物理教學(xué)實驗的“原型”及設(shè)計原理

母小勇

(蘇州大學(xué)教育學(xué)院,江蘇蘇州 215123)

教育部制訂的《全日制義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(實驗稿)(以下簡稱《課標(biāo)》)于 2001年7月正式頒布,對全面推進素質(zhì)教育、拓寬學(xué)生學(xué)習(xí)的時空領(lǐng)域和個性發(fā)展的空間提供了基本保障.《課標(biāo)》首次闡述了“科學(xué)探究”學(xué)習(xí)方式和“過程與方法”課程目標(biāo),認(rèn)為只有學(xué)生經(jīng)歷了觀察物理現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)物理問題、物理科學(xué)探究和交流討論的過程,才能夠領(lǐng)悟物理學(xué)的探究方法和發(fā)展能力,才算真正學(xué)習(xí)了物理和學(xué)會了物理.由于物理學(xué)以實驗為基礎(chǔ)、以實驗為內(nèi)容,所以,物理課程的經(jīng)驗和探究活動都以物理教學(xué)中的實驗活動為基本形式.我們把物理課程中設(shè)計的物理實驗稱為“物理教學(xué)實驗”,以區(qū)別于物理學(xué)家曾經(jīng)做過的物理實驗.按照《課標(biāo)》的精神和要求,目前已經(jīng)通過審定并正式出版的六套義務(wù)教育初中物理教科書都力圖把以“物理教學(xué)實驗”為中心的“科學(xué)探究”作為課程的主要內(nèi)容.因此,物理教師必須清楚教科書中設(shè)計的“物理教學(xué)實驗”的教育價值,充分挖掘其科學(xué)與人文教育價值.每一個中學(xué)“物理教學(xué)實驗”的內(nèi)在價值決定于它是根據(jù)什么設(shè)計的,決定于它是基于什么考慮設(shè)計的.中學(xué)“物理教學(xué)實驗”不是憑空設(shè)計的,總有這樣或那樣的“原型”.要最大限度地發(fā)揮“物理教學(xué)實驗”的功能,物理教師必須知道并理解其“原型”,從“原型”發(fā)現(xiàn)并凸顯這些中學(xué)“物理教學(xué)實驗”所包含的豐富的科學(xué)與人文教育價值,以實現(xiàn)《課標(biāo)》提出課程目標(biāo).

1 “物理教學(xué)實驗”的“原型”

我們知道,在初中物理課程中,任何物理概念、物理定律和物理原理都直接來源于物理學(xué),都能夠找到物理學(xué)家早期關(guān)于這些概念、定律和原理的觀點以及他們思考的路徑.也就是說,初中物理課程所設(shè)計的概念形成和探究原理的過程都是以物理學(xué)發(fā)展過程中形成概念和探究原理的軌跡為“原型”.那么,初中物理課程所設(shè)計的“物理教學(xué)實驗”是否也是物理學(xué)家曾經(jīng)做過的呢?這是一個值得物理教師關(guān)注的問題.物理學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的,更是以實驗為內(nèi)容的.只有物理教師知道了教科書設(shè)計“物理教學(xué)實驗”的依據(jù)是什么和是怎樣設(shè)計出來的,才能夠最大限度地利用這些實驗去培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生,進而自己開發(fā)和設(shè)計新的教學(xué)實驗;只有讓學(xué)生清楚了物理教學(xué)實驗的來龍去脈,才能夠真正理解物理學(xué),才能真正學(xué)會進行物理實驗.筆者認(rèn)為,經(jīng)典的初中甚至高中“物理教學(xué)實驗”都來自3個方面的“原型”.

1.1 物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律時設(shè)計并完成的經(jīng)典實驗

跟中學(xué)物理概念、原理一樣,絕大多數(shù)經(jīng)典的初中甚至高中“物理教學(xué)實驗”都能夠找到對應(yīng)的物理學(xué)家曾經(jīng)做過的“原型”實驗.依據(jù)這些“原型”實驗,后繼的物理學(xué)家一般則按照其思路進行進一步的探索.這些“原型”實驗就逐步被改造成為中學(xué)、大學(xué)的“物理教學(xué)實驗”.例如,中學(xué)“探究歐姆定律”實驗就是完全按照歐姆(Georg Simon Ohm)發(fā)現(xiàn)歐姆定律過程中所做的實驗設(shè)計的,中學(xué)“探究光的折射規(guī)律”實驗也是完全按照托勒玫(Claudius Ptolemaeus)光的折射實驗設(shè)計的.一些新課程初中物理教科書采用冰來進行“探究熔化和凝固的特點”實驗,這恰巧符合布萊克(Joseph Black)等人最初用冰探究熔化和凝固的特點所做的實驗.中學(xué)“水的低壓沸騰”實驗與格里克(Otto von Guericke)用黃銅泵抽取裝水的密閉木桶聽到沸騰噪聲的實驗也有直接的關(guān)聯(lián),中學(xué)“水和酒精混合”實驗則是對攝爾修斯(Anders Celsius)曾經(jīng)將水和硫酸混合后發(fā)現(xiàn)混合物體積減少了的實驗的改造.可見,這些“物理教學(xué)實驗”與“原型”實驗幾乎如出一轍.

