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第11章 物理实验中思想方法的训练(6)

(2)教师要选择合适的实验,提出合理的问题。问题如果太简单,答案比较常规或大家非常熟悉,也就谈不上发散思维。问题太难,脱离学生实际,也收不到好的效果,一定要以学生现有的水平为前提,确定稍高的要求,使学生经过努力可以达到目标,使学生感受经过努力取得成功的喜悦,从而更激发起他们的思维热情。

(3)与教学要求相适应。对学生进行发散性思维训练需要一定的时间,我们要做到得能偿失。例如前面电磁感应中的发散性思维训练为以后的学习打下了扎实的基础。对荷质比测量的讨论实际上就是完成了质谱仪的教学。

物理实验中发散思维的培养(二)

发散思维是一种从多方推测、假设和构想中来探索答案的创造性思维形式。任何科学理论的创立和艺术作品的产生,无不建立在发散思维的基础上,没有发散思维,人类的创造活动也就不复存在。现代社会和科学技术的飞速发展,需要人们充分开发人力资源,在人力资源中,创造力是最宝贵的财富,作为年轻一代的中学生则是创造力的源泉,未来创造的主人。实验是物理学的基础,实验教学在物理教学中有特殊的地位,是物理教学中极为重要的一环。

因此在物理实验教学中,如何培养学生发散思维能力是值得探讨的问题。浙江德清一中臧文彧老师总结介绍了物理实验教学中培养学生发散思维的几条途径:

设计实验方案

大凡的物理实验(指学生分组实验),实验的目的、内容、步骤都有详尽的设计安排。若学生长期按课本或实验的安排,被动地实验,思维会显得呆板,缺乏灵活性和创造性,因此教师应在教学中适当改变一下教学方法,有的实验可以让学生自行设计各种实验方案。

例如,重力加速度的测量,在学习中,可让学生设计几种不同于教材上的实验方案,学生通过积极思考、讨论,可得出许多种,如:

方案1:落体法让重物自由下落,测出下落时间t与下落高度h,再利用公式=2ht2算出。

方案2:气垫导轨法让滑块在倾斜的气垫导轨上滑下,测出下滑时间及下滑距离,量出导轨倾斜的角度,再根据α=sinθ2st2,得出=2st2sinθ。

方案3:圆锥摆法将摆球拉开平衡位置一定距离,测出该处离悬点的竖直距离,给摆球一垂直于摆线与过悬点竖直线的一初速度,使摆球作圆锥摆运动,测出周期T,再利用向心力公式得:

mgtgθ=m(2πΤ)2R,=4π2RΤ2tθ=4π2hΤ2。

方案4:弹簧振子法将一弹簧竖直悬挂,下端挂上一重物,测出弹簧伸长的长度,再让弹簧在竖直方向振动起来,并测出振动n次的时间t,再根据m=kx及Τ=2πmk可得:Τ=wπx,则=4π2xΤ2。

教师再引导学生分析每种实验方案可能产生误差的原因,得出:落体法产生误差的主要来源是时间及距离的测量,及重物受空气阻力的影响;气垫导轨法产生误差的主要原因是时间、距离及角度的测量,及滑块受阻力的影响;圆锥摆法产生误差的主要原因是高度及时间的测量,空气阻力的影响及让小球作圆锥摆运动较难把握;弹簧振法产生误差的主要原因是伸长及时间的测量,阻力对振子运动的影响。最后让学生比较各种方法的优劣,得出最佳方案,学生认为课本上用单摆测的方法为最佳方法,因为引起误差的因素少,且所产生的误差也较小。

在实验设计活动中,尽管学生的许多想法是不成熟的、片面的,甚至是不可行的,但让学生的思维充分发散,再引导他们从可行性、科学性上对自己的设想进行讨论研究,有条件的话还可让学生亲手做一做,找出失败原因。这样,对培养学生的思维能力、创造能力是极有好处的。

预想实验结果

教师在进行一些演示实验前,先要求学生对可能发生的现象或结果进行预想,然后让学生各抒己见。学生在作出预言前,头脑中必须反映出若干种不同现象或结果,使思维得到扩散。

当学生作出预言后,再由教师演示,让学生观察现象。

例如,在进行“平行板电容器的电容”教学时,先引导学生预测一下决定电容大小的可能的因素,然后再利用实验对学生作出的各种预测进行检验。若仅由教师从头至尾讲授并演示,学生虽也能获得有关的结论,但对将来独立面对新问题并没有学到什么;他们也许能理解教师的讲解及实验,但他们极少能理解教师怎么会想到这样安排实验的。他们仅处于被动接受的地位,无法体验到科学发现活动的艰难和乐趣。

