王合英，孫文博，陳宜保，張留碗

(清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的留白藝術(shù)

王合英，孫文博，陳宜保，張留碗

(清華大學(xué) 物理系，北京 100084)

闡述了實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中留白的目的、實(shí)驗(yàn)教材留白、實(shí)驗(yàn)課堂留白的策略和作用.通過適當(dāng)?shù)牧舭姿囆g(shù)，激發(fā)學(xué)生做物理實(shí)驗(yàn)的興趣和自主探究的熱情，培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立精神和創(chuàng)新思維，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ屛锢韺?shí)驗(yàn)課生動(dòng)有趣、精彩紛呈.

實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)；留白藝術(shù)；人才培養(yǎng)

“留白”作為一種藝術(shù)表現(xiàn)手法，是在藝術(shù)創(chuàng)作中為了更充分地表現(xiàn)主題而有意識(shí)地留出空白.“留白”在美術(shù)、音樂、文學(xué)、園林和建筑等各種藝術(shù)領(lǐng)域中均煥發(fā)出獨(dú)特的光彩[1-3].“無畫之處皆成妙境”、 “此時(shí)無聲勝有聲”、“不著一字，盡得風(fēng)流”等都表達(dá)了留白藝術(shù)的魅力.虛實(shí)相生，疏密有致，以有限傳達(dá)出無限，以一種局部傳遞大千神韻，以空白處激發(fā)觀賞者的思維活力和想象力，讓人浮想，令人回味，從而營造出獨(dú)特的情意空間和審美意境，堪稱是藝術(shù)中的至高境界.

實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)是一門科學(xué), 也是一門育人的藝術(shù).把留白藝術(shù)恰當(dāng)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)，同樣可以提升教學(xué)品質(zhì).實(shí)驗(yàn)物理作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)的實(shí)踐課程，對(duì)學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)、能力提高和品格塑造起著理論課無可替代的重要作用.為了充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)在創(chuàng)新人才培養(yǎng)中的作用，從事實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教師們從教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、組織和管理等各方面不斷進(jìn)行探索和改革，取得了一定的成效[4-9].本文結(jié)合清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)說明實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中留白的目的、策略和作用.在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中適當(dāng)運(yùn)用“留白”藝術(shù)，根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生具體情況，適時(shí)適度地留給學(xué)生獨(dú)立思考、自主探索和創(chuàng)新的時(shí)間和空間, 以激發(fā)學(xué)生的求知欲，充分激發(fā)出學(xué)生的潛能，讓學(xué)生的主體意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)得以萌芽生長和充分發(fā)揮,從而提高實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)的質(zhì)量.

1 實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中“留白”的目的

前蘇聯(lián)教育家蘇霍姆林斯基曾說[10]：“教師必須懂得什么該講，什么留著不講完.不講完的東西，就好比是學(xué)生思維的‘引爆管’，馬上就會(huì)在學(xué)生的思維中出現(xiàn)問題.”“留著不講完的東西”即是留白，通過留白引爆學(xué)生的發(fā)散思維.可見教學(xué)的留白藝術(shù)早就為教育家所提倡，是教育教學(xué)的一種良方.老子曰[11]:“埏埴以為器,當(dāng)其無,有器之用.鑿戶牖以為室,當(dāng)其無,有室之用.故有之以為利,無之以為用.” 這段話精辟地闡述了留白的本源和目的.器皿中間是空的，我們才可以用它的“空間”盛放東西.房屋墻壁之間是空的，我們才可將其作為房屋之用.故“有之以為利，無之以為用”.可見留白不是形式,而是延伸和升華.“無畫之處皆成妙境”表明中國畫的“留白”是一種深邃的意境,一種“藏境”的手法.同樣，實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中的留白也是一種“藏境”，書中和課內(nèi)的世界很精彩，但畢竟有限，書外課外的世界更令人神往，且廣博無垠.在實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中留白的目的就是要打開從課內(nèi)通向課外、從已知世界通向一望無際的未知知識(shí)原野的一扇門，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、滿足求知欲和好奇心的自由探索空間，于留白處發(fā)展心智、彰顯個(gè)性.教師在教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)通過不同形式的留白，旨在引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的期待和興趣，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的關(guān)注和思考，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析與探究，以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)課賦予方法、啟迪思維、提高能力、塑造品格的教學(xué)目的.那么，如何留白才能達(dá)到上述目的？