以中學(xué)物理“水的低壓沸騰”實驗為例,可以清楚地體驗到“物理教學(xué)實驗”與“原型”實驗之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系.

1660年玻意耳(Robert Boyle)出版的《關(guān)于空氣的彈性及其物理力學(xué)的新實驗》一書論證了壓強對水的沸點的影響,指出當(dāng)使周圍的空氣稀薄時熱水就能沸騰起來.即當(dāng)熱水上方的氣壓降低時,水的沸點會降低.這就是所謂水的低壓沸騰.德國實驗物理學(xué)家格里克(Otto von Guericke)曾經(jīng)在1684年用黃銅泵抽取裝滿水的密閉的木桶,希望形成真空.在抽水的過程中,格里克聽到一些噪聲,他認(rèn)為桶內(nèi)剩余的水似乎在沸騰.實際就是因為水上方的氣壓降低后水的沸點降低了,產(chǎn)生了水的低壓沸騰現(xiàn)象.隨著抽水的繼續(xù)進行,由于木桶開始漏氣,空氣進入木桶,格里克發(fā)現(xiàn)噪聲沒有了.即進入木桶內(nèi)的空氣使水上方的氣壓增加,水的沸點又升高到平常狀態(tài),水的沸騰就停止.

我國在 1978、1986和1990年頒布的教學(xué)大綱中,開始要求用演示實驗研究“沸點跟壓強有關(guān)系”.雖然《課標(biāo)》對水的低壓沸騰實驗沒有明確要求,只是作為大氣壓強在日常生活中的應(yīng)用的內(nèi)容要求學(xué)生了解.但是,水的低壓沸騰實驗的確具有重要的教育價值,因此,有些版本的教科書仍然安排了水的低壓沸騰這一演示實驗.上?？萍汲霭嫔?、廣東教育出版社出版的8年級下冊新課程教科書中就設(shè)計了用燒瓶做水的低壓沸騰實驗.[1]這本教科書幾乎完全按照格里克的探究過程設(shè)計了兩個小實驗:(1)增大液體上方的氣壓,使原來沸騰的水不沸騰;(2)減小液體上方的氣壓,使原來不沸騰的水沸騰.江蘇科技出版社出版的8年級下冊新課程教科書中也安排這一實驗.[2]采用了澆冷水的方法使倒置燒瓶水面上方氣壓減小,讓學(xué)生觀察水重新沸騰的現(xiàn)象.

1.2 生產(chǎn)生活中的物理現(xiàn)象或產(chǎn)生認(rèn)知沖突的事實

物理學(xué)就在我們身邊,生產(chǎn)生活中大量存在與物理有關(guān)的現(xiàn)象和事實.為了讓學(xué)生形成物理概念、掌握物理規(guī)律,物理課程往往將一些學(xué)生容易產(chǎn)生認(rèn)知沖突的現(xiàn)象或事實設(shè)計成“物理教學(xué)實驗”.例如,皮亞杰(Jean Piaget)在研究兒童守恒概念形成的實驗中,利用兒童容易產(chǎn)生認(rèn)知錯誤的守恒概念,設(shè)計了與現(xiàn)在中學(xué)物理課程中“質(zhì)量是物體的屬性”實驗類似的心理學(xué)實驗.中學(xué)“探究平面鏡成像特點”實驗的設(shè)計則完全依據(jù)了兒童可能產(chǎn)生的認(rèn)知沖突:兒童希望在鏡子后面找到另一個自己形象,結(jié)果根本找不到.因此,這一中學(xué)“物理教學(xué)實驗”被設(shè)計成用兩支同樣的蠟燭和一塊透明玻璃板進行實驗,以比較物體和它的虛像,并同時可以看到物體和它的虛像.類似的中學(xué)“物理教學(xué)實驗”還很多.又例如,中學(xué)“觀察光的折射現(xiàn)象”實驗與生活中筷子在碗中水里看上去被“折彎”的現(xiàn)象和硬幣在杯子注滿水后“消失”的現(xiàn)象,中學(xué)“用牙齒聽聲音”實驗與貝多芬(Ludwig van Beethoven)作曲過程中的“聽”聲音的事實,中學(xué)“保險絲的作用模擬”實驗與現(xiàn)實生活中的短路現(xiàn)象等.

