劉祖鴻

摘要：通過對思維的流暢性、變通性、獨創(chuàng)性和辯證性的訓練，可以促進學生創(chuàng)造性思維的發(fā)展，其中思維的變通性體現了思維的靈活性。本文從實驗功能的轉變、實驗問題的解決和實驗方案的優(yōu)化三個方面闡述了在物理實驗設計教學中進行創(chuàng)新思維能力變通性訓練的教學探索。

關鍵詞：實驗設計；思維變通性；教學訓練

一、在實驗功能的轉變中實現思維的變通性訓練

1.通過改變實驗儀器功能訓練變通性思維

儀器在實驗中的使用多數情況下是實現該儀器的基本功能，但在實際操作中由于實驗條件的限制，儀器的功能需要進行拓展甚至于改變該儀器的本原用途方能達成實驗任務的完成，這就要求學生在進行實驗設計時學會對儀器進行變通使用，教師在教學中應適當設置這類問題讓學生解決以達成對學生的思維變通性訓練。

案例一：利用兩個靈敏電流計設計一個探究電磁感應現象的實驗。

分析：這個案例中通過撥動其中一個電流計的指針，從另一個電流計中觀察產生的感應電流大小及方向探究電磁感應規(guī)律，其中一個電流計的作用是用來測量感應電流用的，而另一個電流計則是用來產生感應電流的。要達成該實驗方案的設計，一方面要求學生已熟練掌握磁電式電流計的的基本結構原理，另一方面要求學生積極啟動逆向思維實現電流計功能的轉變。

通過這個案例，要讓學生明白：對儀器的變通使用已不僅僅表現為對儀器自身功能的拓展上（如學生已有的將電流計改裝成電流表、電壓表、歐姆表的變通經驗），還體現在對儀器功能根據實際需要結合儀器自身特點的顛覆性使用上（如本案例中將電流計當發(fā)電機使用）。

2.通過改變實驗裝置功能訓練變通性思維

（1）利用相同裝置實現不同的實驗功能。

實驗在科學研究中主要有探究功能、驗證功能和測量功能等，為實現不同的實驗功能，則意味著實驗目的、方法、數據處理方式及結果討論的不同。因此在實驗教學中改變實驗功能引發(fā)學生積極思考能夠有效地進行思維的變通性訓練

案例二：若將物理教材中《驗證力的平形四邊形定則》改為《探究合力與分力的關系》，則應進行怎樣的變通性設計？

分析：該案例中將將實驗的驗證功能轉變?yōu)樘骄抗δ堋ｋm然兩個實驗可用同一套器材，但實驗方法已發(fā)生了質的變化，重點體現在對數據處理方法上的改變，兩個實驗的作圖方法如圖所示

從圖中可以看出，驗證性實驗是通過平行四邊形定則求出合力的理論值對實驗值相比較進行驗證，而探究性實驗的目的在于通過多次實驗找到合力與分力的關系從中找到力的合成遵循平行四邊形定則的規(guī)律。實驗功能的改變意味著學生在實驗設計中要根據實驗需要進行變通以達到對變通性思維的訓練，教師在教學中可充分挖掘現有實驗資源，通過類比、遷移有意識的訓練學生的變通性思維。

（2）利用相同裝置實現不同的實驗目標。

在實驗設計中，對同一套裝置進行微小的調整則能達到不同的實驗目的，在這個調整中隨著實驗方案的調整，就要求實驗者學會變通以實現最終的實驗目的。

案例三：在對2008年全國高考理綜卷Ⅰ實驗題的改造中訓練學生的變通性思維。

原題：如圖所示，兩個質量各為m1和m2的小物塊A和B，分別系在一條跨過定滑輪的軟繩兩端，已知m1>m2，現要用此裝置驗證機械能守恒定律?！?/p>

該方案相對于物理教材中《用落體法驗證機械能守恒定律》更具實驗價值。

①從研究對象看，本方案由單個物體轉為研究多個物體組成的系統(tǒng)更有助于學生對機械能守恒定律的深化理解；

②從學生的能動性看，由于學生認為自由落體運動中機械能守恒是理所當然的，對實驗的操作興趣并不高，而改為圖示方案更能引起學生興趣，激發(fā)探索欲望；

③從培養(yǎng)學生動手能力上看，《落體法》的實驗操作與《物理1》教材中《用紙帶測重力加速度》的操作流程是相類似的，使用圖示方案更有利于培養(yǎng)學生動手能力；