预想是一种创造性思维,这种训练的长期效应是能提高学生创造思维能力及学习的主动性。

改进实验方法

为了使实验现象更鲜明、生动,更能说明问题,不必都照搬教材上的演示方法和演示装置,而是改进或改变实验方法。这对激发学生的创造性思维也是有益的。

例如,高三课本上研究牛顿第二定律的实验装置,最大的缺点是夹子很难控制两车同时制动,可用如图1所示的钻有两孔的木块代替夹子(装置的其它部分与课本同),将一细绳穿过两孔并将绳的两头分别系在两辆小车的尾部,启动前拉紧细绳使两辆小车正处在起点处,松手两车便同时启动,当绳绷紧时,车便同时制动。

为了使教学形象、生动、富有启发性,可设计和补充一些演示实验。

例如,高二课本中的阅读材料“蜃景”,在实验室很难演示,可采用模拟的方法。在如图2所示的透明水槽中先注入水,再由一管子通到水底,并从管中注入糖水,将该溶液静置两天左右,使该溶液形成均匀的密度梯度,再在P处用激光照射,在溶液中便会呈现一弯曲的光路,在M点观察,将会看见光源在P点的正上方。

这些构思独特、新颖,方法巧妙的演示实验,能极好地启迪学生的智慧,促进创造能力的发展。

有些实验可用正、反对比的方式进行演示。

例如,如图3所示,甲瓶水中的球为金属球,乙瓶水中的球为木球。当两瓶分别向前作加速运动时,两球的偏向正好相反。

又如,在演示发电机发电后,还可倒过来演示通电后发电机转变为电动机。

通过正、反实验的演示,活跃了学生的思维,扩大了思维的空间,培养学生从多方位思考问题、认识问题的习惯,同时也能克服学生不良的心理定势。

变换实验方法许多实验可采用各种不同的方法来演示,教师应尽可能采用不同的器材、技术进行演示。

例如,在介绍光导纤维时,可配合演示玻璃棒导光、塑料纤维导光、细水流导光(如图所示),甚至还可采用一些植物的茎、杆导光。

着名物理学家麦克斯韦曾说过:“一项演示实验使用的材料越简单,学生越熟悉,就越能彻底地获得所验证的结果,这种实验的教育价值往往与仪器的复杂程度成反比。”身边的任何物体都有可能被拿来做实验,即使是一支粉笔、一块黑板刷,只要改变视点,从多方位入手,将其有关属性加以分解、置换与再组合,就会有所发现。

例如,取一较新的黑板刷,使其有纤维一面朝下(如图5甲乙所示),放在桌面上,再将黑板刷上压适当重物,当使黑板刷与桌面间有相对运动或相对运动趋势时,从纤维弯曲方向就可判断摩擦力的方向。若将黑板刷背面紧按在黑板上使其下滑,可听到摩擦声音,当松手让其顺着黑板自由下滑时,见图5丙,听不到摩擦声,这可说明弹力消失后摩擦力也消失。若将黑板刷放在一粗糙斜面上,如图5丁所示,使其在θ>45°时匀速下滑,则msinθ=μmcosθ,μ=tθ>1,可说明滑动摩擦系数并不一定小于1,等等,这种一物多用的演示方法,对启发学生的发散思维有很好的作用。

注重探索性实验物理教学实验依其实验目的的不同,可分为四类:物理量测量实验,验证性实验,探索性实验,其它(观察、使用、安装)实验,探索性实验往往不一定知道某一物理问题的具体规律,要用实验揭示物理量的关系,从而总结归纳出物理规律。如研究电磁感应现象的实验,这种实验对训练发散思维能力是十分有益的,由于这种实验有一定的难度,故在学生实验中所占比例小,因此教师课堂上要注重探索性实验的演示。

例如,在将单摆的周期公式介绍给学生前,先让学生思考单摆的周期可能与哪些因素有关?怎样安排实验进行研究?学生通常会想到:①可能与摆球质量有关。于是选用两个摆球质量不等,而其它因素均相同的单摆,让它们同时作等幅振动,然后比较两者的周期;②可能与摆长有关,于是选用两摆长不等而其它因素均相同的单摆,让它们同时作等幅振动,然后比较两者的周期;③可能与振幅有关。选用两完全相同的单摆,让它们作不等幅振动,然后比较两者的周期。通过实验研究,发现周期Τ与摆长L有关而与摆球质量、振幅均无关,且L越大Τ也越大。

