陳杰

[摘 要]在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力，我們提出了以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的教學(xué)設(shè)計(jì)，即以對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察而非具體要求為開端，通過觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提出問題，對(duì)問題進(jìn)行理論假設(shè)，最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行論證。觀察是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，從現(xiàn)象到假設(shè)實(shí)際上是一種創(chuàng)造性思維的過程，在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和科研能力，就必須要重視觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)。

[關(guān)鍵詞]研究性實(shí)驗(yàn)；觀察；假設(shè)

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）08-0076-03

隨著高等教育對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力培養(yǎng)的不斷重視，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷加強(qiáng)了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。[1][2][3][4]設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)器材并獨(dú)立完成操作和測(cè)量，意圖讓學(xué)生體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程，從而培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)要對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思維進(jìn)行培養(yǎng)，就必須要重視觀察和假設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

一、觀察和假設(shè)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的地位和作用

觀察是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，沒有準(zhǔn)確而全面的觀察就無法獲得對(duì)物理現(xiàn)象的完整認(rèn)知，也就無法得出正確的物理事實(shí)或規(guī)律。第谷為探尋天體運(yùn)動(dòng)的奧秘進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)20年的潛心觀測(cè)，從而為揭示天體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的三大定律奠定了基礎(chǔ)；倫琴在做陰極射線實(shí)驗(yàn)時(shí)偶然觀察到涂有亞鉑氰化鋇的熒光屏發(fā)出熒光的現(xiàn)象，他通過深入觀察發(fā)現(xiàn)這種熒光已不是陰極射線，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了一種新的射線并命名為X射線?？v觀整個(gè)科學(xué)發(fā)展史，無論是有意觀察還是無意觀察都展示了其重要性，成為窺視物理規(guī)律的一扇窗口?？茖W(xué)家也非常推崇觀察的技能，達(dá)爾文在評(píng)判自己時(shí)就說：“我沒有過人的機(jī)智，只是在察覺那些稍縱即逝的事物并對(duì)此細(xì)心觀察的能力上，我可能在眾人之上?！?/p>

同樣，假設(shè)在科學(xué)研究中也起著極其重要的作用，當(dāng)面對(duì)未知的現(xiàn)象和問題時(shí)，就需要做出猜想和假設(shè)，并以此為依據(jù)開展研究。假設(shè)也是科學(xué)研究的一個(gè)重要途徑和方法。著名的愛因斯坦的相對(duì)論就是建立在光速不變的假設(shè)的基礎(chǔ)上的，有物理學(xué)家評(píng)論麥克斯韋方程時(shí)說：“絕不要去管什么哲學(xué)，絕不要去管諸如此類的什么東西，只管去猜方程好了?！盵5] 恩格斯總結(jié)自然科學(xué)的發(fā)展史時(shí)說道：“只要自然科學(xué)在思維著，它的發(fā)展形式就是假說?！?/p>

觀察——假設(shè)是一個(gè)連續(xù)的過程，在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)面臨未知現(xiàn)象時(shí)，就需要根據(jù)已掌握的知識(shí)，沿著不同的角度、不同的方向，從不同的層面和不同的關(guān)系出發(fā)來提出合乎邏輯的理解，這實(shí)際上是一個(gè)創(chuàng)造性思維的過程。在研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，就必須要重視觀察和假說的環(huán)節(jié)。

二、加強(qiáng)觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的教學(xué)設(shè)計(jì)——以鋁棒的發(fā)聲實(shí)驗(yàn)為例

（一）實(shí)驗(yàn)的基本現(xiàn)象

采用一根橫截面為直角的鋁型材料棒，長(zhǎng)度1m左右。用一只手指捏住鋁棒中點(diǎn)，另一只手用小鐵錘敲擊鋁棒的一端（如圖1），開始時(shí)音色比較混雜，隨后響度逐漸減小，音色也逐漸變得單純，最后出現(xiàn)純音（單一頻率）并可延續(xù)很長(zhǎng)的時(shí)間。再用一只手捏住鋁棒的中點(diǎn)，另一只手在拇指和食指上抹一些松香粉，然后用力從中點(diǎn)處向一端抹動(dòng)（如圖2）。反復(fù)多次，便可聽到鋁棒發(fā)出很純的聲音，停止摩擦后還可以延續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。

1.對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論解釋[6]

這是一個(gè)駐波的演示實(shí)驗(yàn)，聲音在鋁棒中往復(fù)傳播形成駐波，在鋁棒的端點(diǎn)，振動(dòng)從鋁棒傳播到空氣，是從波密介質(zhì)傳播到波疏介質(zhì)，因此鋁棒的兩個(gè)端點(diǎn)是一個(gè)波腹；鋁棒的中點(diǎn)是用手指捏住的，因此是個(gè)波節(jié)。這樣，只有滿足[L2]=[（2k+1）λn4]（L為鋁棒的長(zhǎng)度）的波能在鋁棒中形成駐波，其基波的波長(zhǎng)為[λ1]=2L，我們便聽到了該種波長(zhǎng)的純音。使用摩擦的方法使鋁棒發(fā)出聲音，由于不是一種強(qiáng)烈的沖擊，那些不能形成駐波的振動(dòng)，能量衰減很快，所以我們聽不到像敲擊那樣強(qiáng)烈的混濁音。

