王美芳

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

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教師引導(dǎo)下的學(xué)生創(chuàng)新實驗
——學(xué)生質(zhì)疑精神的培養(yǎng)

王美芳

(復(fù)旦大學(xué)附屬中學(xué) 上海 200433)

批判性思維和質(zhì)疑精神是物理學(xué)科應(yīng)重點培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)．本文探討了面對學(xué)生質(zhì)疑，教師引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新實驗的幾種方式．對如何培養(yǎng)學(xué)生批判性思維和質(zhì)疑精神給出了自己的回答．

創(chuàng)新實驗 質(zhì)疑 引導(dǎo) 核心素養(yǎng)

1 關(guān)于“質(zhì)疑”

“質(zhì)疑”的意思是“提出疑問”(《現(xiàn)代漢語詞典》)，其中“質(zhì)”的含義是“詢問；責(zé)問”，“質(zhì)疑”的目的是探求真理，尋求解答．

物理教師需要面對學(xué)生的各種提問．總有那么一些問題，課本和課外書都沒有提供現(xiàn)成的答案，作為物理教師，也不能三言兩語就講清楚，有時甚至也不知道答案．能提出這樣的問題，往往是學(xué)生獨立、深入思考的結(jié)果．

能經(jīng)?！百|(zhì)疑”的學(xué)生，被我們認為具有批判性思維和質(zhì)疑精神，這正是物理學(xué)科應(yīng)重點培養(yǎng)的學(xué)生核心素養(yǎng)．

2 創(chuàng)新實驗應(yīng)對學(xué)生質(zhì)疑

正因為沒有現(xiàn)成的答案，面對學(xué)生的質(zhì)疑，教師用何種態(tài)度去回應(yīng)，至關(guān)重要．

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)．很多時候，通過實驗才能回答學(xué)生的提問．但如何選擇、設(shè)計、完成實驗，對學(xué)生來說非常困難，需要教師的幫助．如果教師能就學(xué)生提出的問題加以引導(dǎo)和鼓勵，就有可能讓學(xué)生自己設(shè)計實驗，去尋求答案．對學(xué)生來說，通過自己的努力，體驗科學(xué)探究的過程，最終找到答案，也會印象深刻．實驗的過程，往往伴隨著自主學(xué)習(xí)，信息檢索，師生合作，同學(xué)互助，這對學(xué)生的物理素養(yǎng)的培養(yǎng)會起到極大的促進作用．

在引導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新實驗的過程中，筆者積累了一些經(jīng)驗：被認為是最經(jīng)典的物理實驗一樣可以去質(zhì)疑，值得去重做；要鼓勵學(xué)生動手做模型，輔助理論分析；學(xué)生的電腦知識可以學(xué)以致用，計算機模擬也是物理實驗的很好補充．

2.1 質(zhì)疑經(jīng)典實驗重做經(jīng)典實驗

2005年，美國《物理世界》雜志評選出十大物理學(xué)最經(jīng)典實驗[1]，也被稱為物理學(xué)上最美麗的十大實驗．這些實驗也一直為人們津津樂道．

圖1

這個實驗太了不起了，僅測量了塔的角度、高度和兩地距離，就估算出地球的周長，而且精度那么高！

對此，同學(xué)甲在課堂上直接提出質(zhì)疑：2 000多年前，沒有先進的交通工具，僅靠駱駝的腳程估算出的距離可靠嗎？如果一個重要數(shù)據(jù)不可靠，最后為什么會測得那么準(zhǔn)？

學(xué)生提出的這個問題是很尖銳的．敢于就大家都認為是經(jīng)典的實驗質(zhì)疑就值得肯定．

筆者想了想說：“你講得很有道理．有沒有可能你也用這個方法來測測地球的周長？”

“可是這兒沒有太陽能直射的井?。?/p>

“一定需要嗎？”

于是大家興奮起來，七嘴八舌討論開來，最后我們決定找一個和上海同經(jīng)度的地方，同一天在正午時刻(也就是物體影子長度最短時刻)各自記錄豎直桿的桿長和影長，如圖2，同樣可以得到AB兩地之間的圓心角．

