探究式实验设计的思维方法，本文主要内容关键词为：思维论文,方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
探究式实验教学法是新一轮的教学改革极为推崇的教学法。这种教学法重视实验的探究，可以使学生体验物理规律发现和形成的过程。通过探究性的学习，不仅培养了学生的探究、发现、创新的良好科学素质，而且使学生品尝到探究过程中成功的喜悦，从而激发浓厚的学习兴趣。新编物理教材中给出了较多探究性实验，但有些实验存在可见度小，受气温、湿度、阳光等条件的限制，成功率低；有些结论缺乏实验探究。这就要求教师进行补充。怎样才能获得所需要的探究性实验呢？我们认为主要有两条途径：一是多阅读参考资料，不断积累优秀的探究性实验，二是自己动手设计实验或改进已有的实验。
近几年来我们开展了题为《探究式实验教学方法和策略》的课题研究，借鉴、改进、设计了一些探究性实验，从中回味实验设计的思维方法，得出了一些共性的思维特点，总结如下。
一、转换法
物理学上常常遇到要探究的问题是看不见摸不着的，这就给我们的探究带来一定的难度。怎样把看不见摸不着的问题在探究过程中转换成明显的现象让学生清楚地观察到，利用学生知晓的物理规律进行转换设计，是一条很好的思维途径。例如，新编物理实验教材在探究焦耳定律关于电流通过导体产生的热与电阻的关系时，采用的是把两只电阻丝串联后分别放入装有温度、质量相同的两只煤油的烧瓶中，在煤油中插入温度计，通电后通过观察温度计示数的变化来探究电流相同时不同阻值的电阻产生热量的关系。这个实验的设计就用了转换法的思维方法：电阻产生的热量越多，煤油上升的温度就越高，温度计的液柱上升越高，从而把看不见的热直观地显现出来。但这个实验也有不足之处：由于温度计的液柱很细，中后排的学生看不见。为此我们仿此思维方式改进了这个实验：用有机玻璃板制作两个相同的封闭的长方体，其中分别放上阻值不同的电阻丝串联好，在每个长方体的顶盖上挖一个小孔，分别用胶管与压强计相连，如图1所示。通电后可以明显的观察到压强计U形管中红水柱分别以肉眼可以区分的速度上升，断电后左右两个压强计出现不同的水柱差。增大了实验的可见度，减少了使用煤油的麻烦，起到了良好的探究效果。
又如在探究液体蒸发是否吸热时怎样把蒸发吸热通过现象表现出来呢？仿此转换法的思维方式，我们想出了如图2所示的实验装置。在平底烧瓶内放少许水，瓶塞上穿小孔，插入直玻璃管，盖上，用凡士林密封。用滴管将红水灌入直玻璃管中形成液柱。这样液柱将空气封闭在瓶内。待液柱稳定后，用棉布沾些酒精后盖在烧瓶上，可以看到红液柱缓慢下降，取掉棉布后，红液柱又缓慢上升。成功地探究了液体蒸发吸热这一规律。
图1
图2
图3
再如，我们在用实验探究纯电阻的串联电路各电阻消耗的功率与电阻阻值大小有何关系时，想到灯泡消耗的实际功率越大，灯泡发光就越亮这一转换联系，设计了如图3所示的电路。将两个不同阻值的小灯泡串联后再与滑动变阻器串联接入电源，把变阻器滑片放在不同位置时，两灯泡的亮度不同，其两端的总电压也不同，但不论两灯总电压如何变化，都可以清楚地看到阻值大的灯泡比阻值小的灯泡亮这一现象。用实验定性地探究了纯电阻的串联电路，电阻阻值越大在电路中消耗的电功率就越大这一结论。
二、逆向思维法
