在物理实验设计中进行思维变通性训练的教学探索

刘祖鸿

摘要：通过对思维的流畅性、变通性、独创性和辩证性的训练，可以促进学生创造性思维的发展，其中思维的变通性体现了思维的灵活性。本文从实验功能的转变、实验问题的解决和实验方案的优化三个方面阐述了在物理实验设计教学中进行创新思维能力变通性训练的教学探索。

关键词：实验设计；思维变通性；教学训练

一、在实验功能的转变中实现思维的变通性训练

1.通过改变实验仪器功能训练变通性思维

仪器在实验中的使用多数情况下是实现该仪器的基本功能，但在实际操作中由于实验条件的限制，仪器的功能需要进行拓展甚至于改变该仪器的本原用途方能达成实验任务的完成，这就要求学生在进行实验设计时学会对仪器进行变通使用，教师在教学中应适当设置这类问题让学生解决以达成对学生的思维变通性训练。

案例一：利用两个灵敏电流计设计一个探究电磁感应现象的实验。

分析：这个案例中通过拨动其中一个电流计的指针，从另一个电流计中观察产生的感应电流大小及方向探究电磁感应规律，其中一个电流计的作用是用来测量感应电流用的，而另一个电流计则是用来产生感应电流的。要达成该实验方案的设计，一方面要求学生已熟练掌握磁电式电流计的的基本结构原理，另一方面要求学生积极启动逆向思维实现电流计功能的转变。

通过这个案例，要让学生明白：对仪器的变通使用已不仅仅表现为对仪器自身功能的拓展上（如学生已有的将电流计改装成电流表、电压表、欧姆表的变通经验），还体现在对仪器功能根据实际需要结合仪器自身特点的颠覆性使用上（如本案例中将电流计当发电机使用）。

2.通过改变实验装置功能训练变通性思维

（1）利用相同装置实现不同的实验功能。

实验在科学研究中主要有探究功能、验证功能和测量功能等，为实现不同的实验功能，则意味着实验目的、方法、数据处理方式及结果讨论的不同。因此在实验教学中改变实验功能引发学生积极思考能够有效地进行思维的变通性训练

案例二：若将物理教材中《验证力的平形四边形定则》改为《探究合力与分力的关系》，则应进行怎样的变通性设计？

分析：该案例中将将实验的验证功能转变为探究功能。虽然两个实验可用同一套器材，但实验方法已发生了质的变化，重点体现在对数据处理方法上的改变，两个实验的作图方法如图所示

从图中可以看出，验证性实验是通过平行四边形定则求出合力的理论值对实验值相比较进行验证，而探究性实验的目的在于通过多次实验找到合力与分力的关系从中找到力的合成遵循平行四边形定则的规律。实验功能的改变意味着学生在实验设计中要根据实验需要进行变通以达到对变通性思维的训练，教师在教学中可充分挖掘现有实验资源，通过类比、迁移有意识的训练学生的变通性思维。