2 實(shí)驗(yàn)教材的留白藝術(shù)

人們一般對(duì)未知世界感到好奇和向往，因?yàn)楹闷?，就產(chǎn)生去追求的動(dòng)力，有追求和付出，就會(huì)有所收獲.學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課之前最先接觸到的實(shí)驗(yàn)教材內(nèi)容將直接影響學(xué)生對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)課的心理期待程度.如果學(xué)生在閱讀完實(shí)驗(yàn)教材后，對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果都一目了然，沒有什么懸念和問題，一定不會(huì)引起他們對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，做實(shí)驗(yàn)的效果會(huì)大打折扣.因此，教師在編寫實(shí)驗(yàn)教材時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，清楚留白的目的和意義，采用不同形式的“留白”，“虛實(shí)結(jié)合”，達(dá)到“言有盡而意無窮”的目的，以激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和探索熱情，對(duì)將要做的實(shí)驗(yàn)有一份期待，無疑為提高實(shí)驗(yàn)課的質(zhì)量奠定了基礎(chǔ).

實(shí)驗(yàn)教材的留白策略可以用古代教育家孔子的一句話概括：“叩其兩端而竭焉”(出自《論語·子罕》 ).“叩其兩端”指兩端寫實(shí)，中間則適當(dāng)留白.兩端中的一端是實(shí)驗(yàn)的核心原理，所用的儀器結(jié)構(gòu)、功能和使用注意事項(xiàng)，這些是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),是學(xué)生思維萌芽和生長的土地；另一端是該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的，是學(xué)生通過做實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo).這“兩端”的內(nèi)容都是教材中要寫 “實(shí)”的部分.中間部分指具體的實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)中的問題、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等則是留給學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)、自我提高、自我成長的留白空間，相應(yīng)于“虛”的部分.這樣，學(xué)生閱讀實(shí)驗(yàn)教材后，既清楚相關(guān)的物理原理、實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，同時(shí)通過“叩其兩端”思考實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法及可能的結(jié)果，激發(fā)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)去“補(bǔ)白”的欲望，為學(xué)生留下自由發(fā)揮的挑戰(zhàn)空間.

在上述大的留白原則下，實(shí)驗(yàn)教材中的留白方式應(yīng)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和特點(diǎn)靈活變化，以達(dá)到不同的教學(xué)目的.常用的教材留白方式可歸納為如下幾類：如點(diǎn)到為止的拓展性留白、有計(jì)劃的探究性留白、畫龍點(diǎn)睛的指導(dǎo)性留白、引發(fā)思考的省略性留白等，在此通過具體事例加以說明.

1) 點(diǎn)到為止的拓展性留白

點(diǎn)到為止的拓展性留白指雖然不是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，但與本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容有較為密切的關(guān)系，如本實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的科技前沿或應(yīng)用等.這類內(nèi)容不適合在實(shí)驗(yàn)教材中長篇大論地?cái)⑹?，但?duì)學(xué)生了解該領(lǐng)域的前沿進(jìn)展和科技發(fā)展十分必要.這類留白多放在教材的引言部分，可以拓展學(xué)生的視野，為學(xué)生進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究指明參考方向，同時(shí)啟迪學(xué)生的創(chuàng)新精神，為學(xué)生做課外深入探究和創(chuàng)新思維的萌芽留下生長空間.