以中學(xué)物理“用牙齒聽聲音”實驗為例,可以知道生活中學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的現(xiàn)象或事實往往可以作為設(shè)計“物理教學(xué)實驗”的“原型”.

德國音樂家貝多芬很早就顯露了音樂上的才能,8歲開始登臺演出.1792年他到維也納深造之后,藝術(shù)就突飛猛進.但是,他26歲時不幸患了中耳炎,1820年兩耳完全失聰,這對音樂家來說無疑是致命的.貝多芬并沒有屈服.他說:“我要扼住命運的咽喉,它決不能使我完全屈服.”貝多芬1824年創(chuàng)作了《第九交響曲》,這是他最杰出的作品.他用牙齒咬住一根小木棒的一端,將另一端插進鋼琴內(nèi),借著鋼琴弦的振動來獲得聽覺,就這樣憑著他堅強的意志,用了6年時間完成了這一偉大創(chuàng)作.這個特別的“聽音器”至今還保存在波恩貝多芬博物院里.貝多芬實際上是利用了聲音通過“骨傳導(dǎo)”方式傳播“聽”到自己的華美樂章的.

我國建國后的歷次教學(xué)大綱均沒有提出“用牙齒聽聲音”實驗要求,只用文字和圖示介紹人類聽到聲音的過程和骨傳導(dǎo)的原理.人民教育出版社出版的8年級上冊新課程教科書就設(shè)計了“用牙齒聽聲音”這一學(xué)生“邊學(xué)邊實驗”.[3]該教科書首先讓學(xué)生通過實驗知道用手堵住耳朵,切斷了聲音通過空氣傳播,不能夠聽見聲音.接著,讓學(xué)生模仿貝多芬“用牙齒聽聲音”,體會失去聽覺的人怎樣利用骨傳導(dǎo)來“聽”聲音.

1.3 科學(xué)技術(shù)應(yīng)用活動中的物理現(xiàn)象或產(chǎn)生認(rèn)知沖突的事實

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,往往也會帶來物理教學(xué)方法和媒體的變革.為了讓學(xué)生理解物理原理,物理課程經(jīng)常利用科技手段,采用更加形象、生動的方式幫助學(xué)生理解抽象的物理規(guī)律.這類“物理教學(xué)實驗”的突出特點是,既引起學(xué)生的認(rèn)知沖突,也為學(xué)生揭示物理規(guī)律.例如,聲波看不見摸不著,為了讓學(xué)生直觀地認(rèn)識聲波,中學(xué)教科書設(shè)計了用示波器“觀察聲波的波形”的實驗,這里顯然利用了示波器音頻信號顯示技術(shù)或“原型”.利用光纖的原理,設(shè)計了中學(xué)“光沿水流傳播”實驗,幫助學(xué)生理解全發(fā)射現(xiàn)象,生動地展現(xiàn)了光纖通信的過程.

以中學(xué)物理“觀察聲波的波形”實驗為例,可以發(fā)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)“原型”對設(shè)計“物理教學(xué)實驗”的重要性.

現(xiàn)在示波器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科研、教學(xué)、醫(yī)療和生活等領(lǐng)域,是人們分析、研究裸眼不可見信號及變化的不可或缺的工具.其特點是既能觀察、研究各種電信號及變化,更能將各種非電子信號及變化轉(zhuǎn)化為電信號及變化,以便人們分析、探究.在醫(yī)院,醫(yī)生通過示波器將患者心臟的微弱電磁波或腦部微弱的電磁波及其變化,“直觀”地在顯示屏上呈現(xiàn)出來,這就是心電圖、腦電圖.雷達的核心裝置就是一個靈敏的示波器.借助示波器等機電設(shè)備,可準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)物的距離、方位、高度與速度以及是什么物體等有用的信息.這就是“用示波器顯示聲波”實驗的技術(shù)“原型”.

我國建國后的歷次教學(xué)大綱均沒有提出“用示波器顯示聲波”的實驗要求.雖然示波器是一種學(xué)生以前沒有接觸過的圖形顯示設(shè)備,但是,現(xiàn)代生活里示波器聲音波形信號的應(yīng)用并不少見:很多家用音響、錄音機、計算機上都有音樂波形的直觀顯示(包括聲音信號的波形、振幅、周期、頻率、音色的變化圖線),這是我們身邊的示波器應(yīng)用現(xiàn)象.現(xiàn)在,幾乎所有新課程初中物理教科書都設(shè)計了用話筒將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號,再由示波器顯示出描繪電信號的波形曲線,從而“觀察聲波的波形”.當(dāng)學(xué)生在活動中看到自己發(fā)出的聲音可以變成示波器顯示的波形,將大大激發(fā)他們的興趣.