④從知識應用角度看，對單個物體的運動學生用“動能定理”的知識就能解決，“機械能守恒定律”更常用于解決系統(tǒng)問題，因此用圖示方案更有利于培養(yǎng)學生知識應用能力；

⑤從實驗功能上看，圖示裝置中A、B物體的質量關系的變化將導致其運動的加速度的變化，通過對方案的改造能實現更多的功能，非常適合用于訓練學生的變通性思維。

變式一：原題中通過測量A、B物塊下落及上升的距離和時間的方法來計算系統(tǒng)重力勢能的減少量和動能增量以驗證機械能守恒定律，在實際操作中對測量的要求很高，為讓該方案適合用于學生實驗，要求學生對測量方法進行改造。

分析：本實驗的測量重點在于物體速度的測量，測速度的常用方法有用“光電門”和“紙帶”測速度，在教師引導下讓學生完成如圖所示測量方案的設計。

變式二：若對裝置做適當改造還可實現哪些實驗目的。

分析：①通過改造用于探究（或驗證）牛頓第二定律，將方案中M、m兩物體用小鐵盒代替，在小鐵盒內裝數量不同的小鋼珠（要求每個鋼珠質量相同）。實驗方法為——若要控制質量（M+m）不變，研究加速度與合外力的關系，則可每次從右邊盒子中取一個小鋼珠放入左邊盒子中，其合外力（M-m）g隨即增大，打出紙帶并求出加速度；若要控制合外力不變，研究加速度與質量的關系，則可在兩邊盒子中同時增加或減少相同數目的鋼珠實現質量的變化而合外力不變，打出紙帶并求出加速度。

②通過改造用于測質量，圖中m的質量已知，通過打出的紙帶求出加速度，則待測物體M的質量可由M=g+ag-am算出，由于阻力影響測量值比真實值小，該方案只能用于沒有直接測量工具條件下的變通性粗略測量。

③用于測重力加速度，根據打出的紙帶求出加速度a，則g=M+mM-ma

要引導學生明白，以上有些設計方案并不是實現同一目標中最佳的，但在對同一裝置的改造中實現功能的改變，在發(fā)散性的思考中實現思維的變通性訓練，有利于提高自身的實驗設計能力。

二、在實驗問題的解決中實現思維的變通性訓練

1.通過實驗原理方法的多樣性訓練變通性思維

在物理實驗設計中，同一實驗目標可以用多種方法來實現，教師通過引導讓學生積極思考組合已有知識和經驗從不同渠道和手段完出實驗設計，實現對學生的思維變通性訓練。

案例四：設計多種方案測電表內阻。

從下表中選出適當的實驗器材，設計電路來測量電流表A1的內阻r1

導線若干，電鍵K單刀單擲開關兩個，單刀雙擲開關一個 分析：該案例涉及到測電阻的多種方法的應用，有伏安法、替代法、半偏法、電橋法等，即便應用同一方法也可能存在多種設計方案。

2.通過數據處理方法的多樣性訓練變通性思維

在對實驗數據的處理中常用到兩種基本方法：計算法和圖象法。學生在從計算法到圖象法的遷移中即已體現了思維上的變通，而用圖象法處理數據時，為讓圖象更具直觀性和科學性，有時需將非線性函數轉化為線性函數處理（如將U=RR+rE轉化為1U=1E+rE·1R，而后建立1U—1R坐標作出圖象求E、r），在這個處理過程中學生的變通性思維更能得到了訓練與提高。

三、在實驗方案的優(yōu)化中實現思維的變通性訓練

優(yōu)化實驗方案的目的在于讓實驗操作更簡單，讓實驗現象更明顯，讓實驗結果更準確。因此在進行實驗設計時，設計者從實驗目的出發(fā)，確定實驗原理，選擇實驗儀器并進行優(yōu)化組合，最終形成方案，在這個過程中，設計者總會碰到一些設計思路上的障礙或在多種方案中權衡抉擇問題，這就迫使設計者要學會靈活變通，進而設計出最佳實驗方案。

1.在優(yōu)化實驗方法中尋找變通的靈感

在實驗設計中發(fā)現問題，分析問題、解決問題的過程中，為使問題得到解決要求實驗設計者在設計過程中學會變通，使得實驗方案得到進一步優(yōu)化具有更強的可操作性。