以四極質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)教材為例.四極質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)所用教學(xué)儀器和科研儀器的分辨率和靈敏度有一定的差別，另外質(zhì)譜儀中四極桿所加電場的形式不同，其作用和應(yīng)用領(lǐng)域也不同.這些內(nèi)容和四極質(zhì)譜的實(shí)驗(yàn)原理密切相關(guān)，但不是本實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，在寫實(shí)驗(yàn)教材時(shí)就可以用“點(diǎn)到為止的拓展性留白”為學(xué)生留下開闊思路、增長知識(shí)的生長點(diǎn)：“隨著技術(shù)的發(fā)展，四極質(zhì)譜技術(shù)也不斷發(fā)展，現(xiàn)在雙曲面形四極桿的應(yīng)用更加廣泛.在氣相色譜和液相色譜儀中，利用四極桿串聯(lián)技術(shù)可以獲得高分辨的定量測量.如果在四極桿上只加射頻場，可以作為離子阱.有興趣的同學(xué)可以自己查閱相關(guān)文獻(xiàn)學(xué)習(xí).”[12]這段話既“點(diǎn)”出了四極質(zhì)譜儀的技術(shù)發(fā)展和不同應(yīng)用，也為有興趣的同學(xué)進(jìn)行課外自主學(xué)習(xí)和拓展閱讀“點(diǎn)”出具體的方向：如何通過串聯(lián)技術(shù)提高分辨率？四極電場形式不同導(dǎo)致作用不同的物理本質(zhì)是什么？除了離子阱還有其他應(yīng)用嗎？更重要的是啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維：用電路的串聯(lián)技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)的革新，而改變電場的形式就能約束離子的運(yùn)動(dòng).讓學(xué)生了解創(chuàng)新并不是高不可攀，只要保持一種靈活變通的思維方式，將學(xué)到的知識(shí)融會(huì)貫通，就可能產(chǎn)生創(chuàng)新的靈感.很多學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)主動(dòng)和教師探討自己對(duì)于上述問題的理解，也有學(xué)生和教師分享自己查閱的文獻(xiàn)，討論該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用，并提出自己的見解.由此可見這種點(diǎn)到為止的留白能夠引起學(xué)生的關(guān)注和興趣，并通過自主學(xué)習(xí)去主動(dòng)補(bǔ)白，讓學(xué)習(xí)從課內(nèi)延伸到課外，拓寬視野，提升素質(zhì)，達(dá)到了留白的目的.

2)有計(jì)劃的探究性留白

有計(jì)劃的探究性留白一般針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的核心原理設(shè)置，旨在引起學(xué)生對(duì)核心原理及應(yīng)用的深入思考和探究.這種留白的“計(jì)劃性”和“探究性”表現(xiàn)在它與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相結(jié)合，讓學(xué)生產(chǎn)生通過實(shí)驗(yàn)去“補(bǔ)白”的欲望，在“補(bǔ)白”過程中深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解，對(duì)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的關(guān)注，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的深入思考，對(duì)拓展問題的主動(dòng)探究，不僅使實(shí)驗(yàn)課生氣盎然，而且達(dá)到人才培養(yǎng)的目的.

仍以四極質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)教材為例.四極質(zhì)譜實(shí)驗(yàn)的核心內(nèi)容是雙曲電場按質(zhì)荷比分離離子的物理原理、儀器分辨率和靈敏度的測量和識(shí)譜技術(shù).這些內(nèi)容是“實(shí)”寫的部分，如果教材中分塊闡述這些內(nèi)容，學(xué)生讀完可能只是零散的知識(shí)片段，不能形成完整的知識(shí)系統(tǒng).為了引起學(xué)生對(duì)上述知識(shí)片段相互關(guān)系的思考，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)原理有全面的理解和系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有所期待，我們在實(shí)驗(yàn)原理部分采用了“有計(jì)劃的探究性留白”：“一般情況下，質(zhì)譜儀對(duì)分辨率和對(duì)靈敏度的要求往往是相互矛盾的，這可以從四極質(zhì)譜儀的工作原理予以解釋，也可以通過實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.[12]”首先指出分辨率和靈敏度矛盾的關(guān)系，但為什么矛盾和怎么矛盾則是“計(jì)劃留白”，一是引起學(xué)生預(yù)習(xí)時(shí)對(duì)兩者相互關(guān)系的關(guān)注和對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的深入理解：怎樣從原理上分析兩者矛盾的關(guān)系？二是引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的期待：如何通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩者矛盾的關(guān)系？通過這樣的計(jì)劃留白，給學(xué)生留下獨(dú)立思考和運(yùn)用物理原理分析問題的空間，也為后面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的“補(bǔ)白”埋下伏筆.

正因?yàn)榉直媛屎挽`敏度的關(guān)系問題是該實(shí)驗(yàn)核心原理的體現(xiàn)，我們在編寫教材時(shí)同時(shí)注意到實(shí)驗(yàn)原理的“計(jì)劃留白”與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容探究的“補(bǔ)白”相結(jié)合.在實(shí)驗(yàn)中有意安排相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[12]：“了解質(zhì)譜儀的儀器設(shè)計(jì)，改變質(zhì)譜儀的工作參量，測量其分辨率和靈敏度，分析兩者隨工作參量的變化規(guī)律和相互關(guān)系，并從原理上予以解釋.”即便學(xué)生在預(yù)習(xí)時(shí)沒有關(guān)注這個(gè)問題，在實(shí)驗(yàn)時(shí)也會(huì)以研究的態(tài)度關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果：儀器的工作參量對(duì)分辨率和靈敏度究竟有什么樣的影響？兩者是否表現(xiàn)出相互矛盾的關(guān)系？這種相互矛盾的關(guān)系如何從原理上予以解釋？通過這種計(jì)劃留白和實(shí)驗(yàn)補(bǔ)白相結(jié)合，學(xué)生不僅能真正理解物理原理的內(nèi)涵，而且能活學(xué)活用，用物理理論解決問題，提高學(xué)生分析問題及靈活運(yùn)用知識(shí)的能力，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?

