畢 亮

(云南省綠春縣第一中學，云南 綠春 662599)

借助創(chuàng)新實驗的成敗 提升學生的創(chuàng)新思維品質(zhì)

畢 亮

(云南省綠春縣第一中學，云南 綠春 662599)

教師引導學生設計一個驗證空氣是否具有質(zhì)量的創(chuàng)新實驗.在設計和探究的過程中使學生歷經(jīng)一波三折,最終獲得成功.經(jīng)過教師一步又一步的思維引導,在動腦動手的探索過程中,幫助學生提升創(chuàng)新思維品質(zhì).

創(chuàng)新； 實驗； 思維品質(zhì)

用創(chuàng)新物理實驗開展教學活動,是培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維的重要途徑.從創(chuàng)新教育的視角來看,物理教師會創(chuàng)新、能創(chuàng)新,是開展創(chuàng)新教育的前提.在教學過程中,教師演示創(chuàng)新實驗作品,幫助學生建構物理知識,就創(chuàng)新教育的效果而言,僅僅起到一個榜樣、示范作用,只能熏陶學生.借助合適的契機,教師應該有意識地引領學生自主設計創(chuàng)新實驗方案,在探索的過程中,提升學生的創(chuàng)新思維品質(zhì).學生的創(chuàng)新思維品質(zhì)提高了,創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)自然水到渠成.本文以師生對話的形式,借助“驗證空氣是否具有質(zhì)量” 的創(chuàng)新實驗設計過程(適用的教學對象是初三學生和高中學生),對筆者在創(chuàng)新教育方面的探索作一個展示,以期起到拋磚引玉的作用.

1 教師設置問題陷阱

教師提前準備好如下實驗器材：一臺托盤天平，一瓶350mL的純凈水，兩個風干的350mL的純凈水空瓶，一把剪刀.

教師：這是一瓶尚未開蓋的純凈水，如何證明水有質(zhì)量?

學生：用手掂量尚未開蓋的水瓶的份量,感覺比較沉,用手掂量空瓶的份量,感覺比較輕,可以說明水具有質(zhì)量.

學生使用直覺思維回答完問題后,教師讓回答問題的一個學生到講臺上體驗一下.讓學生盡量參與到整個實驗教學過程中,提高學生的積極性.

教師：很好.不過,我這里有一臺平衡已經(jīng)調(diào)節(jié)好的天平.同學們還有其他方法可以證明水有質(zhì)量嗎?

學生：有.先用天平稱出“水瓶”的質(zhì)量,再用天平稱出空瓶的質(zhì)量.比較兩次測出的質(zhì)量,會發(fā)現(xiàn)“水瓶”的質(zhì)量遠大于空瓶的質(zhì)量,這樣可以證明水具有質(zhì)量.

學生：還可以直接在天平的一個托盤中放置空瓶,另一個托盤中放置“水瓶”.天平向“水瓶”一端傾斜,也可以證明水具有質(zhì)量.

如果有很多學生同時想到兩個方案,那他們使用的思維就體現(xiàn)了發(fā)散思維.這里,教師可以強調(diào),在設計實驗方案時,我們的思維應該是發(fā)散的.根據(jù)實際問題,應該盡量想出多種不同方案,有的方案是未必對的或未必可行的.如果一個方案無法達到目的,我們還有其他選擇.即便多種方案都是正確的、可行的,這些方案也各有優(yōu)勢、劣勢,我們應該從中選擇最佳方案.

教師：這兩種方案都非常好.現(xiàn)在,我們請一位沒有回答問題的同學上講臺給大家演示一下,他可以自主選擇其中一種方案進行驗證,大家歡迎!

教師用攝像頭將整個實驗過程同步到電子白板上,并提醒其余學生注意觀察實驗現(xiàn)象.教師之所以讓學生自主選擇實驗方案進行實驗操作,是為了評測他的實驗操作技能,以及鍛煉學生的聚合思維.學生會選擇哪種方案?哪種方案是最佳的?選擇出可行的最佳方案的方法體現(xiàn)了聚合思維.如果學生選擇的是第1種方案,教師提供的天平最大稱量是200 g,天平無法測出一瓶水的質(zhì)量,學生如何處理?這里就涉及到實驗操作技能.類似這樣的問題都是比較有趣的.實驗結束后,教師對學生的具體表現(xiàn)進行點評.