圖2

學(xué)生甲通過google衛(wèi)星地圖選擇了與學(xué)校(東經(jīng)121.5° 北緯31.2°)幾乎同經(jīng)度的臺北實踐大學(xué)(東經(jīng)121.6°北緯25.1°)，并找了一位該校的學(xué)生作為志愿者合作進行兩地實驗．而兩地的距離則是通過百度查找得到．在一個晴天，幾個小組同時進行了實驗，最終得到的地球直徑比實際值大了50%左右，精度完全沒辦法達到2%，只能說是測出了地球周長的數(shù)量級．

學(xué)生甲更有興趣去分析為什么當(dāng)年厄拉多塞能測得這么準(zhǔn)確．他給出的結(jié)論是幾個測量數(shù)據(jù)由于測量方法和工具的原因，本身精度都不會很高，只是在計算時這些誤差可能相互抵消，才導(dǎo)致了最終看上去高精度．筆者非常認可他的研究，讓他在物理課上做了報告，對每個數(shù)據(jù)的測量及誤差做了詳細的說明．

重做經(jīng)典，是向物理前輩致敬，也是一種創(chuàng)新.經(jīng)典實驗不一定能被完全還原．在測量地球周長的實驗中，沒有“枯井”，可以將實驗方法略加改動．我們在重復(fù)了另一個十大最美實驗：伽利略斜面實驗時，用銅版紙代替了原本實驗中的羊皮紙，用于計時的水鐘也是同學(xué)們自己設(shè)計的．

物理學(xué)上的十大經(jīng)典實驗往往是較早以前做的，并沒有用到特別精密的儀器，高中生有能力做．這些實驗設(shè)計極為巧妙，蘊含了人類的智慧，體現(xiàn)了物理的美，值得高中生做．

2.2 動手做模型實踐配理論

有些理論分析過程比較復(fù)雜，學(xué)生會覺得比較抽象，不好理解．如果能引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計出模型來輔助和驗證理論分析，學(xué)生就會印象深刻，也更愿意去理解理論．

在講述力的分解的應(yīng)用，筆者介紹了帆船逆風(fēng)行駛的原理.

如圖3所示(俯視圖)，設(shè)風(fēng)從正東方向吹來，此時若調(diào)節(jié)船頭方向到東偏北成α角(α<90°)，并使船帆與船身成θ 角(θ<α)．根據(jù)力的分解法則，可以將風(fēng)力F沿垂直船帆方向和平行船帆分解得到F1和F2，F(xiàn)2由于平行于船帆，它的存在對船的運動基本不起作用，而F1垂直于船帆，直接造成了對船帆的正壓力，這個正壓力正是船航行的動力來源．再將F1沿平行船身和垂直船身分解得到F動和F橫，側(cè)向阻力可以抵擋F橫，而F動將使船向前行駛(即圖3中船前進方向)．由此可以看出船運動的方向與風(fēng)向成一個鈍角，船在逆風(fēng)向前．

圖3

其實，真正要做到逆風(fēng)行使，需要每隔一段時間調(diào)整船頭的方向和船帆的角度，如圖4所示，最終使船沿“之”字航線前進．從效果上來看，船運動方向與風(fēng)向完全相反，即帆船逆風(fēng)行使了．

面對以上的理論分析，學(xué)生乙提出希望能看到帆船逆風(fēng)行駛．筆者搜索過網(wǎng)絡(luò)，找不到視頻資料．但沒有馬上說不行，而是順勢要求同學(xué)們課后自己分組去尋找．他們都沒有找到相應(yīng)的視頻，但有同學(xué)根據(jù)查到的文字資料，提出可以自制逆風(fēng)車來展現(xiàn)逆風(fēng)行駛．