2 凸顯物理教學(xué)實驗“原型”的價值

《課標(biāo)》在突出物理課程的科學(xué)價值的基礎(chǔ)上,也重視物理課程的人文價值,倡導(dǎo)以“公開的科學(xué)”與“個人的科學(xué)”的整合為依據(jù)設(shè)計物理課程內(nèi)容(特別是物理科學(xué)探究活動).所謂“公開的科學(xué)”,是以科學(xué)專著、刊物、教科書等媒介公開出版的科學(xué)文本和人們能夠直接感受到的以實物成果形式呈現(xiàn)的科學(xué)產(chǎn)品,但是這些科學(xué)文本和產(chǎn)品很少揭示科學(xué)的來源(科學(xué)研究者也包括科學(xué)學(xué)習(xí)者早期非常規(guī)的思考、探索的艱辛和激動人心的高峰體驗等);“個人的科學(xué)”則是科學(xué)研究者也包括科學(xué)學(xué)習(xí)者個人層面的、常規(guī)的和非常規(guī)的思考、判斷和體驗,雖然不一定非常成體系,但是它可以揭示科學(xué)的來源.學(xué)生要學(xué)習(xí)真實的科學(xué),就要從“公開”和“非公開”的科學(xué)現(xiàn)象的整體中把握“公開的科學(xué)”,體驗科學(xué)研究者“個人的科學(xué)”并形成學(xué)生“個人的科學(xué)”.義務(wù)教育階段,物理課程當(dāng)然要強調(diào)“雙基”的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,但更要注重科學(xué)過程和科學(xué)方法的學(xué)習(xí).要實現(xiàn)學(xué)生從“學(xué)會物理”到“會學(xué)物理”的轉(zhuǎn)變,其核心是把“公開的物理學(xué)”和人類先驅(qū)的“個人的物理學(xué)”結(jié)合開展物理教學(xué)活動,最終把它們轉(zhuǎn)化為學(xué)生“個人的”思考、判斷和體驗——學(xué)生“個人的物理學(xué)”.

《課標(biāo)》認(rèn)為,科學(xué)探究對學(xué)生來講不僅僅是學(xué)習(xí)的方法,更是學(xué)習(xí)的內(nèi)容;科學(xué)探究對教師來講不僅僅是教學(xué)的一種模式或策略,更是教學(xué)的內(nèi)容.學(xué)生科學(xué)探究的本質(zhì)是,不僅僅要讓學(xué)生歷經(jīng)類似于人類先驅(qū)們探究物理世界的科學(xué)活動,體驗他們“個人的物理學(xué)”,還要讓學(xué)生從歷經(jīng)、體驗轉(zhuǎn)化為自己的經(jīng)驗和自己的“個人的物理學(xué)”,在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上加深對物理科學(xué)的熱愛.這些觀念的轉(zhuǎn)變也是基于對“科學(xué)”的新的理解:“科學(xué)”首先是一種“產(chǎn)品”,是一個具有嚴(yán)密結(jié)構(gòu)的知識體系;其次,“科學(xué)”是一個過程,它是一系列的科學(xué)探究活動、環(huán)節(jié)組成的流程和歷史,它包括提出問題、猜想與假設(shè)、制定計劃與設(shè)計實驗、進行實驗與收集證據(jù)、分析與討論、評估、交流與合作等基本環(huán)節(jié);最后“科學(xué)”是一種人類活動,是人與自然的對話.將科學(xué)探究作為課程的內(nèi)容,旨在使學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人,引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷與科學(xué)工作者進行科學(xué)探究時的相似過程、體驗科學(xué)探究的樂趣、學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法與基本程序和領(lǐng)悟科學(xué)的思想和精神.

絕大多數(shù)“物理教學(xué)實驗”的“原型”都是第1類“原型”——物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律時設(shè)計并完成的經(jīng)典實驗.這些“原型”包含著物理學(xué)家“個人的物理學(xué)”.因此,這些“原型”充滿了巧奪天工的智慧、堅韌不拔的執(zhí)著、審美的情懷和浪漫的色彩.如果能夠在進行“物理教學(xué)實驗”的過程中讓學(xué)生了解這些“原型”的內(nèi)容與過程,無疑會產(chǎn)生意想不到的教育效果.所以,凸顯“物理教學(xué)實驗”的“原型”既是實現(xiàn)物理課程科學(xué)與人文教育價值的重要途徑之一,也是實現(xiàn)“公開的物理學(xué)”與“個人的物理學(xué)”整合極好的結(jié)合點.