2 初步探究空氣是否有質(zhì)量

學生操作完成后，教師拿起一個空瓶.

教師：剛才我們借助天平證明了水具有質(zhì)量.現(xiàn)在,我手中拿著一個空瓶,我把瓶蓋打開,再把瓶蓋蓋上.請問,瓶內(nèi)裝著什么物質(zhì)?

學生：空氣.

教師：對,里邊裝著空氣.如何證明空氣也具有質(zhì)量?

教師組織學生討論.經(jīng)過上一個片段中教師的引導,學生使用類比思維、發(fā)散思維,非常容易聯(lián)想到這樣的一個方案：打開一個空瓶的瓶蓋,使勁捏癟空瓶,盡量排出瓶中空氣后,把瓶蓋蓋上,然后借助天平比對一個“癟瓶”和一個完好空瓶的質(zhì)量.有的學生可能會想到這樣的一個方案：用剪刀把一個空瓶剪碎,然后借助天平比對 “碎瓶”和完好空瓶的質(zhì)量.這兩個實驗方案的實驗原理和實驗效果是完全等同的.有的學生直覺思維較差,甚至可能想到這樣的方案：用手掂量空瓶和“癟瓶”,如果真的有學生給出這種答案,讓學生嘗試一下也無妨.如果最終無人回答出正確方案,教師應該引導學生設計一個可行的方案.下文以“碎瓶”這個方案為例.

教師：我將一個空瓶剪碎.剪碎的瓶子還裝有空氣嗎?

學生：沒有了.

教師：如何證明空氣有質(zhì)量呢?

學生：第1種方案：用天平測出所有小碎塊的總質(zhì)量,即“碎瓶”的質(zhì)量.再用天平測出一個裝有空氣的已經(jīng)擰緊瓶蓋的完好空瓶的質(zhì)量.比較兩次的測量結果.這樣就可以證明空氣有質(zhì)量； 第2種方案：把“碎瓶”放在天平的一個托盤中,把完好空瓶放在另一個托盤中,天平向空瓶一端傾斜.這樣也可以證明空氣有質(zhì)量.

教師：很棒的想法.為了操作方便和節(jié)省時間,我們使用第2種方案來驗證(當然,即使以上方案真的可以驗證空氣有質(zhì)量,然而由于瓶內(nèi)空氣的質(zhì)量非常小,托盤天平的精度不夠的話,第1種方案也是不可行的).我們讓一位同學上來試一試.

讓一個學生進行實驗,教師用攝像頭把實驗過程同步到電子白板上，所有學生看到,在天平兩盤中放置“碎瓶”和空瓶后,天平仍處于平衡狀態(tài).整個教室一下炸開了鍋,學生們七嘴八舌的議論起來.

教師：經(jīng)過實驗,我們可以得出什么結論?

大多數(shù)學生：空氣沒有質(zhì)量.

少數(shù)學生：空氣是一種很具體的物質(zhì),應該是有質(zhì)量的.難道我們的實驗哪里出錯了嗎?但是我又覺得我們的實驗毫無漏洞.

3 尋找問題的根源

教師：“碎瓶”不能裝空氣,空瓶裝有一瓶空氣.假如空氣有質(zhì)量,那么,天平應該向空瓶的一端傾斜,然而天平卻是平衡的.在這種情況下,我們不能貿(mào)然得出“空氣沒有質(zhì)量”的實驗結論.我們應該回過頭認真分析實驗的每一個環(huán)節(jié),如果反復檢查核實,發(fā)現(xiàn)實驗是科學的、經(jīng)得住推敲的,到時我們再下結論也不遲.這里我稍作提示,我們知道,浸在流體中的物體會受到浮力……

教師提到浮力后,引導著學生繼續(xù)深入思考、討論，并提示學生用受力分析的知識處理這個問題.以“碎瓶”和空瓶(瓶子和瓶內(nèi)空氣的整體)為研究對象,它們都受到重力、支持力、浮力.讓學生用邏輯去推理、分析,尋找出問題的根源.實際上,這里就涉及到批判思維.作為一個社會人,我們可以質(zhì)疑別人的觀點,但是質(zhì)疑并不等于批判,批判是用嚴密的邏輯找出證據(jù),然后提出合理、公正、富有建設性的意見或方案.一個具有批判思維的人,首先要做到并且要善于做到的,就是批判審視自身.當學生意識到他們提出的方案,具體是哪一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時,繼續(xù)后續(xù)的教學.

