探索性实验的思考

探索性实验的思考

“创新是一个民族的灵魂”，在知识经济的社会中人的最重要的素质是创新能力。而物理是一门以观察和实验为基础的学科，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以严格的物理实验为基础，并受到实验的检验。因此在物理教学中，尤其是在实验教学中，通过实验激发学生的求知欲望，培养学生的能力，发展智力，特别在培养学生的观察能力、动手能力、创造能力、发散性思维及发挥个性、提高学生的整体素质方面有独特的作用。但是传统包办式的实验教学不利于学生创新能力的培养，探索性实验作为近年来崭露头角的一种新型实验，它在激发学生学习兴趣、训练动手操作能力，特别是在培养学生创造性思维能力方面有着很好的作用。

我们对探索性实验的定义是：由教师给出实验课题，提供实验器材，提出实验要求，让学生自己拟定实验方案，制订实验步骤，独立地通过实验的观测和分析去探索研究，从而发现“新”的物理现象，并通过建立物理模型来解释实验现象，总结出他们原来并不知道的规律性认识的实验。

探索性实验作为物理实验的一种形式，它既有别于测定性实验，又有别于一般的验证实验。探索性实验的目的在于使学生获得物理实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的过程和方法。在探索发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验学者研究的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立正确会设计的指导思想。那么，探索性实验的设计应该该具备什么样的指导思想呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给我们以很好的启示

皮亚杰认为，人的行为具有一种定向性平衡。本来处于平衡状态的图式，由于人与事物的相互作用而破坏了平衡状态，出现了不平衡，为此，人再进行反应又恢复平衡，这种重新达到平衡状态的心理反应过程，称为平衡化。平衡化又可分为同化和顺应两种形式。同化

是主体面临新的情境时，总是将新的知觉要素或刺激整合到原有的图式中，引起主体原有认知结构量的变化，以加强和丰富主体的动作；而当主体的图式不能同化客体时，主体只有改变原有图式或建立新的图式，引起主体认知结构发生质变才能适应或容纳新的刺激，这叫顺应。正是在同化、顺应的交替转换过程中，新的认识不断整合为更高级复杂的认知结构。

学生的心理发展，就是这种认知结构从平衡到不平衡再到新的平衡的过程。皮亚杰认为，引起儿童认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发儿童的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。

探索性物理实验作为学生的一种积极主动的认识建构手段，其目的和作用不仅仅只是作为一般的建构手段，而是作为学生建构逻辑结构的手段。要达到这种目的，就要使学生在进行探索性实验时发生认知冲突。这要求探索性实验设计首先要足够“新颖”。正是这种“新颖”的刺激，才会激发学生对探索的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原有的“定势”相矛盾、相对立，才能产生认识上的不协调和冲突。比如，如果设计“测定没有系统误差存在时干电池的电动势和内电阻”的实验，要求学生自己设计电路、得出数据，并求出没有系统误差存在时电池的电动势与内电阻，就比高中教材上的实验“新颖”。

那么，设计的“新颖”要达到什么程度呢？这涉及一个“度”的问题，太弱的刺激由于不能引起认知上的不平衡，因而也就不能引起同化和顺应。相反，如果外部刺激超过主体认知结构同化的范围，那么同化和顺应都无法进行，主体的反应也无从谈起。这正如皮亚杰所说的那样：“一个人既不注意太熟悉的东西，因为已经司空见惯了，他也不注意太不熟悉的东西，因为和他图式中的任何东西都没有联系。”

为了引起学生认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性实验的设计还要遵循“适度”原则。“适度”是指设计既要与学生已有的知识经验有一定联系，同时又要有一

定的难度。这样的设计如同树上的果子一样，学生必须“跳一跳”才能摘下来，这样就最大限度地激发了学生的求知欲和好奇心。当他们依靠已有的知识解决了一个新问题时，往往会在紧张的智力劳动之后带来精神上的满足。这种求知欲满足后，又会产生新的刺激，激励他们进一步去探索新的课题，从而转化为学习上的一种内驱力。

概括以上两个方面可知，探索性实验的设计指导思想应该是“新颖、适度”。

探索性实验的涵义及相关理念

1．探索性实验的程序

探索性实验要求学生灵活、综合地运用所学的物理以及相关学科的知识和技能，完成如下的程序。一是准备、设计阶段：查阅资料，设计实验方案，选配实验仪器，拟定实验步骤；二是实验阶段：正确调节和使用仪器，观察现象，测量数据，思考和分析问题；三是小结阶段：可以以课题论文形式提交实验结果，也可以进行口头形式的交流讨论。

2．探索性实验选题的原则

探索性实验选题的原则，一般不要求突出实验内容的复杂性，课题只给出实验目的和要求，由学生根据目的要求去查阅资料，独立制订实验方案。提出分析解决问题的设想，然后在教师的指导下独立去解决，最后写出实验报告。