所谓逆向思维就是打破一般的思维程序，即把事物反过来分析，从结果出发探究原因的思维方法。应用这一方法进行思维有时也会给探究实验的设计带来突破。例如，在上《大气压强》一节时，较多的学生反应；在托里拆利实验中为什么说水银柱是大气压支持的？水银柱产生的压强为什么恰好等于大气压强？这个问题从理论上解释比较抽象难懂，我们用逆向思维法思考这个问题：在托里托利实验中，水银柱被支起是结果，大气压的作用是原因，学生对结果不理解，我们能否从结果出发分析大气压这个原因来说明问题呢？如果能减小大气压强水银柱将会滑下，然后增大大气压强水银柱就会上升，由此设计出如图4的装置，用实验来说明这个问题。演示时先关闭阀门K，用嘴给直玻璃管吹气，使容器中一些水上升到直玻璃管中，然后打开阀门K，用充吸两用气筒吸气，这时可以看到直玻璃中的水柱缓慢下降，水柱下降到一定的程度，关闭阀门K后换用充气嘴再打开阀门充气，直玻璃管中的水柱又缓慢升高。通过这个实验使学生确信：①玻璃管中的水柱是容器中空气压强支持的；②密闭的液体可以传递压强。从而，很好地解释了这个问题。再如，在这一节中我们要探究大气压是否存在时做了“倒杯水不掉”实验，实验过程中经常发现学生冒出“水不掉是因为水粘住了纸板，纸板挡住了水的缘故”的说法，为了让学生确信是大气压支持使水不掉的，我们用逆向思维法想出了改进这个实验的方法：找一个塑料杯，在其底部用钻头穿一个直径为4mm的小孔。如图5所示。灌水前用胶塞堵住小孔，待倒杯水不掉后，抽出胶塞，杯中的水快速流出，打消了学生的疑惑。
图4
图5
图6
三、演绎思维法
所谓演绎思维法就是从一般规律出发，考察与一般规律有某种联系的个体，从而推演出针对个体的新的结论的思维方法。把这种思维方法应用于探究式实验设计，往往可以获得创新的实验方案。例如，探究物体在流体中受到浮力和重力的作用出现浮沉问题时，对于液体这个个体很容易想到用改变物体重力的方法来实现浮沉的探究。因而设计出用小药瓶放入不同质量的水来改变瓶的重力，实现浮沉的探究，如图6。对于气体又如何用实验来探究物体在气体中的浮沉呢？这曾经困扰过我们。后来用演绎思维法进行思考，究其原因是因为气体这个个体有其自身的特殊情况：物体在空气中受到的浮力远小于物体受到的重力。由此推演出可以用质量很小的物体改变浮力的方法来实现探究。为此我们联想到了可以利用小试管在其中放入稀硫酸和锌片，反应后产生氢气吹胀气球来演示物体在空气中的上浮情况。但这个实验不好演示下沉的情况，为了使上浮和下沉的情况都能演示我们又想出用热空气吹胶膜泡的方法：去玩具店买小孩玩的吹泡泡用的胶水（用肥皂水也可）制作一个可套在吹风筒上的吹气嘴，先在吹气嘴口上蘸些胶水，用吹风筒吹出热风通过气嘴吹泡泡。如图7。胶膜泡脱离开气嘴后，由于所受的浮力大于重力而上升，上升过程中泡内热空气向环境放出热量而温度降低，泡内压强减小，大气压迫使气泡体积缩小，气泡受到的浮力减小，当达到浮力小于重力后下沉，很好的实现了物体在空气中浮沉的探究。
图7
图8
图9
四、彰显思维法
探究物理问题时，常常会遇到所探究的现象可见度小，有时甚至肉眼看不见。这就要求我们想方设法的使实验的现象“显现”出来。根据生活中的经验进行彰显思维有时会使问题迎刃而解。例如在探究下方加热是否可使空气发生对流时，在图8中烧杯的右上方放一支点燃的蚊香，可以清楚地看见烟的流动情况，从而说明空气发生了对流；在演示光在空气中沿直线传播时，可用杀蚊虫用的喷筒在其中灌入水，在空中喷出水雾，然后用红色激光笔射出红光，可以看见光的传播路径；在探究光在不均匀的介质中沿曲线传播时，可在密度不同的两种液体（如白糖水与水）中，事先撒些与液体密度相同的固体粉末（如红色塑料粉末），用红色激光笔将光斜射入液体后可在接合处看见光沿曲线传播；在探究质量和体积较大的粒子运动的轨迹时，可以让这种粒子穿过啤酒，从而在啤酒中产生气泡，显示出粒子的运动轨迹；在探究通过滑动变阻器的电流是否沿变阻器的电阻线逐圈流过时，可以在变阻器的电阻丝上每隔10圈的地方断开，串接红色的发光二极管，这样当这个特制的变阻器通电后，移动滑片这些二极管逐个变亮，如图9，从而说明电流是沿电阻线逐圈流过的。如此等等，彰显的方法多种多样，不一而足。
