巧用物理实验设计 培养学生创新能力

陈海涛

(江苏省苏州市北京外国语大学附属苏州湾外国语学校，江苏 苏州 215021)

创新,是社会赖以发展的重要动力;创新,是一个民族屹立于世界民族之林的基石．中国社会的快速发展,在迫切地呼唤更多的创新,期待教育界能培养更多的创新人才,当然也期待着义务教育工作者能作更多的努力．为此,在国家教育部近期提出的“核心素养”[1]中,明确指出培养学生“实践创新”的必要性．但是纵观近二十年来的初中物理教学,无论是教学内容,还是教学评价等诸多因素,离培养学生有效的“实践创新”都还有不小差距．在不少教师的教学实践中,要拿着放大镜甚至显微镜才能觅得“创新”的痕迹．有的教师即使有培养学生创新的欲望,但是由于缺乏便于借鉴的案例,也只能望而却步,把培养学生创新看得很神秘．其实,在物理教学中培养学生创新并不难．下面就示范一下笔者如何引领学生借助最常见的“瓶子”设计实验,让学生经历“创新之旅”的实践探索．

1 在“试水”中暴露问题

为了循序渐进地培养学生创新,在教学时模仿了人学游泳时的三个阶段,设计了“试水”、“畅游”和“深潜”[2]三个学习过程．

在“试水”阶段,笔者预先按照分组的原则,把班级学生按男女比例和学习能力不同分成几组,每组6-7人,然后要求每位学生尝试用矿泉水瓶设计尽可能多的物理实验,并用思维导图的形式画出来(当然,如果学生没有过这方面的训练,也可以直接用大括号的形式列举)．接下来,激励学生在各自设计的基础上进行讨论,最后由组长汇总组员的讨论结果,画出本组的思维导图．

这次教学实践,之所以选用的是初三学生,是因为学生已经学过一些物理基础知识,预期他们在“试水”时能设计一些简单的实验．这样既能让学生获得一定的成就感,同时又能暴露出学生的问题．鼓励学生用思维导图,是因为用这种方法本身就有利于学生思维的发散,对培养学生的创新有利．组织小组讨论,是想让学生体验“头脑风暴法”[3],学习这种借助团队合作的创造技法,这也是许多项目研发时经常用到的创新技法．为了更好的发挥“头脑风暴法”的威力,要注意一些使用原则,比如要让每位组员尽情发表自己想法,组员之间不能打断彼此的发言,记录员要忠实的记录每个人的想法．要知道,其中某位组员的“荒诞想法”,也许就是创新的增长点．

经过一番“试水”,各组学生汇报了自己的实验设计．为了节省时间,只允许后汇报的小组说别的组没说过的实验设计．在学生汇报的实验设计中,结果比较发散．基本上涵盖了声现象、热现象、光现象、力、运动和电学几个方面,设计的实验也比较简单,大多是以前做过的或是见过的演示实验．比如向瓶中加不同的水,吹瓶中听音调不同;透过装水的瓶子看近处书上的字有放大现象;捏瓶子松手后瓶子能恢复原状显示弹性形变;利用瓶子装水、钻孔,显示液体压强规律;等等．每组学生大概设计了10-15个简单实验．

在学生汇报完后,笔者先是给予了一定的肯定,但是紧接着又泼了一盆“冷水”,指出学生设计的实验存在两大问题:一是“不够宽”,即设计的量还不够多,思维不够发散;二是“不够深”,即设计的实验大多数浅尝辄止,仅停留在比较简单的层面．那么,如何解决这两大问题呢?经过问题暴露后,学生怀着无限疑问等着教师的指导,内心已经宠宠欲动,为下一步的创新实践教学营造了浓烈的氛围,制造了足够的气场．