（2）利用相同装置实现不同的实验目标。

在实验设计中，对同一套装置进行微小的调整则能达到不同的实验目的，在这个调整中随着实验方案的调整，就要求实验者学会变通以实现最终的实验目的。

案例三：在对2008年全国高考理综卷Ⅰ实验题的改造中训练学生的变通性思维。

原题：如图所示，两个质量各为m1和m2的小物块A和B，分别系在一条跨过定滑轮的软绳两端，已知m1>m2，现要用此装置验证机械能守恒定律。……

该方案相对于物理教材中《用落体法验证机械能守恒定律》更具实验价值。

①从研究对象看，本方案由单个物体转为研究多个物体组成的系统更有助于学生对机械能守恒定律的深化理解；

②从学生的能动性看，由于学生认为自由落体运动中机械能守恒是理所当然的，对实验的操作兴趣并不高，而改为图示方案更能引起学生兴趣，激发探索欲望；

③从培养学生动手能力上看，《落体法》的实验操作与《物理1》教材中《用纸带测重力加速度》的操作流程是相类似的，使用图示方案更有利于培养学生动手能力；

④从知识应用角度看，对单个物体的运动学生用“动能定理”的知识就能解决，“机械能守恒定律”更常用于解决系统问题，因此用图示方案更有利于培养学生知识应用能力；

⑤从实验功能上看，图示装置中A、B物体的质量关系的变化将导致其运动的加速度的变化，通过对方案的改造能实现更多的功能，非常适合用于训练学生的变通性思维。

变式一：原题中通过测量A、B物块下落及上升的距离和时间的方法来计算系统重力势能的减少量和动能增量以验证机械能守恒定律，在实际操作中对测量的要求很高，为让该方案适合用于学生实验，要求学生对测量方法进行改造。

分析：本实验的测量重点在于物体速度的测量，测速度的常用方法有用“光电门”和“纸带”测速度，在教师引导下让学生完成如图所示测量方案的设计。

变式二：若对装置做适当改造还可实现哪些实验目的。

分析：①通过改造用于探究（或验证）牛顿第二定律，将方案中M、m两物体用小铁盒代替，在小铁盒内装数量不同的小钢珠（要求每个钢珠质量相同）。实验方法为——若要控制质量（M+m）不变，研究加速度与合外力的关系，则可每次从右边盒子中取一个小钢珠放入左边盒子中，其合外力（M-m）g随即增大，打出纸带并求出加速度；若要控制合外力不变，研究加速度与质量的关系，则可在两边盒子中同时增加或减少相同数目的钢珠实现质量的变化而合外力不变，打出纸带并求出加速度。

②通过改造用于测质量，图中m的质量已知，通过打出的纸带求出加速度，则待测物体M的质量可由M=g+ag-am算出，由于阻力影响测量值比真实值小，该方案只能用于没有直接测量工具条件下的变通性粗略测量。

③用于测重力加速度，根据打出的纸带求出加速度a，则g=M+mM-ma

要引导学生明白，以上有些设计方案并不是实现同一目标中最佳的，但在对同一装置的改造中实现功能的改变，在发散性的思考中实现思维的变通性训练，有利于提高自身的实验设计能力。

二、在实验问题的解决中实现思维的变通性训练

1.通过实验原理方法的多样性训练变通性思维

在物理实验设计中，同一实验目标可以用多种方法来实现，教师通过引导让学生积极思考组合已有知识和经验从不同渠道和手段完出实验设计，实现对学生的思维变通性训练。

案例四：设计多种方案测电表内阻。

从下表中选出适当的实验器材，设计电路来测量电流表A1的内阻r1

导线若干，电键K单刀单掷开关两个，单刀双掷开关一个 分析：该案例涉及到测电阻的多种方法的应用，有伏安法、替代法、半偏法、电桥法等，即便应用同一方法也可能存在多种设计方案。

2.通过数据处理方法的多样性训练变通性思维

在对实验数据的处理中常用到两种基本方法：计算法和图象法。学生在从计算法到图象法的迁移中即已体现了思维上的变通，而用图象法处理数据时，为让图象更具直观性和科学性，有时需将非线性函数转化为线性函数处理（如将U=RR+rE转化为1U=1E+rE·1R，而后建立1U—1R坐标作出图象求E、r），在这个处理过程中学生的变通性思维更能得到了训练与提高。

三、在实验方案的优化中实现思维的变通性训练

优化实验方案的目的在于让实验操作更简单，让实验现象更明显，让实验结果更准确。因此在进行实验设计时，设计者从实验目的出发，确定实验原理，选择实验仪器并进行优化组合，最终形成方案，在这个过程中，设计者总会碰到一些设计思路上的障碍或在多种方案中权衡抉择问题，这就迫使设计者要学会灵活变通，进而设计出最佳实验方案。

