教师引导下的学生创新实验
——学生质疑精神的培养

王美芳

(复旦大学附属中学 上海 200433)



教师引导下的学生创新实验
——学生质疑精神的培养

王美芳

(复旦大学附属中学 上海 200433)

批判性思维和质疑精神是物理学科应重点培养的学生核心素养．本文探讨了面对学生质疑，教师引导学生进行创新实验的几种方式．对如何培养学生批判性思维和质疑精神给出了自己的回答．

创新实验 质疑 引导 核心素养

1 关于“质疑”

“质疑”的意思是“提出疑问”(《现代汉语词典》)，其中“质”的含义是“询问；责问”，“质疑”的目的是探求真理，寻求解答．

物理教师需要面对学生的各种提问．总有那么一些问题，课本和课外书都没有提供现成的答案，作为物理教师，也不能三言两语就讲清楚，有时甚至也不知道答案．能提出这样的问题，往往是学生独立、深入思考的结果．

能经常“质疑”的学生，被我们认为具有批判性思维和质疑精神，这正是物理学科应重点培养的学生核心素养．

2 创新实验应对学生质疑

正因为没有现成的答案，面对学生的质疑，教师用何种态度去回应，至关重要．

物理学是一门实验科学．很多时候，通过实验才能回答学生的提问．但如何选择、设计、完成实验，对学生来说非常困难，需要教师的帮助．如果教师能就学生提出的问题加以引导和鼓励，就有可能让学生自己设计实验，去寻求答案．对学生来说，通过自己的努力，体验科学探究的过程，最终找到答案，也会印象深刻．实验的过程，往往伴随着自主学习，信息检索，师生合作，同学互助，这对学生的物理素养的培养会起到极大的促进作用．

在引导学生进行创新实验的过程中，笔者积累了一些经验：被认为是最经典的物理实验一样可以去质疑，值得去重做；要鼓励学生动手做模型，辅助理论分析；学生的电脑知识可以学以致用，计算机模拟也是物理实验的很好补充．

2.1 质疑经典实验重做经典实验

2005年，美国《物理世界》杂志评选出十大物理学最经典实验[1]，也被称为物理学上最美丽的十大实验．这些实验也一直为人们津津乐道．

图1

这个实验太了不起了，仅测量了塔的角度、高度和两地距离，就估算出地球的周长，而且精度那么高！

对此，同学甲在课堂上直接提出质疑：2 000多年前，没有先进的交通工具，仅靠骆驼的脚程估算出的距离可靠吗？如果一个重要数据不可靠，最后为什么会测得那么准？

学生提出的这个问题是很尖锐的．敢于就大家都认为是经典的实验质疑就值得肯定．

笔者想了想说：“你讲得很有道理．有没有可能你也用这个方法来测测地球的周长？”

“可是这儿没有太阳能直射的井啊．”

“一定需要吗？”

于是大家兴奋起来，七嘴八舌讨论开来，最后我们决定找一个和上海同经度的地方，同一天在正午时刻(也就是物体影子长度最短时刻)各自记录竖直杆的杆长和影长，如图2，同样可以得到AB两地之间的圆心角．

图2

学生甲通过google卫星地图选择了与学校(东经121.5° 北纬31.2°)几乎同经度的台北实践大学(东经121.6°北纬25.1°)，并找了一位该校的学生作为志愿者合作进行两地实验．而两地的距离则是通过百度查找得到．在一个晴天，几个小组同时进行了实验，最终得到的地球直径比实际值大了50%左右，精度完全没办法达到2%，只能说是测出了地球周长的数量级．

学生甲更有兴趣去分析为什么当年厄拉多塞能测得这么准确．他给出的结论是几个测量数据由于测量方法和工具的原因，本身精度都不会很高，只是在计算时这些误差可能相互抵消，才导致了最终看上去高精度．笔者非常认可他的研究，让他在物理课上做了报告，对每个数据的测量及误差做了详细的说明．

重做经典，是向物理前辈致敬，也是一种创新.经典实验不一定能被完全还原．在测量地球周长的实验中，没有“枯井”，可以将实验方法略加改动．我们在重复了另一个十大最美实验：伽利略斜面实验时，用铜版纸代替了原本实验中的羊皮纸，用于计时的水钟也是同学们自己设计的．

物理学上的十大经典实验往往是较早以前做的，并没有用到特别精密的仪器，高中生有能力做．这些实验设计极为巧妙，蕴含了人类的智慧，体现了物理的美，值得高中生做．

2.2 动手做模型实践配理论

有些理论分析过程比较复杂，学生会觉得比较抽象，不好理解．如果能引导学生设计出模型来辅助和验证理论分析，学生就会印象深刻，也更愿意去理解理论．

在讲述力的分解的应用，笔者介绍了帆船逆风行驶的原理.