教師：天平平衡,可以直接說明什么物理問題?

學生：它們各自對天平托盤的壓力大小相等.

教師：如果空氣有質(zhì)量,“碎瓶”和空瓶,哪一個受到的重力更大?

學生：空瓶受到的重力更大.

教師：“碎瓶”和空瓶哪一個排開的空氣體積更大?哪一個受到的空氣浮力更大?

學生：空瓶排開的空氣體積大.空瓶受到的空氣浮力大.

教師：非常好.假設瓶子塑料材質(zhì)的體積為V1,完好空瓶的容積為V2,則“碎瓶”排開的空氣體積是多少?空瓶排開的空氣體積是多少?

學生：“碎瓶”排開的空氣體積是V1,空瓶排開的空氣體積是V1+V2.

教師：假設瓶子塑料材質(zhì)受到的重力是mg,空氣的密度是ρ(由于瓶蓋是打開再蓋上的,瓶內(nèi)外空氣密度是相同的),“碎瓶”、空瓶受到的重力和浮力分別是多少?

學生：“碎瓶”受到的重力和浮力分別是mg、ρgV1;空瓶受到的重力和浮力分別是mg+ρgV2、ρg(V1+V2).

教師：“碎瓶”和空瓶受到的支持力分別是多少?它們對天平托盤的壓力分別是多少?大小都相等嗎?

學生：都是mg-ρgV1.都相等.

教師：經(jīng)過分析,我們發(fā)現(xiàn)問題出在哪里?

學生：假如空氣有質(zhì)量,則“碎瓶”和空瓶的重力大小不等,但是它們受到的浮力大小也不等,然而支持力大小剛好相等,這就導致它們對天平托盤的壓力大小相等,天平無法“分辨”出“碎瓶”和空瓶哪一個更重.

教師：好,現(xiàn)在我們可以確定,我們所設計的“驗證空氣有沒有質(zhì)量”的實驗失敗了.

實驗失敗的原因,歸根結底是因為沒有使用控制變量法.學生經(jīng)歷挫折,并找出失敗的原因之后,接下來教師可以引導學生設計一個成功的創(chuàng)新實驗了.

4 設計能成功驗證空氣具有質(zhì)量的實驗

教師：我們在設計一個物理實驗時,會遇到很多干擾因素.例如,我們要探究“質(zhì)量大的物體動能大”,速度就是一個干擾因素.為了避免速度等因素的干擾,我們采取哪種實驗方法進行探究?

學生：控制變量法.保證速度等其他因素相同,僅僅改變質(zhì)量這一因素.

教師：很好.我們要驗證空氣有沒有質(zhì)量,該怎么辦?

學生：空氣浮力是干擾因素,保證空氣浮力等其他因素相同,僅僅改變空氣質(zhì)量這一因素.

教師：如果我們還想使用純凈水的瓶子繼續(xù)進行實驗,具體該如何做呢?

學生：取兩個完全相同的空瓶,蓋子是擰緊的.這時,它們內(nèi)部裝有的空氣一樣多.接著往一個瓶子內(nèi)充進一些空氣,這樣可以保證它們內(nèi)部裝有的空氣質(zhì)量不同,但是它們排開的空氣體積相同.然后再把兩個瓶子放在已經(jīng)調(diào)節(jié)好的天平的兩個托盤中,如果天平向“充氣瓶”一端傾斜,則說明空氣具有質(zhì)量.如果天平仍然保持平衡,則說明空氣不具有質(zhì)量.