該計(jì)劃留白還可以進(jìn)一步拓展.對(duì)那些求知欲強(qiáng)且對(duì)實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出濃厚興趣的學(xué)生，在他們完成有關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，教師在和學(xué)生的交流討論中進(jìn)一步提出比較開放的應(yīng)用型問題將此留白進(jìn)一步發(fā)揮.例如：“如果讓你設(shè)計(jì)出具有高分辨率的四極質(zhì)譜儀，根據(jù)你對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，應(yīng)從哪幾個(gè)方面考慮？”“如果空間有限，又要達(dá)到較高的分辨率，儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是什么？”這就要求學(xué)生的思維不能僅局限于完成的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而是需要有一種全局觀，對(duì)各種因素進(jìn)行綜合考慮.從儀器的使用者轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)者，這種角色轉(zhuǎn)變帶給他們完全不同的思維角度和心理體驗(yàn).通過這種綜合分析、深入理解、全盤考慮的“補(bǔ)白”實(shí)現(xiàn)學(xué)生素質(zhì)的提升、思維的拓展和能力的提高.很多學(xué)生在總結(jié)中表示這種開放問題的討論讓他們腦洞大開，受益匪淺，不僅真正理解了實(shí)驗(yàn)原理，而且學(xué)會(huì)如何運(yùn)用物理原理去分析問題，解決問題，有“山重水復(fù)疑無路，柳暗花明又一村”的美妙感覺.

3)其他形式的留白方式

教材中的留白方式因教學(xué)目的靈活改變.例如實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)可采用“畫龍點(diǎn)睛的指導(dǎo)性留白”：只給出注意內(nèi)容，不說明注意的本質(zhì)原因.這種留白也可以與實(shí)驗(yàn)課的補(bǔ)白相結(jié)合，虛實(shí)相生，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑精神.

引發(fā)思考的省略留白或問題留白相對(duì)直觀，通過提問直接引起學(xué)生的注意和思考.這種留白一般以思考題的形式出現(xiàn)，提醒學(xué)生物理原理和實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容.這類留白應(yīng)注意問題的有效性，提出的問題既要給學(xué)生思考的方向，體現(xiàn)核心原理和實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵所在；又要給學(xué)生思考的空間，能從“留白”的問題情境中“無”中生“有”，體驗(yàn)思考的樂趣和心智的成長.

總之，實(shí)驗(yàn)教材中根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康那捎貌煌问降牧舭祝砸饘W(xué)生的思考和注意，激發(fā)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣和探究欲望，喚起學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)來填補(bǔ)“空白”的求知欲和解惑心，讓學(xué)生以積極主動(dòng)的態(tài)度拉開后續(xù)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的序幕.同時(shí)留白體現(xiàn)了教材的開放性，它賦予學(xué)生更多研究、發(fā)展和創(chuàng)新的空間，有利于實(shí)驗(yàn)探索和師生對(duì)話互動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)補(bǔ)白的過程中活化和深化教材內(nèi)容，使實(shí)驗(yàn)過程充滿解惑和收獲的喜悅.

3 實(shí)驗(yàn)課堂的留白與補(bǔ)白

目前大多數(shù)高校的物理實(shí)驗(yàn)以固定時(shí)間內(nèi)完成固定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)或驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主.很多實(shí)驗(yàn)只需按照教材或講義中的實(shí)驗(yàn)步驟操作就能順利完成，沒有查閱資料、獨(dú)立思考和自主發(fā)揮的空間，影響了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，抑制了學(xué)生主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性的發(fā)揮.但如果教師在常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中適當(dāng)運(yùn)用“留白”的藝術(shù)，同樣能夠激發(fā)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的熱情和活力，通過物理實(shí)驗(yàn)課達(dá)到賦予方法、啟迪思維、提高能力、塑造品格的目的.