之所以用車代替船，是因為在水中運動的逆風(fēng)船橫向飄移(與船身垂直方向)是很難完全避免的，但如果把“帆”裝到4個車輪上，由于桌面對車輪的靜摩擦力(沿輪軸方向)比較大，可以完全抵消橫向飄移力，避免了橫向飄移，這樣就可以更好地演示逆風(fēng)行駛．

我們用兩節(jié)課時間分小組完成的逆風(fēng)車的制作，并進行逆風(fēng)行車行進比賽．圖5為其中一款逆風(fēng)車：材料成本不到10元．在動手制作中，在比賽交流中，同學(xué)們團隊合作，動手實踐，也加深了對力按效果分解的理解．

圖5

2.3 電腦知識學(xué)以致用

很多大學(xué)的物理系都設(shè)置了計算物理這門課，借助計算機，進行模型計算，對理論或?qū)嶒炞鲱A(yù)測和證實．高中生也已經(jīng)學(xué)習(xí)了很多電腦知識，學(xué)生中間有一些電腦高手．當(dāng)學(xué)生提出的質(zhì)疑沒有辦法直接設(shè)計實驗來驗證，有時借助計算機，進行模擬實驗，可以給出很好的回答．

學(xué)習(xí)靜電場這一章后，學(xué)生丙指著物理課本(高中二年級第一學(xué)期，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社)第36頁的圖(如圖6所示)，問我：“老師，你看右邊這張圖，最靠近中垂線的上面兩條電場線的間距明顯大于下面兩條電場線的間距，這張圖不是應(yīng)該上下對稱嗎？書上的電場線是怎么畫出來的？它精確嗎？”

圖6

這位學(xué)生觀察得很仔細！這張圖是怎么畫出來的，精度如何，筆者也不知道．既然有學(xué)生問，自己就嘗試去回答這個問題．電場線看不見，摸不著，并非真實存在．雖然我們可以將奎寧針狀晶體放在蓖麻油或洗潔精中，然后加上不同形狀的高壓電極來模擬電場線，但不能做到精確的描繪．有沒有可能精確地畫出兩維空間的電場線？

筆者自己學(xué)習(xí)過Matlab編程，知道這個軟件很多大學(xué)生都在用，可以做數(shù)據(jù)處理和作圖，功能強大，也比較好學(xué)．而學(xué)生丙的電腦水平很不錯．筆者就向他介紹了這個軟件，并展示了操作界面，基本語法，還借給他參考書．筆者要求他設(shè)計一個程序來畫出電場線．

接下去的一星期，我們不斷地討論算法和修改程序，最終選用龍格-庫塔方法計算得到如圖7所示的電場線．程序給出的電場線是由庫侖定律計算得到，可信度更高．

圖7

簡單地修改程序，就能給出不等量點電荷的電場線，如圖8所示．

編程能畫電場線，引起的不少同學(xué)的興趣，他們也紛紛學(xué)習(xí)Matlab軟件．有一位同學(xué)還用它來處理正在進行的創(chuàng)新大賽的課題研究．

圖8

也有同學(xué)向老師推薦適合物理的其他軟件，比如Algodoo軟件，它可以方便地模擬很多物理過程：圖9為學(xué)生用這個軟件做的模擬飲料瓶聚焦太陽光過程，用于探究被丟棄飲料瓶聚光后引起火災(zāi)的可能性．

圖9

3 引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新實驗對教師提出了更高的要求

無論是重做經(jīng)典實驗、制作模型、還是計算機模擬實驗，都是超過課本基本知識的．這給物理教師提出了很高的要求．有時，我們要自己先學(xué)習(xí)新的知識；有時，我們要和學(xué)生共同進行實驗，共同成長；甚至有時，學(xué)生在某一方面成了我們的老師．

愛因斯坦說：提出問題比解決問題更重要．當(dāng)學(xué)生提出質(zhì)疑，我們有責(zé)任保護好學(xué)生的好奇心和求知欲．作為教師，敢于擔(dān)當(dāng)，就可能對學(xué)生有深遠的影響，為學(xué)生的素質(zhì)教育貢獻自己的力量．

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

2015-12-16)