教師：這個方案非常好.其實,如果我們往一個瓶子內(nèi)充氣,這個瓶子會稍微膨脹一點,它的外觀體積會變大一點,受到的空氣浮力也會變大一點(可以忽略).即便不忽略,如果天平向“充氣瓶”一端傾斜,我們依然可以證明空氣具有質(zhì)量.我們要往一個瓶子內(nèi)充氣,需要什么工具呢?

學生：打氣筒.

教師：對.但是存在一個問題,我們?nèi)绾瓮掌績?nèi)打氣,而且保證空瓶不漏氣呢?

學生：……

教師：我們可以在瓶蓋上打一個小孔,在小孔上安裝一個自行車的氣門芯,在小孔和氣門芯接觸的部位涂上膠水,使其無縫隙不漏氣.但是這非常麻煩.在我們的生活中能不能找到這樣一種器具——往里邊打氣但又不會漏氣的器具呢?同學們想一想.

學生：老師,用兩個足球可以嗎?我們這學期還舉行足球比賽,我們每個班都有足球.

教師：很棒!我把天平留給你們.放學后,班長、學習委員組織一下這個實驗活動.用手機錄下實驗過程,下次上課我們一起來觀賞.如果實驗過程非常完美,我們還可以把前面的失敗實驗一并拍成視頻,借給其他班級甚至其他年級的同學學習.

學生前面已經(jīng)體驗過失敗,把最終的、很容易成功的實驗任務交給他們,讓他們?nèi)ネ瓿?去體驗成功的喜悅.他們只需要跟隔壁的班級借一個足球,再找體育教師借打氣筒和氣針.之后,先把氣針插入一個足球,適當放掉一些空氣.再往另一個足球中打入適當?shù)目諝?最后,再借助天平,就可以驗證空氣也具有質(zhì)量.

經(jīng)過“驗證空氣是否具有質(zhì)量”這個實驗的教學之后,學生腦海中會存在這樣的問題：為什么對空氣中的物體進行受力分析時不必考慮空氣浮力,而這個實驗必需考慮空氣浮力?不論學生是否向教師提出這個問題,下一次課,教師都必須對空氣密度的數(shù)值做一個介紹.空氣密度很小,簡單計算后便可知道,對于一般的物體而言,空氣浮力極小.但是對于一個裝有空氣的瓶子來說,要想驗證瓶內(nèi)空氣是否有質(zhì)量,相對于瓶內(nèi)空氣的重力,空氣浮力不可忽略.

5 小結

創(chuàng)新是守舊的反義詞.凡是能夠形成新的觀點,對事物做出改進或者創(chuàng)造出新的事物,只要是科學的、正確的、對個人和社會有用的,都屬于創(chuàng)新.懂創(chuàng)新、能創(chuàng)新的人都具有創(chuàng)新思維.創(chuàng)新思維并不是一種單一的思維,它是一種復合思維,創(chuàng)新主體綜合運用多種思維形式才能做出創(chuàng)新.批判思維、發(fā)散思維、聚合思維等等思維形式都屬于創(chuàng)新思維的范疇.

機會總是留給做好充分準備的人.有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的人,綜合運用多種思維形式作用于客體,常常能做出創(chuàng)新.有時,不用刻意地去思考,靈感、頓悟或者偶然性也會降臨在有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新思維的人身上.作為物理教師,我們應該借助創(chuàng)新實驗方案的設計,激發(fā)學生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維,提升學生的創(chuàng)新思維品質(zhì),使學生成為具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)新精神的個體.終有一天,他們會成為國家需要的創(chuàng)新型人才,為中國夢的實現(xiàn)添磚加瓦.

1 張鳳英.物理教學中激活學生創(chuàng)新思維的幾點做法及體會[J].物理教師，2014(1)：26-27.

2 谷春生.設計實踐探究問題啟迪創(chuàng)新思維[J].物理教師，2007(12)：31-33.

云南省教育科學“十二五”規(guī)劃2015年度一般課題“創(chuàng)新物理實驗在邊疆少數(shù)民族地區(qū)中學物理教學中的運用”(課題編號：BC15030)的階段性成果之一.

2016-08-15)