實(shí)驗(yàn)課與理論課最大的差別在于學(xué)生是課堂的主角，是實(shí)驗(yàn)的執(zhí)行者.實(shí)驗(yàn)課的優(yōu)勢是教師可以和學(xué)生一對(duì)一地零距離交流和討論，針對(duì)不同學(xué)生的具體情況和問題采用個(gè)性化的留白指導(dǎo)，實(shí)施以人為本、因材施教的教學(xué)策略，達(dá)到最佳的教學(xué)效果.實(shí)驗(yàn)課堂的留白方法不一，形式多樣.教師應(yīng)因人而異，靈活應(yīng)用.常用的課堂留白方式有以下幾種，現(xiàn)舉例加以說明.

1) 于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)處留白，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)和發(fā)現(xiàn)問題的敏感性和洞察力.

對(duì)問題的敏感和洞察力是科研工作者重要的潛質(zhì)，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題是科研的基礎(chǔ)，也是創(chuàng)新的前奏.于實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)處留白，則能培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)、認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)素養(yǎng)和善于發(fā)現(xiàn)問題的能力.

例如，用X射線衍射儀做物相分析的實(shí)驗(yàn)中，儀器配套的鋁樣品架開孔尺寸略小于X射線的狹縫長度，導(dǎo)致少量的X射線照射到樣品架上，測量樣品的X射線衍射譜中均含有1～2個(gè)鋁的衍射峰，但強(qiáng)度相對(duì)較弱.這原本是樣品架設(shè)計(jì)的瑕疵，但把它作為實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的留白，觀察不同學(xué)生對(duì)此問題的關(guān)注度和解決方法，針對(duì)不同學(xué)生采用不同的引導(dǎo)方法，以鼓勵(lì)和培養(yǎng)學(xué)生關(guān)注細(xì)節(jié)和發(fā)現(xiàn)問題的能力.因?yàn)檫@2個(gè)較弱的“多余”衍射峰并不影響所測材料的物相分析結(jié)果，不太注意細(xì)節(jié)的學(xué)生很難發(fā)現(xiàn)衍射譜中“多余”的衍射峰，或者因?yàn)椴挥绊憣?shí)驗(yàn)結(jié)果而對(duì)它們視而不見，不深究其原因.比較細(xì)心的學(xué)生往往在測量一兩個(gè)樣品后就發(fā)現(xiàn)有不屬于所測材料的未知衍射峰，更有觀察力較強(qiáng)的學(xué)生能發(fā)現(xiàn)所測不同樣品的衍射峰中均出現(xiàn)相同的未知衍射峰.對(duì)于前一類學(xué)生，教師可適時(shí)提醒他們對(duì)結(jié)果認(rèn)真分析，仔細(xì)對(duì)比觀察，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)細(xì)微的差別，從而關(guān)注實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié).對(duì)于后一類學(xué)生，教師首先肯定他們的“火眼金睛”和關(guān)注細(xì)節(jié)的良好習(xí)慣，再鼓勵(lì)他們自己分析判斷“多余”衍射峰的來源.教學(xué)實(shí)踐表明實(shí)驗(yàn)過程中這種意外的細(xì)節(jié)發(fā)現(xiàn)常常令學(xué)生興奮，激發(fā)了他們揭開謎底的欲望和好奇心.一旦學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣和好奇心被小小的細(xì)節(jié)留白激發(fā)出來，學(xué)生的思維也隨之活躍起來，物理實(shí)驗(yàn)課就會(huì)變得豐富有趣、生動(dòng)精彩.

2)于實(shí)驗(yàn)方法處留白，給學(xué)生提供自主嘗試和解決問題的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰妥孕判?

仍以X射線衍射實(shí)驗(yàn)的樣品架為例.既然實(shí)驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)了“意外”，那么通過實(shí)驗(yàn)研究“意外結(jié)果”的原因就是于實(shí)驗(yàn)方法處留白的好時(shí)機(jī).當(dāng)學(xué)生沉浸在發(fā)現(xiàn)多余衍射峰或興奮或茫然的情緒中時(shí)，如果教師直接告訴他們這些多余衍射峰的來源，就會(huì)錯(cuò)失讓學(xué)生自己分析問題、解決問題的良機(jī).相反，如果此時(shí)教師采用實(shí)驗(yàn)方法留白的教學(xué)方式，鼓勵(lì)學(xué)生自己設(shè)法通過實(shí)驗(yàn)分析多余衍射峰的來源，就能培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的能力.當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)方法的留白也因人而異.有些學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?qiáng)，喜歡自己去嘗試解決問題，教師就輕松放手，給他們發(fā)現(xiàn)自我、發(fā)掘潛能、展示自己能力的機(jī)會(huì).如果有的學(xué)生茫然無緒，教師就給予適當(dāng)?shù)膯l(fā)性引導(dǎo)，鼓勵(lì)他們大膽推測，積極思考，再想辦法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