然后教师再启发学生将单摆移至赤道、北极、月球周期会不会变?使学生想到周期还可能与重力加速度有关,虽然改变当地的重力加速度是不可能的,但可采用如图6所示的方法,在铁质摆球下置磁铁模拟增加,通过实验,发现Τ减小,说明Τ与有关。最后教师再说明惠更斯通过大量实验研究得出Τ=2πL/。

分析实验误差

误差分析包括指出实验中引起误差的错误操作、误差偏向和造成误差的原因等。任何有关测量的实验都会产生误差,而实验误差的产生往往是由许多因素造成的,通过对实验误差的分析,不仅能使学生对实验原理、过程更清楚地了解,还能训练学生的发散思维。

例如,某同学在做完验证玻意耳-马略特定律实验后,画出了相应的P-V图线(见图7),其中a、b、c、d……各点较准确,而e点位置偏离较大。而原因可能是:①温度升高;②外部气体漏进针筒内;③气体体积读数偏大;④计算压强时将减去拉力产生的压强误为加上拉力产生的压强;⑤两边所挂钩码不对称或针筒发生倾斜导致摩擦力增大。

物理实验中发散思维的培养(三)

物理实验教学的传统模式是通过模仿来领会掌握前人总结的最基本的方法和知识技能、对学生思维能力的培养则偏重干深刻性和逻辑性。这对学生掌握实验的基本知识和技能是必要的,但长此以往,势必造成思维刻板、僵化,有碍思维广阔性、灵活性和敏捷性的发展。使分析解决问题的思路狭窄、方法单一雷同。因此在培养学生求同思维的同时,应努力培养与创造性思维密切相关的发散性思维。辽宁朝阳县教研室田心臣老师总结介绍了物理实验教学中,在依据教材、标准、原实验内容的基础上,充分发挥教师的主导和主观能动作用,挖掘发散点,创设发散思维的情境,培养学生广阔灵活、敏捷、求异、创新的发散性和创造性思维品质的方法。

精心巧设

精心巧设就是根据实验内容,巧设问题,诱发学生的发散思维。

如在“伏安法测电阻”的实验中,在完成教材中的实验内容后,可设置下列问题。

(1)有意将元件、线路接错,让学生辨别错误所在,分析错误原因,指出纠正办法。

如图所示是伏安法测小灯泡电阻的实物连接图。其中每节电池的电压为15伏,小灯泡电阻约为10欧。请找出电路中的错误之处,分析可能产生的现象及可能造成的危害,说明道理及改正办法。

(2)由实验中出现的现象分析产生原因,从而培养学生逆向思维能力。

①某同学联完电路后,试触一下开关,发现伏特表的指针向没有刻度的那边偏转,请说明产生这种现象的原因及改正办法。

②某同学接好电路后,闭合电键,伏特表的示数为45伏,电流表的示数为零。如果每根导线与接线柱的接触均良好。请说明电路在什么地方发生了故障?这些问题,不仅能加深对知识的进一步理解,而且能训练学生从不同角度、不同位置探寻解决问题的途径。从而提高发散思维的品质。

扩展多变

扩展多变就是以原有问题为发散源,进行开拓、变型,发散出多个有价值的问题,从而获得“一题多练”、“一题多得”之效果。以利沟通不同知识间的联系,促成知识的迁移,又能有效地调动学生思维向广阔、灵活、多方位发展,提高学生应变能力。

如在上述“伏安法测电阻”的实验中,通过变换实验仪器,可扩展出如下问题。

①若把电压表去掉,其它仪器不变,再给你一只10欧姆的定值电阻,你怎样测出小灯泡的电阻?

②若把电流表去掉,电压表和其他仪器不变,再给你一只10欧姆的定值电阻,你将怎样测出小灯泡的电阻?

③若在1和2中把定值电阻改换为电阻箱,不允许计算,你怎样直接测出小灯泡的电阻?

又如测固体物质的密度实验中,可提出如下问题:

①教材中测金属块的质量是天平。如果没有天平,而用弹簧秤和细线,怎样用间接办法测出金属块的质量?(依据质量和重量的关系式G=m)②如果没有天平,而用细线,钩码(已知质量)、刻度尺,支架杠杆,你怎样用间接方法测出金属块的质量?(依据杠杆平衡条件)③如果没有量筒(或量杯),用烧杯、细线、水、弹簧秤,你将怎样测出金属块的体积?(依据浮力定律)④如果被测金属块不规则,能否用方法3测体积?

⑤如果有量筒(或量杯),被测物不规则且吸收液体,你将如何测出它的体积?

⑥如果被测物体的密度小于水的密度,你怎样用量筒,细线、水、重物(能放入量筒中)来测该物体的体积?

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