2 在“畅游”中体验创新

为了解决学生实验设计“不够宽”的问题,笔者在课上送给学生一个“锦囊妙计”,引入了创造技法中的“组合创造法”[4]——指用一定的技术原理、功能、目的,将两个或两个以上的技术、物质、方法、产品,进行合理的组合,形成新产品．甚至把原产品分割,重新排列组合成新产品或将多个单一产品组合成一个新产品的方法．组合创造法是最通用的创造技法之一．然后指导学生借鉴“组合创造法”,尝试把瓶子和已经学过的一些知识点相组合,设计更多的物理实验,并把结果用思维导图形式画出．为了便于课上交流,也为了更好的启发学生,笔者为学生做了一点铺垫,列举了一些知识点供学生参考．比如,列举了声现象中的四个知识点: ① 声音是由物体振动产生的; ② 声音要靠介质传播,真空不能传播声音; ③ 乐音的三要素:音调、响度、音色; ④ 噪声．列举了和力相关的7个知识点: ① 力是物体对物体的作用; ② 物体间力的作用是相互的; ③ 弹力; ④ 重力; ⑤ 摩擦力; ⑥ 惯性; ⑦ 力可以改变物体的运动状态．列举了和压强相关的四个知识点: ① 影响压力作用效果的因素; ② 液体的压强; ③ 大气压强; ④ 流体压强与流速的关系．列举了和光现象相关的5个知识点: ① 光在均匀介质中是沿直线传播的; ② 物体的颜色; ③ 光的反射; ④ 光的折射; ⑤ 透镜．

各组学生经过一番讨论后,轻松的设计了各种实验,和上述每个知识点相关的实验设计都有好几个,学生所设计的实验在数量上有了“爆炸式”的增长,学生“畅游”在思维的“盛宴”中,使用“组合创造法”的威力得以充分体现．如图1所示,就是笔者随便选的学生的设计成果,很多学生的设计思路都和该学生一样宽广,甚至更宽泛．通过学习和使用“组合创造法”,学生成功解决了实验设计“不够宽”的问题．由于课上时间有限,教师教学时可以选取少量的知识点让学生练习一下,贵在体验使用“组合创造法”的妙处和培养学生的发散思维．在课后,可以要求每位学生继续练习使用“组合创造法”,让学生在实践中掌握“组合创造法”,既能体验创新的乐趣,又能激发学生创造的欲望．如果再经过适当的引导、反复的创新实践,说不定就能提升一群学生的创新素养．

图1

3 在“深潜”中深入创新

为了解决学生实验设计“不够深”的问题,笔者在课上再次为学生送上一个“锦囊妙计”,引入根据“奥斯本检核表法”[5]创生的“创造性实验反思策略”[6]——① 能否借用?即能否借用其它实验的经验?有无与过去实验相似的东西?能否模仿点什么? ② 能否改变?即实验的器材、步骤、测量方法、数据处理等能否作其他改变?③ 能否代用?即能否用其它实验原理、其它动力、其它场所、其它方法等取而代之?④ 能否组合?即整套实验器材、实验方案是否统一协调,能否进行适当地组合?能否和其它实验进行组合?其他人的实验主张能否综合?其他人的新实验设想能否综合?⑤ 能否扩大?即实验中能否增加什么?实验的器材、步骤、时间、次数、温度、压强、质量、声音、光照、长度、厚度等能否增加?实验的附加价值能否扩大?⑥ 能否缩小?即实验中能否减少什么?实验器材能否再小点、浓缩、微型化、再低些、再轻些?实验步骤能否再省略些?实验装置能否采取内装? ⑦ 能否重新调整?即可否更换部分实验器材,用其它的型号、种类,用其它设计方案,用其它顺序?能否调整速度?能否调整程序?⑧ 能否颠倒过来?即可否变换正负,颠倒方位?思考反向有何作用?⑨ 有无其他用途?即现有实验还有没有新的用途?或稍加改进能否扩大它的用途?