五、改变强弱思维法
有些探究式实验虽然可以获得成功，但实验的现象很不明显，近处都难以观察，更不用说处于远处的学生。遇到这种情况，分析产生不明显现象的主要因素，采用改变强弱对比的思维方法，巧妙地改变影响不明显现象因素的强弱，可以使实验的可见度大大提高。如新编八年级物理教材光学中的小孔成像实验，按课本介绍的方法制作后在课堂上演示是很难看见成像的。为此我们分析成像看不清的原因是物体在白天反射的阳光通过小孔射到薄膜上，这些光的强度与其周围的阳光强度相当造成的。我们用改变强弱思维法进行思考：能不能增强物体发出的光同时减弱薄膜周围的阳光使成像清楚显现呢？为此我们想到了用蜡烛的火焰代替物体，增强入射光，同时在薄膜的周围减弱阳光的方法来探究：用直径为lOcm的纸筒在其两个恰当的地方割缝分别卡入穿有小孔的纸板和薄膜，如图10所示。在纸筒的前端放上点燃的蜡烛，可以使学生在薄膜上清楚地看见倒立火焰的像。又如用实验探究分子之间是否有间隙时，除了用扩散现象可以说明外，传统的另一个探究实验是用一端封闭的细玻璃管在其中滴入等长度的水和酒精，记下液面的位置，堵住玻璃管的顶端，摇晃使其充分混合后再竖直玻璃管，会发现液面稍微下降，如图11所示。但这个实验由于液面稍微下降学生难以区分。怎样才能使液面下降的高度显著呢？我们分析了影响液面下降高度显著的主要原因有两个，一个是玻璃的内径，另一个是液体的质量。用改变强弱思维法进行思维：若要增大液体的质量，管子的长度就要增长，影响操作。若要减小管的内径，管内液体的质量就会减小，同时因管内径太小，液体表面有张力也难以将液体灌入管中。这对矛盾难以较好的解决。后来我们仿照液体温度计彰显原理获得了如下的探究方法：找一根内径为3mm长为0.5m的玻璃管，用喷灯烧其一端到发红，再用钳夹扁使该端封闭。然后再用喷灯烧其中部到发红时，用充气筒通过另一端的开口充气，同时稍微拉长，使管的中部内径增大，得到如图12所示的形状。这样既增大了所盛液体的质量，又没有减小管的内径。用这个自制的装置进行探究，液面下降的高度较显著。
图10
图11
图12
六、组合思维法
用巧妙地组合来实现我们需要达到的目的，可以说是一个再创造的过程。在探究性实验设计中，用我们身边的现成的东西进行组合思维，进而设计实验，往往可以获得意想不到的探究效果。例如我们在探究真空不能传声时，按新编实验教材介绍的方法探究，要用笨重的抽气机，有时因真空罩底上的胶垫日久失去弹性，漏气而不成功。就是成功了，由于抽气机的抽气能力不强，声音减弱的效果不很明显。怎样改进这个实验呢？用组合思维法我们找到用身边的东西探究这个问题的方法：找一个长方体玻璃水槽、橡胶（或高密海绵）鼠标垫、手机各一个、蜡烛两支。探究时把鼠标垫放在水平桌面上，再在鼠标垫上放上两支点燃的蜡烛，设置手机使其放出悦耳的音乐并将它靠近蜡烛放置。用水槽倒扣住蜡烛和手机，透风几秒后用力向下压紧。这时可以观察到蜡烛逐渐熄灭，手机音乐明显减小。如图13所示。一会儿把水槽拿起，又可以听到悦耳的手机音乐。实验完后引导学生分析声音明显减小的原因，从而推出真空不能传声的结论。在这一节中我们如何探究液体也能传播声音呢？我们沿着这种思维的模式进行拓展也找到了探究的方法：将水槽中放入水，使手机放出音乐后用小塑料袋把手机包起并用胶圈捆住，慢慢地放入水中，这时仍可以听到悦耳的音乐，从而说明了水可以传播声音。
图13
探究式实验设计的思维方法是多种多样的，本文浅谈了常见的六种，且这六种方法之间并不是割裂的，往往在具体的设计思维时可以相互渗透、穿插应用，从而使设计出的探究性实验操作性好、说理性强、可见度大。在大力倡导探究式实验教学的今天，迫切需要大量优秀的、具有创新性的探究实验来丰富我们的课堂教学，但愿本文能成为引玉之砖。