3．探索性实验分类

(1)从形式上可分为两种类型：第一，给定某种仪器设备，要求完成某一物理量的测定或某一物理现象的观察研究。课本中一些“做一做’’栏目中介绍的小实验，有些就是这种类型的设计性实验。如《平抛物体运动》中的“用尺测量玩具手枪子弹射出时的速度”。又如在“显示微小形变”小实验中，变换一下问题方式就可以成为此类设计性实验，可以提出问题：“给你一个大玻璃瓶，你如何通过实验来显示微小变形?”第二，只提测量要求，不限实验方法和所用仪器，完成某一物理量的测量任务。

(2)从内容上可以分为三种类型：第一，测量某一物理量的课题，如“怎样测量半圆柱形下玻璃砖的折射率”，由学生设计实验方案；第二，探讨研究和应用的课题，如“太阳能电池的应用”，由学生阅读相关材料后，对工作原理和应用前景进行了解分析；第三，研究测量方法的课题，要求设计一种实用的方法。例如，在用伏安法测电阻后，可以提出：“一位无线电修理工手边有最大阻值为50Ω的滑动变阻器R0和未知电阻Rx各一只，除用伏安法测量外，还有哪些方法能测出它的大小(器材自选)”的研究课题，让学生根据课题要求，设计出多种测量方法。

一、教学案例

实验课题：重力加速度的测定

1．课题的提出

重力加速度是物理学中最重要的常数之一，它在高中的物理学习章节里大量频繁出现，其数值的测定方法很多，有些方法在物理学发展史乃至在科学史上有重要的价值。请同学们根据所学知识以及了解的知识设计一种可行的实验方案。

涉及到重力加速度的知识点很多。静力学中的重力，运动学中的匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动等；在动力学中的牛顿运动定律，超重、失重、力的平衡、匀速圆周运动、万有引力定律、机械能守恒定律等；在电学、原子物理中带动粒子的受力也涉及到重力加速度。

2．探索实验的要求

(1)学生分为若干实验小组，根据所学知识作为实验原理，可以找到多种测量方法，但至少选择一种以上你认为切实可行的实验，进行具体详尽的方案设计。包含确定实验原理，选配实验器材，拟定实验步骤，提示重要操作事项等。

(2)正确调节和使用仪器，观察现象，测量数据，思考和分析问题。

(3)提交实验结果，对所设计方案在实验中出现偏差或误差的原因进行分析，注意实验的可行性和实验价值的分析评估。

3．探索实验的互动和帮助

(1)从方案设计到实验过程到总结，学生以自主完成为主，疑惑较大时，师生间可以讨论，教师可给予适当指导。

(2)开放实验室，实验室可以提供学生较熟悉的一些仪器，如秒表、光电计时装置、打点计时器、电火花计时器、单摆装置等。

4．探索实验的思考

(1)对各小组的设计方案及实验结果进行对比分析，从实验的新颖性、可行性、实用性、先进性设计方法的价值等方面作对比，相互间作出评价。

(2)查阅资料，了解一种比较精确的测定重力的加速度方法——凯特摆测量法，思考其设计思想在科学史上有何重要价值。

二、教学思考

1．本案例课题极富开放性和挑战性。设计方案时，要求学生提出尽可能多的设想，再根据时间和条件，实践一、二种方案，有的实验无条件进行，也可以提出各种新的设想，这是创新思维训练的有效模式。由于课题较熟悉，要设计一个方案并不难，难就难在设计一个好方案，好方案就好在测量方法新颖、准确可行上。在研究此课题中学生根据所学知识，设计出不少方案，如自由落体(s=1/2gt2)，物体由静止在斜面滑下的方法

[s=1/2at2=1/2(gsinθ-ug)t2]，单摆法，力的平衡(弹簧拉力F=G=mg)；带电粒子在匀强电场平行板电容器中平衡(mg=qu／d)等方法，仅是自由落体的方法，也有不同的方案，如通过光电门装置来测物体下落时间的，也有通过打点计时器所打的纸带来计算g。同一方案，

为了更准确测量，都有不同的测量方法。

2．设计中的反思促使创新意识转化为创新能力。书面知识和实际操作之间存在巨大差异，想到一套好的思路并不等于有了实际操作的可行性。因此应鼓励学生在探索实验中不断对比、反思、借鉴，通过对测量手段的优化创新来提高实验的可行性。如有不少学生在方案中采用多次测量或图表的方法来减少偏差和误差，正确使用较好的仪器，如光电计时装置、电火花计时器等来保证测量的准确度。为了启迪学生设计实验创新思维方向案例中提供“凯特摆”的设计作为学习典范，就是让学生在反思中学习凯特摆的创新设计思想，凯特利用物理摆的共轭点避免和减少某些不易测量的物理量对实验结果的影响，提高实验的精度，充分体现了创新设计思想的重要价值和魅力。

总的来说，开展探索性实验，拓展实验教学的新构想，随着新课改实验的推广，必将在中学物理实验教学中占有越来越重要的位置，成为培养学生创新能力的有效教学模式。