對(duì)于那些面對(duì)問題不知所措的學(xué)生，不能采用完全放羊式的“完白”，需要教師給予一定的方法啟發(fā)，也是實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)中賦予方法、啟迪思維的過程.教師可以通過一系列問題啟發(fā)學(xué)生分析問題的思路和方法：先觀察比較不同樣品測量結(jié)果中多余衍射峰峰位有什么共同點(diǎn)？從峰位相同的共同點(diǎn)，你能做出什么推測？這種未知物質(zhì)是樣品成分還是樣品外部因素引起？實(shí)驗(yàn)過程中有哪些外部因素可能引起衍射？一般情況下，當(dāng)討論到這些問題時(shí)，學(xué)生很容易把關(guān)注點(diǎn)集中到樣品架上.怎樣通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這些衍射峰來自樣品架？原來如此！這時(shí)學(xué)生都會(huì)表現(xiàn)出豁然開朗的表情，興致勃勃地著手實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想的過程.有些學(xué)生直接測量鋁樣品架的衍射譜，將其與前面的測量結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)樣品架的衍射峰與測量結(jié)果中多余譜峰一致，很快判定鋁樣品架是罪魁禍?zhǔn)?有的學(xué)生采用更換玻璃樣品架的方法，發(fā)現(xiàn)用玻璃樣品架測量的樣品衍射譜中不含這些神秘衍射峰，也間接證明樣品架的影響.無論用哪種方法，當(dāng)學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果能證明自己的分析判斷時(shí)，興奮之情溢于言表，做實(shí)驗(yàn)的成就感和喜悅油然而生，也增加了他們后續(xù)實(shí)驗(yàn)主動(dòng)探究的興趣和信心.這時(shí)，教師乘著學(xué)生興奮的東風(fēng)，把握“賦予方法”的良機(jī)及時(shí)加以引導(dǎo)，告訴學(xué)生直接驗(yàn)證和間接證明相互補(bǔ)充，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論更令人信服.讓學(xué)生了解用不同的實(shí)驗(yàn)方法或?qū)嶒?yàn)技術(shù)從不同側(cè)面驗(yàn)證同一個(gè)問題或結(jié)論是科研中常用的方法.學(xué)生通過親身實(shí)踐體會(huì)到的科研方法會(huì)留下深刻的印象，達(dá)到實(shí)驗(yàn)課啟迪思維、賦予方法的教學(xué)目的.

其實(shí)很多的教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器都有這樣那樣的瑕疵或問題，教師要善于化劣勢為優(yōu)勢，通過適當(dāng)?shù)募?xì)節(jié)留白或?qū)嶒?yàn)方法留白，給學(xué)生提供自主實(shí)驗(yàn)、解決問題的靈動(dòng)課堂，啟發(fā)思路，賦予方法，提高能力，增加學(xué)生的成就感和自信心.

3) 于問難解疑時(shí)留白，為學(xué)生提供獨(dú)立思考和挑戰(zhàn)自己的空間，激發(fā)學(xué)生的潛能，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力.

對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中提出的問題，不予直接回答，而是采用適度“留白”的策略，根據(jù)具體情況采用不同的方法區(qū)別對(duì)待.有些問題只要他用心思考就能找到答案，那就留給他一段思考或查閱實(shí)驗(yàn)資料的時(shí)間，鼓勵(lì)學(xué)生自己解決，以發(fā)展學(xué)生的獨(dú)立思考能力.有些問題比較有深度或難度，如果能用實(shí)驗(yàn)解答，如前面的樣品架問題，則鼓勵(lì)學(xué)生通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)尋找答案.如果難以直接用實(shí)驗(yàn)解決問題，教師應(yīng)結(jié)合具體情況給予畫龍點(diǎn)睛的引導(dǎo)，留白與啟發(fā)并用，指出問題的關(guān)鍵，通過一系列問題引導(dǎo)學(xué)生積極思考，從現(xiàn)象到本質(zhì)，逐步揭開問題的神秘面紗，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)和關(guān)鍵，并悟出解決問題的辦法.通過這種粗線條的留白討論達(dá)到賦予方法、啟迪思維、提高能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的.