“奥斯本检核表法”曾被誉为创造技法之母,根据她派生出的新创造技法就有很多．根据她创生的“创造性实验反思策略”,充分保留了“奥斯本检核表法”有利于强制性打开发散思维的重要特征,在初中[7]和高中[8]的物理教学实践中,被证实对培养学生的创新很有效．为了让学生在短时间内学习和体验“创造性实验反思策略”,笔者选择了“气体压强”这个学生比较熟悉的知识点,要求学生利用瓶子设计关于气体压强方面的实验．为了能够深入进行设计,笔者进行了适当的引导,没有让学生自由发挥,因为那样在短短的课内时间,各组学生设计的方案千差万别,不利于“深入”进行．

笔者先要求学生先熟悉“创造性实验反思策略”,然后要求学生利用空瓶子和人的身体部位设计一个关于气体压强的实验．各组讨论了一会,很快有几组学生汇报了答案．有的组是把瓶子中气体挤出一部分,然后吸附到手掌心;有的组是把瓶子中气体挤出一部分,然后吸附到前臂上;还有的组是把瓶子中气体快速挤出,形成气流吹动头发表明气体有压强……为了活跃气氛和激发学生创新的欲望,笔者拿起几个空瓶子挤出气体分别吸在自己和另外几个学生的脸上,课堂气氛一下子达到了高潮!接着,笔者提出,能否用一张硬纸片和空瓶子设计关于气体压强的实验,同时提醒学生,如果遇到困难可以尝试“创造性实验反思策略”．有不少学生很快悟出了方法,“不就是变一变、把脸换成硬纸片吗?”然后他们成功地做了展示．其中有一组做法独特,把纸片折成圆锥堵在瓶口,然后用力挤压瓶子,利用压缩空气把纸圆锥发射出去．紧接着,笔者提出了新问题:刚才被吸在瓶口的硬纸片很容易漏气、掉下来,怎么办呢?学生讨论了一会,有人提出换用硬度适中、容易密封的纸片;有人提出在瓶口沾点水在吸住纸片;有的学生则提出干脆把瓶中多灌点水再做,或是把瓶中灌满水再做．他们都成功地进行了实验展示．接着,笔者又问,如果硬纸片太重,瓶子就很难吸住它,怎么办呢?学生利用“创造性实验反思策略”思考,很快就想到了对策,有的组演示用开口更大的瓶子吸住重的纸片;有的组则借助“能否扩大?”策略,想到用几个普通的瓶子同时吸住硬纸片,甚是绝妙!

为了打破常规,把创新引向生活,践行“从物理走向生活”的理念,笔者接下来话锋一转,拿起瓶子吸在脸上,问学生:在我国中医上,好像有什么东西和这个类似喔?“拔罐”,学生很快就想到了．接下来,笔者简单演示了拔罐(气体拔罐,简称气罐)抽气吸在脸上的实验,然后问:给你一个气罐和配套的抽气机,加上橡皮膜、细线,你能设计一个关于气体压强的实验吗?学生受“创造性实验反思策略”中的“能否借用?”和“能否改变?”等策略启发,很快想到把橡皮膜蒙在气罐的开口出,然后抽气,橡皮膜逐渐向气罐内凹陷,直到紧紧地贴在气罐内壁．紧接着,笔者又改变思路,拿出一个小铁盒子,问学生:拔罐能不能帮我们搬东西呢?即“有无其他用途?”各组学生不大自信的讨论、动手尝试,但是很快想到了办法:把气罐放在铁盒盖上,抽气,利用大气压,成功地把铁盒搬起来．笔者接着问,如果不用拔罐,而是给你几台吸尘器,你能想办法把一辆轿车搬起来吗?受拔罐搬运的启迪,学生很快想到了新办法:扩大吸尘器和轿车的接触面积,注意密封性,就有可能把汽车吸起来．笔者表扬学生的同时,展示了科普视频“街头物理实验室”中别人做的这个实验,确实和学生设想的差不多．同时还展示了生活中利用吸盘搬运玻璃的图片,期望学生能在平时进行大胆创新,搞小发明、申请专利(笔者所在学校学生已经申请了上百项专利,有一定的基础)．为了激励学生开发器材的新用途,培养学生创新,笔者又启发学生:利用刚才的气罐和铁盒子,再加上足量的沙,能在课后设计一个估测大气压强的实验吗?