案例五：《探究摩擦力的決定因素》的實驗方案設計。

分析：從實驗目的出發(fā)，設計者最容易得到的方案如圖甲所示，這個方案主要存在兩大方面缺陷，其一不能保證滑塊勻速運動從而出現彈簧秤讀數不穩(wěn)定且彈簧秤示數并不一定等于摩擦力，其二彈簧秤始終處于運動中導致讀數有困難。為改進方案，實驗者可設計出如圖乙所示方案進行優(yōu)化，該優(yōu)化設計充分體現了逆向思維方法在設計中的變通性應用。但該方案存在的不足之處在于由于木板長度決定了實驗發(fā)生過程時間太短使讀數顯得匆忙，且實驗操作者的關注點更集中在如何拖動木板上從而忽略了對彈簧秤讀數的記錄，為彌補這一不足，可采用傳送帶代替木板進行實驗，方案如圖丙所示。

在這個案例中，為讓實驗具有更強的可操作性，要求設計者充分調動逆向思維能力和等效替代的思想等對實驗方案進行優(yōu)化，在完成實驗設計的同時也對學生的變通性思維進行了訓練。

2.在突破定勢思維障礙中尋找變通的靈感

學生在進行實驗設計中往往會由于原有設計的成功經驗而形成思維上的定勢，而定勢思維則是創(chuàng)造性思維的最大障礙。這就要求教師在教學中有意識的設置一些較為異類的問題，讓學生利用原有方法解決問題時出現困難，逼迫學生不得不另想辦法，尋求更佳方案，以達成對學生思維變通性的訓練目的。

案例六：《伏安法測電阻》實驗內、外接法的選擇。分析：在選擇內、外接法測電阻的實驗設計中，學生已固有的思維方式是小電阻用外接法、大電阻用內接法，為避免學生由于思維定勢造成實驗設計的錯誤，教師應有意識地制造一些思維障礙以訓練學生的變通性思維能力

變式一：所給器材中電壓表、電流表的內阻或待測電阻的大約阻值未知。

分析：學生判斷待測電阻是大電阻還是小電阻的固有方法是通過比值比較法判斷（即通過比較RVRx與RxRA的關系進行判斷），在該例中該方法已無法直接應用，則要求學生學會變通尋求其它方案進行解決（如用試觸法等）

3.在對實驗誤差分析中尋找變通的靈感

對實驗方案進行優(yōu)化的最終目的在于獲得盡可能準確的實驗結果，因此在進行實驗設計時，通過分析實驗誤差來源，尋找減小實驗誤差的方法對實驗方案進行優(yōu)化能有效地訓練學生的思維變通性。

案例七：從分析《伏安法測電源電動勢和內電阻》的實驗誤差中優(yōu)化實驗方案。

分析：該實驗的兩個基本測量電路如圖所示，兩個方案存在電表內阻引入的誤差，要從原理上盡可能地減小該系統(tǒng)誤差，在分析誤差來源及對測量結果的影響的過程中能為優(yōu)化實驗方案提供靈感。其分析思路如下。

（1）若考慮到a圖電路中電壓表的分流作用，則電壓表讀數與電流表讀數的函數關系如下式U=RVRV+rE-RVrRV+rI，其圖象如圖c中的直線1，可得E測=RVRV+rE

（2）若考慮到b圖電路中電流表的分壓作用，則電壓表讀數電流表讀數的函數關系如下式U=E-（RA+r）I，其圖象如圖c中的直線2，可得E測=E真，r測=RA+r>r真

（3）綜合考慮兩實驗的誤差及圖象特點，可以看出直線1的橫軸截距是準確的，直線2的縱軸截距是準確的，從中可以得到啟發(fā)：分別用兩個實驗測得直線1、2后連接出直線3，利用直線3的截距和斜率求得E和r，利用這種方法至少在原理上消除了電表內阻引入的誤差，實現了實驗方案的優(yōu)化設計。

盡管這個實驗方案在實際測量操作中并沒有十分的必要，但從實驗設計教學的角度來說，進行上述設計一方面能讓學生對實驗誤差有更為透徹的分析，另一方面在精益求精的優(yōu)化設計中能讓學生養(yǎng)成更為嚴謹的科學態(tài)度，同時也實現了對思維能力上的變通性訓練。

參考文獻：

[1]黃希庭.心理學.上海教育出版社.1997

[2]廖伯琴等.普通高中課程標準實驗教科書.山東科學技術出版社.2004

（作者單位：福建省壽寧一中 355500）