4)于拓展實(shí)驗(yàn)中留白，為學(xué)生提供展示自我的舞臺(tái)，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和個(gè)人特長，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)各種問題，由于實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間有限，很多問題可以作為拓展性留白，留給學(xué)生課外探究和拓展的空間，點(diǎn)燃學(xué)生進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究的熱情之火，把實(shí)驗(yàn)室交給學(xué)生，通過自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或研究型實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式采用基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，盡可能給學(xué)生提供自由實(shí)驗(yàn)、樂學(xué)創(chuàng)新、展示自我的舞臺(tái)[4].許多設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)題目直接來自于學(xué)生在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問題.拓展實(shí)驗(yàn)不像課內(nèi)實(shí)驗(yàn)有確定的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生在拓展實(shí)驗(yàn)中要查閱資料、設(shè)計(jì)方法、測量結(jié)果、分析原因，實(shí)驗(yàn)過程中不確定因素較多，失敗的可能性也比較大，因此拓展實(shí)驗(yàn)更有利于學(xué)生心智的成長、品格的塑造、能力的提高和創(chuàng)新思維萌芽的發(fā)展.毋庸置疑，這種拓展性留白是激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動(dòng)因，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的個(gè)性發(fā)展和能力成長，起到課止而思不止、課止實(shí)驗(yàn)研究不止的作用.每至期末學(xué)生交流，學(xué)生們最津津樂道、體會(huì)最深、收獲最大的就是這些設(shè)計(jì)、研究型的拓展實(shí)驗(yàn).很多學(xué)生表示這樣的實(shí)驗(yàn)是真正的實(shí)驗(yàn)，即使結(jié)果不完美甚至失敗，也受益良多，影響深遠(yuǎn).學(xué)生的認(rèn)知能力和潛能常常超過我們的預(yù)期，只要給他們展示的空間和適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，他們的表現(xiàn)就會(huì)帶給我們很多意外的驚喜.

5)實(shí)驗(yàn)課的“留白”與“補(bǔ)白”相輔相成，彰顯活力，提高質(zhì)量.

無論實(shí)驗(yàn)教材中的留白，還是實(shí)驗(yàn)課的留白，如果沒有學(xué)生自主學(xué)習(xí)或自主實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)白，這些留白只能流于形式，沒什么實(shí)際意義.實(shí)驗(yàn)教材中的鋪墊留白引起學(xué)生的興趣與關(guān)注重點(diǎn)，尤其是教材中有計(jì)劃的拓展性留白，實(shí)驗(yàn)課上必要的補(bǔ)白會(huì)使教材留白彰顯活力.實(shí)驗(yàn)課堂上留白與補(bǔ)白相互結(jié)合，相輔相成，運(yùn)用得當(dāng)，才會(huì)提升實(shí)驗(yàn)課的效果和質(zhì)量.

筆者認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)物理課的留白可以無處不在，關(guān)鍵是教師要善于根據(jù)學(xué)生的個(gè)性差異采用不同的留白方式，激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心，讓每個(gè)學(xué)生自主自發(fā)地去補(bǔ)白，學(xué)生的收獲和成長也會(huì)無處不在.例如每個(gè)實(shí)驗(yàn)的注意事項(xiàng)就可以作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)留白與補(bǔ)白的內(nèi)容.注意事項(xiàng)可劃分為兩類：安全區(qū)和雷區(qū)的注意事項(xiàng).安全區(qū)指那些操作不當(dāng)只影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的注意事項(xiàng)，完全可以讓學(xué)生大膽“違規(guī)”，培養(yǎng)其質(zhì)疑精神.雷區(qū)是那些一旦誤操作就會(huì)傷及人員或損壞儀器的注意事項(xiàng)，應(yīng)讓學(xué)生“知其然知其所以然”，提前預(yù)警，防止觸雷.