2.實(shí)驗(yàn)研究

從理論解釋可知，純音的頻率與棒的長(zhǎng)度和聲音在該種介質(zhì)中傳播的速度有關(guān)，其關(guān)系式為v=[u2L]，即對(duì)于同一種金屬材料，聲波的速度一定，金屬棒越長(zhǎng)，我們聽到的頻率就越低；對(duì)于不同材料的金屬棒，波速不同，相同長(zhǎng)度時(shí)所得到的頻率也不相同。為此，我們可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量純音的頻率，與上述的理論值進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證理論假設(shè)的準(zhǔn)確性。

對(duì)于聲音頻率的測(cè)量，我們可以采用示波器或聲音軟件觀察聲音的波形并測(cè)量聲音的頻率，圖3、圖4是用聲音軟件EShow分別采集到的119.32 cm和90.10 cm長(zhǎng)的鋁棒發(fā)聲的聲波圖形，其頻率分別為2088和2767，長(zhǎng)度短的頻率高，這與理論解釋相符。同時(shí)， 根據(jù)[λ2]=2L 得：

在誤差范圍內(nèi)，兩種情況下測(cè)得的鋁棒中聲速相等，也符合常溫下聲波在鋁棒中傳播的速率。當(dāng)然，對(duì)于聲波的頻率也可以用共鳴管測(cè)聲速的方法進(jìn)行測(cè)量（如圖5）。

（二）實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

1.實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)

（1）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察

教師以演示實(shí)驗(yàn)的形式展示鋁型材料棒發(fā)聲的實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生進(jìn)行觀察。觀察的重點(diǎn)是教師的手法和聽到的聲音的特點(diǎn)，并要求學(xué)生記錄觀察到的現(xiàn)象。包括：

你看到了什么？

你聽到了什么？

聽到的聲音有什么特點(diǎn)？

學(xué)生的觀察越仔細(xì)越好，不能漏過每一個(gè)細(xì)節(jié)，并要求在觀察的基礎(chǔ)上提出不能解釋的現(xiàn)象。

（2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析和假設(shè)

對(duì)觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析和假設(shè)，對(duì)每一個(gè)觀察到的現(xiàn)象和細(xì)節(jié)都要從理論上進(jìn)行說明，對(duì)無法說明的地方要進(jìn)行相應(yīng)的假設(shè)和猜想，最終要能形成完整的理論說明。重點(diǎn)要求學(xué)生解釋：

金屬棒發(fā)出的純音是如何形成的？

敲擊和手指摩擦兩種方法形成不同聲音的原因是什么？

手指捏的位置與發(fā)聲頻率之間有什么關(guān)系？

在這一過程中要求學(xué)生查閱相關(guān)的資料，綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，形成完整的理論假設(shè)。

（3）實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方案

為印證對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的理論分析，需要設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)來證明自己的判斷，這就要求學(xué)生自主完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案主要包括研究的目的、研究的具體方法、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)的程序、實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)等。

學(xué)生的實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告應(yīng)包括上述三個(gè)方面，以紙質(zhì)形式上交。

2.交流討論

學(xué)生上交實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告后，教師要檢查預(yù)習(xí)情況并加以引導(dǎo)和幫助，最終形成完整的理論分析和實(shí)驗(yàn)論證方案。選擇具有典型性和普遍性的分析和設(shè)計(jì)方案，讓學(xué)生進(jìn)行匯報(bào)，并進(jìn)行交流探討，包括假設(shè)是否合理，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否可行，經(jīng)學(xué)生修改實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的操作環(huán)節(jié)。這一環(huán)節(jié)是相互借鑒和再判斷的一個(gè)過程，并非強(qiáng)制性的形成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)認(rèn)知，學(xué)生可以根據(jù)交流情況進(jìn)行修改，也可以堅(jiān)持自己的想法和驗(yàn)證方案，教師在必要時(shí)給予一定的理論指導(dǎo)。

3.學(xué)生實(shí)驗(yàn)

學(xué)生根據(jù)預(yù)習(xí)情況到實(shí)驗(yàn)室完成實(shí)驗(yàn)，自己選擇實(shí)驗(yàn)器材，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)的記錄和分析。主要的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：

重復(fù)教師的演示實(shí)驗(yàn)；

測(cè)量不同長(zhǎng)度和不同材料的金屬棒的發(fā)聲頻率；

研究手指捏在不同位置時(shí)的發(fā)聲特點(diǎn)。

4.總結(jié)分析，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析發(fā)聲頻率與金屬棒長(zhǎng)度和波速之間的關(guān)系，得出金屬棒發(fā)聲的原理，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

