”、“探究装满水的杯子里还能放多少回形针实验”、“探究电磁感应现象实验”和“探究导体电阻跟哪些因素有关实验”就包含许多培养科学探究精神和方法的教育价值.当“物理教学实验”凸显了“原型”的思想、方法和过程,就有利于培养学生树立尊重科学、尊重实验事实的科学求实态度,形成理论来源于实践而又指导实践的辩证唯物主义观点;就有利于培养学生认真、细心、有条理、有层次的实验心理素质,养成良好的勤于动手、仔细观察(观察现象和读数等)、严格操作的习惯.总之,充分利用“物理教学实验”的“原型”,可以全方位提高学生人文素养.

1 华东地区初中物理教材编写组.义务教育课程标准教科书 物理(8年级下册).上海:上海科技出版社,广州:广东教育出版社,2003.

2 义务教育课程标准教科书 物理(8年级下册).南京:江苏科技出版社,2007.

3 课程教材研究所,物理课程教材开发中心.义务教育课程标准教科书 物理(8年级上册).北京:人民教育出版社,2006.

4 王忠良.爱迪生传:光明天使发明奇才.沈阳:沈阳出版社,1997.