例如X射線衍射實(shí)驗(yàn)有一條關(guān)于制樣的注意事項(xiàng)：“在放置測量樣品時(shí)注意保證樣品測量表面和樣品架表面在同一平面內(nèi)，否則會(huì)造成測量誤差.”[13]這一注意事項(xiàng)就可作為實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)的留白讓有興趣的學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)補(bǔ)白.有很多愛思考的學(xué)生常在實(shí)驗(yàn)課上質(zhì)疑“為什么會(huì)造成測量誤差？”或“會(huì)造成怎樣的測量誤差？”對(duì)于這些學(xué)生，鼓勵(lì)他們“違規(guī)”操作，通過實(shí)驗(yàn)自己尋找答案和原因.學(xué)生對(duì)這種違規(guī)操作的實(shí)驗(yàn)往往興致很高，不厭其煩地做多種實(shí)驗(yàn)：分別測量樣品表面高于和低于樣品架平面及兩者保持一致的衍射譜，比較分析衍射譜峰的變化，再與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比，就能清楚地觀察到“違規(guī)操作”的后果：衍射峰位發(fā)生了偏移，且2種不同的違規(guī)操作導(dǎo)致峰位偏移的方向截然不同！發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不同只是“知其然”，教師仍然可以用點(diǎn)到為止的啟發(fā)留白讓學(xué)生“知其所以然”.“既然測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)操作有關(guān)，能否說明它們與儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和測量原理有關(guān)？”引導(dǎo)學(xué)生分析注意事項(xiàng)背后所隱藏的物理原理，學(xué)習(xí)用理論分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方法.通過這種注意事項(xiàng)的細(xì)節(jié)留白與違規(guī)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)白，既可以培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑的精神，又通過實(shí)驗(yàn)解疑的過程培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)，提高學(xué)生分析問題的能力，同時(shí)也深化對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和儀器設(shè)計(jì)思想的理解.當(dāng)然對(duì)于那些雷區(qū)內(nèi)的注意事項(xiàng)，不能讓學(xué)生“以身試法”.筆者發(fā)現(xiàn)采用師生換位的方式，讓學(xué)生給老師講解注意事項(xiàng)的內(nèi)容、原因及后果，也會(huì)收到很好的效果.學(xué)生一旦明白這些注意事項(xiàng)的本質(zhì)原因及其后果，就會(huì)在實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)守操作規(guī)程，警惕“雷區(qū)”，保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行.

事實(shí)上，有些課堂留白是根據(jù)教學(xué)目的和要求有意為之，有些則是教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況、學(xué)生的特點(diǎn)和興趣即興發(fā)揮.教師應(yīng)善于根據(jù)學(xué)生的個(gè)體差異和不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容選擇合適的教學(xué)策略，靈活運(yùn)用不同的教學(xué)方式，達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的.

4 結(jié)束語

把藝術(shù)留白的方法運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)，不僅有助于教師智慧的授業(yè)解惑，更有利于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和能力提高.教師要善于留白，巧用留白，給學(xué)生獨(dú)立思考的空間，自主探究的天地，施展?jié)撃艿奈枧_(tái)，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)探索的樂趣，獲得能力的提高和心智的成長.教材留白，留出好奇與期待；課堂留白，留出靈動(dòng)與精彩；課外拓展留白，留出收獲與成長.教師應(yīng)因時(shí)而異、因人而異，合理利用各種形式的留白，把握留白的時(shí)機(jī)和技巧，巧用留白，善用補(bǔ)白，在有限的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中達(dá)到最佳的教學(xué)效果.當(dāng)然，留白應(yīng)恰到好處，張弛有道，如果采用放羊式的“完白”或過多的留白也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果.

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[12] 王合英,陳宜保.清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)講義[Z].

[13] 王合英.清華大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)講義[Z].

[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Art of “white space” in experimental physics teaching

WANG He-ying, SUN Wen-bo, CHEN Yi-bao, ZHANG Liu-wan

(Department of Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

This paper described the purpose, method, and effects of “white space” in the experimental physics teaching process.Appropriate white space for students to fill in the teaching process could stimulate students’ interests to do the experiments, activate their enthusiasm for independent inquiry, cultivate their independent spirit and innovative thinking, and improve their comprehensive quality.

experimental physics teaching; art of white space; talent training

2017-03-07

項(xiàng)目資助：國家基礎(chǔ)科學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(No.J1210018)；教育部基礎(chǔ)學(xué)科拔尖學(xué)生培養(yǎng)試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目(No.20160204)；DIY近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)踐與研究(No.ZY01_02)資助項(xiàng)目

王合英(1965-)，女，山東單縣人，清華大學(xué)物理系副教授，博士，從事近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué).

G642.423

B

1005-4642(2017)05-0021-06