在上述的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，我們從對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察入手開展實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)，學(xué)生只有準(zhǔn)確而全面的觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如手捏的位置、聲音的特點(diǎn)，并從對(duì)這些現(xiàn)象的分析中做出合理的假設(shè)，才能進(jìn)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。與一般的以明確的實(shí)驗(yàn)要求入手的研究性或設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)相比，學(xué)生多經(jīng)歷了觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)，這是對(duì)創(chuàng)造性思維的一種鍛煉。

三、加強(qiáng)觀察和假設(shè)設(shè)計(jì)的途徑

（一）轉(zhuǎn)變觀念，提升對(duì)觀察和假設(shè)重要性的認(rèn)識(shí)

社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步對(duì)人才培養(yǎng)提出了新要求，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不僅要培養(yǎng)學(xué)生基本的實(shí)驗(yàn)技能，更要培養(yǎng)創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。它要求大學(xué)生能做到理論與實(shí)際相結(jié)合，具有發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。這就要求必須要重視以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)。高校教師在長(zhǎng)期的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，已經(jīng)形成了自己相對(duì)穩(wěn)定和成熟的教學(xué)模式，在思想上由于惰性而不愿去學(xué)習(xí)和做出改變。與此對(duì)應(yīng)，在實(shí)踐中，以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)高校教師在知識(shí)能力上提出了更高的要求，在教學(xué)中也要牽扯更多的精力，面對(duì)這些他們不愿主動(dòng)去做出改變。為此，高校教師要轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念[7]，從促進(jìn)學(xué)生發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)角度出發(fā)，加強(qiáng)以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。

（二）加強(qiáng)學(xué)習(xí)，掌握觀察和假設(shè)的規(guī)律和心理機(jī)制

從教學(xué)設(shè)計(jì)來講，觀察和假設(shè)是一個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，但觀察和假設(shè)作為一種實(shí)驗(yàn)方法是有其內(nèi)在的規(guī)律和心理機(jī)制的。比如觀察的方法有順序觀察法、解剖觀察法、對(duì)比觀察法、重點(diǎn)觀察法和全面觀察法等，每一種方法的心理機(jī)制和適用范圍都不相同。為此，只有掌握了觀察和假設(shè)的規(guī)律和心理機(jī)制才能更好的進(jìn)行觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。教師需要加強(qiáng)這方面的學(xué)習(xí)，重點(diǎn)學(xué)習(xí)和掌握：觀察和假設(shè)的分類與適用范圍；關(guān)于觀察和假設(shè)的心理機(jī)制；觀察和假設(shè)法的實(shí)施方法與注意事項(xiàng)等。

（三）創(chuàng)設(shè)條件，開發(fā)注重觀察和假設(shè)環(huán)節(jié)的研究性實(shí)驗(yàn)案例

具體的、可行的、有效果的實(shí)踐教學(xué)案例能讓教師感受到研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來的優(yōu)勢(shì)，這樣才能進(jìn)一步推動(dòng)廣大一線教師不斷開展以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐。當(dāng)前，可供操作的以觀察和假設(shè)為基礎(chǔ)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例還比較缺乏。為此，必須要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的開發(fā)[8]。具體可以在傳統(tǒng)的研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入觀察和假設(shè)的環(huán)節(jié)；把現(xiàn)實(shí)生活中的實(shí)際運(yùn)用開發(fā)為研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例；將演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為研究性實(shí)驗(yàn)等。

四、結(jié)語

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和研究性實(shí)驗(yàn)的目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，但目前的設(shè)計(jì)性和研究性實(shí)驗(yàn)大多是從實(shí)驗(yàn)要求開始的，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法并自主完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析，在這一過程中對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力的培養(yǎng)起到了很好的作用，但不符合創(chuàng)新能力的思維機(jī)制，為此我們必須要重視觀察和假設(shè)的教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

[1] 王秋芬.設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2006（9）：88-91.

[2] 何永凡，周紅，周曉兵，等.利用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2016（6）：180-183.

[3] 劉金環(huán).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革與建設(shè)研討[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2005（3）：72-74.

[4] 姜志宏.研究性實(shí)驗(yàn)與學(xué)生科研能力的培養(yǎng)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2006（9）：102-105.

[5] 王德春.語言學(xué)通論[M].南京：江蘇教育出版社，1990.

[6] 劉炳昇，仲扣莊. 關(guān)注用物理知識(shí)分析和解決實(shí)驗(yàn)問題[J]. 物理教學(xué)， 2011（9）：26-29.

[7] 黃蘭芳.大學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)的思考[J].大學(xué)教育，2013（8）：36-37.

[8] 朱春玲，李梅，馮靜，等. 基于培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].大學(xué)教育，2014（6）：19-20.

[責(zé)任編輯 鐘 嵐]