1.在优化实验方法中寻找变通的灵感

在实验设计中发现问题，分析问题、解决问题的过程中，为使问题得到解决要求实验设计者在设计过程中学会变通，使得实验方案得到进一步优化具有更强的可操作性。

案例五：《探究摩擦力的决定因素》的实验方案设计。

分析：从实验目的出发，设计者最容易得到的方案如图甲所示，这个方案主要存在两大方面缺陷，其一不能保证滑块匀速运动从而出现弹簧秤读数不稳定且弹簧秤示数并不一定等于摩擦力，其二弹簧秤始终处于运动中导致读数有困难。为改进方案，实验者可设计出如图乙所示方案进行优化，该优化设计充分体现了逆向思维方法在设计中的变通性应用。但该方案存在的不足之处在于由于木板长度决定了实验发生过程时间太短使读数显得匆忙，且实验操作者的关注点更集中在如何拖动木板上从而忽略了对弹簧秤读数的记录，为弥补这一不足，可采用传送带代替木板进行实验，方案如图丙所示。

在这个案例中，为让实验具有更强的可操作性，要求设计者充分调动逆向思维能力和等效替代的思想等对实验方案进行优化，在完成实验设计的同时也对学生的变通性思维进行了训练。

2.在突破定势思维障碍中寻找变通的灵感

学生在进行实验设计中往往会由于原有设计的成功经验而形成思维上的定势，而定势思维则是创造性思维的最大障碍。这就要求教师在教学中有意识的设置一些较为异类的问题，让学生利用原有方法解决问题时出现困难，逼迫学生不得不另想办法，寻求更佳方案，以达成对学生思维变通性的训练目的。

案例六：《伏安法测电阻》实验内、外接法的选择。分析：在选择内、外接法测电阻的实验设计中，学生已固有的思维方式是小电阻用外接法、大电阻用内接法，为避免学生由于思维定势造成实验设计的错误，教师应有意识地制造一些思维障碍以训练学生的变通性思维能力

变式一：所给器材中电压表、电流表的内阻或待测电阻的大约阻值未知。

分析：学生判断待测电阻是大电阻还是小电阻的固有方法是通过比值比较法判断（即通过比较RVRx与RxRA的关系进行判断），在该例中该方法已无法直接应用，则要求学生学会变通寻求其它方案进行解决（如用试触法等）

3.在对实验误差分析中寻找变通的灵感

对实验方案进行优化的最终目的在于获得尽可能准确的实验结果，因此在进行实验设计时，通过分析实验误差来源，寻找减小实验误差的方法对实验方案进行优化能有效地训练学生的思维变通性。

案例七：从分析《伏安法测电源电动势和内电阻》的实验误差中优化实验方案。

分析：该实验的两个基本测量电路如图所示，两个方案存在电表内阻引入的误差，要从原理上尽可能地减小该系统误差，在分析误差来源及对测量结果的影响的过程中能为优化实验方案提供灵感。其分析思路如下。

（1）若考虑到a图电路中电压表的分流作用，则电压表读数与电流表读数的函数关系如下式U=RVRV+rE-RVrRV+rI，其图象如图c中的直线1，可得E测=RVRV+rE

（2）若考虑到b图电路中电流表的分压作用，则电压表读数电流表读数的函数关系如下式U=E-（RA+r）I，其图象如图c中的直线2，可得E测=E真，r测=RA+r>r真

（3）综合考虑两实验的误差及图象特点，可以看出直线1的横轴截距是准确的，直线2的纵轴截距是准确的，从中可以得到启发：分别用两个实验测得直线1、2后连接出直线3，利用直线3的截距和斜率求得E和r，利用这种方法至少在原理上消除了电表内阻引入的误差，实现了实验方案的优化设计。

尽管这个实验方案在实际测量操作中并没有十分的必要，但从实验设计教学的角度来说，进行上述设计一方面能让学生对实验误差有更为透彻的分析，另一方面在精益求精的优化设计中能让学生养成更为严谨的科学态度，同时也实现了对思维能力上的变通性训练。

参考文献：

[1]黄希庭.心理学.上海教育出版社.1997

[2]廖伯琴等.普通高中课程标准实验教科书.山东科学技术出版社.2004

（作者单位：福建省寿宁一中 355500）