为了培养学生思维的发散性,激励学生“深潜”,笔者又根据“创造性实验反思策略”中的“能否颠倒过来?”,引导学生反思,刚才的实验都是排出“瓶中”的气体,如果给瓶子充气会怎样呢?碍于时间和器材限制,笔者演示了自制的简易水火箭:500mL可乐瓶,橡皮塞加自行车气嘴．演示时加瓶子容积四分之一左右的水,用橡皮塞塞紧瓶口,让学生轻轻托在手掌心,瓶子对准教室门,笔者用气筒猛地打了两下气,水火箭瞬间“夺门而出”,“啪”的一声,射出去十几米后摔落在地面．学生一片哗然,非常兴奋!笔者趁机抛出问题:你们能在课后改进一下吗?能不能射的更远?或者射的更高?然后又问学生:刚才做的水火箭是玩具,在生活中有没有向瓶中充气的应用?有的学生想到了碳酸饮料中会充气,有的学生则想到了香槟酒里会充气,有的学生则想到了往钢瓶中充气,如液化气、氧气瓶、氢气瓶,等等．为了加深学生印象,笔者先是播放了赛车庆功会上赛车手拿香槟酒互射的画面,然后拿出一瓶罐装啤酒,猛烈地摇晃几秒钟,然后迅速拉开拉环,啤酒一射而出,前排的学生吓得慌忙躲让．教室的气氛空前高涨!然后笔者向学生俏皮地说:别忘了,我们会向瓶中充气哟!将来哪一天你如果需要用到类似的发明,别忘了今天的收获啊?

至此,学生在一波又一波的挑战中,过关斩将,既兴奋,又活跃．为了巩固这节课的成果,笔者又要求学生完成两个创新设计:

一个实验是用500mL矿泉水瓶和300mL矿泉水瓶做的,把大瓶子的瓶底切掉,小瓶中加50mL左右的水．笔者先演示小瓶子可以套到大瓶子内部,但是由于重力作用,用手提大瓶子,小瓶子就会掉下来．要求学生利用实验桌上的常规器材,完成提大瓶子时小瓶子不会掉落．这次各组学生可谓绞尽脑汁,有的尝试用抽气机堵在大瓶子瓶口抽气,失败!有的则莫衷一是．最后,有一组学生想到了用水,把大瓶子的盖子拧紧,竖直向下浸没到水中,然后把盖子拧紧的小瓶子一半套入大瓶中,再去提大瓶子,随着水向下流出,小瓶子“乖乖”的被大气压压上去,钻到大瓶子瓶肚里去了．教室里响起了热烈的掌声!一片“创新”成功的掌声!

另一个实验如图2,在瓶子上钻三个孔,用胶布贴起来,再装满水．要求学生揭掉胶布,先观察现象(第2、3两孔出水),然后思考如下四个问题——当瓶中水足够多时: ①如何让第2孔不出水(不许用手堵住第2孔)?② 如何让第3孔不出水(不许用手堵住第3孔)?③ 如何让让第1孔出水?④ 如何让3个孔同时不出水(不许用手堵住3个孔)?大气压强在液体中可以传递,这点学生没学过．设计这个实验需要学生在动手的同时进行创新活动,可以使用“创造性实验反思策略”进行思考,从而得到锻炼．比如对于第3个问题,有的学生想到了把瓶子倒过来放,对于第4个问题,有的学生想到水平放置瓶子……学生经过讨论,虽然艰难,但是最终还是成功地解决了所有问题．

图2

4 结束语

从学生的“试水”、“畅游”和“深潜”中不难发现,创新并不神秘!不少教师觉得培养学生的创新似乎高不可攀,实际上是因为不了解创新或是因为没找到培养学生创新的途径．笔者为了证实上述教学活动的可行性,又在另外班级做了试验,结果仍然类似,其他学生也能使用各种创新方法完成挑战．其实,可以用于创新设计的简易器材很多,气球、磁铁、纸张、铁丝和筷子等生活用品都可以．对培养学生创新感兴趣的教师不妨一试,将这种“创新性实验设计教学”开展起来,让学生在做中学,在实践中创新,需占用的课时并不多,但是对学生的创新引领可能是一辈子的事!