如图3所示(俯视图)，设风从正东方向吹来，此时若调节船头方向到东偏北成α角(α<90°)，并使船帆与船身成θ 角(θ<α)．根据力的分解法则，可以将风力F沿垂直船帆方向和平行船帆分解得到F1和F2，F2由于平行于船帆，它的存在对船的运动基本不起作用，而F1垂直于船帆，直接造成了对船帆的正压力，这个正压力正是船航行的动力来源．再将F1沿平行船身和垂直船身分解得到F动和F横，侧向阻力可以抵挡F横，而F动将使船向前行驶(即图3中船前进方向)．由此可以看出船运动的方向与风向成一个钝角，船在逆风向前．

图3

其实，真正要做到逆风行使，需要每隔一段时间调整船头的方向和船帆的角度，如图4所示，最终使船沿“之”字航线前进．从效果上来看，船运动方向与风向完全相反，即帆船逆风行使了．

面对以上的理论分析，学生乙提出希望能看到帆船逆风行驶．笔者搜索过网络，找不到视频资料．但没有马上说不行，而是顺势要求同学们课后自己分组去寻找．他们都没有找到相应的视频，但有同学根据查到的文字资料，提出可以自制逆风车来展现逆风行驶．

之所以用车代替船，是因为在水中运动的逆风船横向飘移(与船身垂直方向)是很难完全避免的，但如果把“帆”装到4个车轮上，由于桌面对车轮的静摩擦力(沿轮轴方向)比较大，可以完全抵消横向飘移力，避免了横向飘移，这样就可以更好地演示逆风行驶．

我们用两节课时间分小组完成的逆风车的制作，并进行逆风行车行进比赛．图5为其中一款逆风车：材料成本不到10元．在动手制作中，在比赛交流中，同学们团队合作，动手实践，也加深了对力按效果分解的理解．

图5

2.3 电脑知识学以致用

很多大学的物理系都设置了计算物理这门课，借助计算机，进行模型计算，对理论或实验做预测和证实．高中生也已经学习了很多电脑知识，学生中间有一些电脑高手．当学生提出的质疑没有办法直接设计实验来验证，有时借助计算机，进行模拟实验，可以给出很好的回答．

学习静电场这一章后，学生丙指着物理课本(高中二年级第一学期，上海科学技术出版社)第36页的图(如图6所示)，问我：“老师，你看右边这张图，最靠近中垂线的上面两条电场线的间距明显大于下面两条电场线的间距，这张图不是应该上下对称吗？书上的电场线是怎么画出来的？它精确吗？”

图6

这位学生观察得很仔细！这张图是怎么画出来的，精度如何，笔者也不知道．既然有学生问，自己就尝试去回答这个问题．电场线看不见，摸不着，并非真实存在．虽然我们可以将奎宁针状晶体放在蓖麻油或洗洁精中，然后加上不同形状的高压电极来模拟电场线，但不能做到精确的描绘．有没有可能精确地画出两维空间的电场线？

笔者自己学习过Matlab编程，知道这个软件很多大学生都在用，可以做数据处理和作图，功能强大，也比较好学．而学生丙的电脑水平很不错．笔者就向他介绍了这个软件，并展示了操作界面，基本语法，还借给他参考书．笔者要求他设计一个程序来画出电场线．

接下去的一星期，我们不断地讨论算法和修改程序，最终选用龙格-库塔方法计算得到如图7所示的电场线．程序给出的电场线是由库仑定律计算得到，可信度更高．

图7

简单地修改程序，就能给出不等量点电荷的电场线，如图8所示．

编程能画电场线，引起的不少同学的兴趣，他们也纷纷学习Matlab软件．有一位同学还用它来处理正在进行的创新大赛的课题研究．

图8

也有同学向老师推荐适合物理的其他软件，比如Algodoo软件，它可以方便地模拟很多物理过程：图9为学生用这个软件做的模拟饮料瓶聚焦太阳光过程，用于探究被丢弃饮料瓶聚光后引起火灾的可能性．

图9

3 引导学生创新实验对教师提出了更高的要求

无论是重做经典实验、制作模型、还是计算机模拟实验，都是超过课本基本知识的．这给物理教师提出了很高的要求．有时，我们要自己先学习新的知识；有时，我们要和学生共同进行实验，共同成长；甚至有时，学生在某一方面成了我们的老师．

爱因斯坦说：提出问题比解决问题更重要．当学生提出质疑，我们有责任保护好学生的好奇心和求知欲．作为教师，敢于担当，就可能对学生有深远的影响，为学生的素质教育贡献自己的力量．

1 The most beautiful experiment Sep 1, 2002，Physics World

2015-12-16)