凸顯“物理教學(xué)實驗”的“原型”,就是讓學(xué)生了解“原型”實驗的內(nèi)容與過程,就是讓學(xué)生知道“原型”實驗的目的與思路,從而清楚物理實驗的方法、過程和設(shè)計思想,進而理解物理實驗在物理學(xué)發(fā)展中的地位和作用、物理學(xué)在人類社會發(fā)展中的功能.通過凸顯“物理教學(xué)實驗”的“原型”,可以讓學(xué)生了解物理學(xué)、物理實驗、物理現(xiàn)象就在他們身邊,他們?nèi)粘５纳钪芯桶罅康奈锢憩F(xiàn)象、過程和原理;通過凸顯物理教學(xué)實驗的“原型”,讓學(xué)生知道他們學(xué)習(xí)的物理課程具有廣泛的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用前景.而最重要的是.通過凸顯“物理教學(xué)實驗”的“原型”,可以讓學(xué)生了解物理學(xué)家當(dāng)時是怎樣思考的和怎樣設(shè)計探究實驗的,讓學(xué)生體會物理學(xué)家當(dāng)時設(shè)計探究實驗時的繼承、創(chuàng)新、艱辛、快樂、靈感,使學(xué)生獲得觀點、方法的啟發(fā).

以中學(xué)物理“探究電流的磁效應(yīng)”實驗為例,可以清楚地看到這個“物理教學(xué)實驗”的“原型”是怎樣充分展示奧斯特(Hans Christian Oersted)“個人的物理學(xué)”.

電流的磁效應(yīng)是電流的基本效應(yīng)之一.丹麥物理學(xué)家奧斯特于1820年通過實驗首先發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng).一開始,奧斯特采用類比推理的方法進行電流效應(yīng)的分析:電流通過直徑較小的導(dǎo)線時會發(fā)熱,這是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電流的熱效應(yīng);如果繼續(xù)減小導(dǎo)線的直徑,或增加伽伐尼(Luigi Galvani)電池的金屬板的對數(shù),通電導(dǎo)線還會發(fā)光;假設(shè)導(dǎo)線的直徑再減小,或再增加伽伐尼電池的金屬板的對數(shù),通電導(dǎo)線就還會產(chǎn)生磁.由于電流通過導(dǎo)線時產(chǎn)生的熱和光是向四周發(fā)射的,奧斯特也猜想,在電流的橫向可能產(chǎn)生磁效應(yīng).為了驗證這一假設(shè),他設(shè)計了一個實驗:在桌面放置一個用玻璃罩蓋著的磁針,將一根細鉑金絲放在磁針上面,此鉑金絲與伽伐尼電池相連,然后觀察通電后磁針有沒有運動.由于偶然的原因,他一直沒有試做這個實驗.后來在一次演講中,奧斯特按照電流的橫向可能產(chǎn)生磁效應(yīng)的設(shè)想,先使磁針跟導(dǎo)線垂直(即東西方向放置導(dǎo)線),結(jié)果當(dāng)電流通過導(dǎo)線時磁針卻一動不動,實驗未能得到預(yù)期的結(jié)果.在演講快結(jié)束時,奧斯特靈機一動進行了另一種嘗試:讓我把導(dǎo)線跟磁針平行放置(即南北方向放置導(dǎo)線)來試試看!當(dāng)電流通過導(dǎo)線時,導(dǎo)線下面與導(dǎo)線平行放置的小磁針真的發(fā)生了擺動.由于小磁針擺動得非常微弱,聽講者沒有太大的印象.演講結(jié)束后,奧斯特十分喜悅.他連續(xù)工作了近3個月,試驗在各種情況下電流對小磁針的作用.他先后在通電導(dǎo)線與小磁針之間放置玻璃、金屬、木頭、水、陶瓷、樹脂等介質(zhì),都發(fā)現(xiàn)電流對小磁針發(fā)生了作用.1820年7月21日,他把研究成果寫成一篇題為“作用在磁針上的電流碰撞的實驗”的論文.這個實驗后來一直被各類物理教學(xué)所“復(fù)制”.

3 “物理教學(xué)實驗”的設(shè)計思路

從前面的分析可以看出,“物理教學(xué)實驗”不完全是“復(fù)制”物理學(xué)家曾經(jīng)做過的“原型”實驗,也不是直接把生產(chǎn)生活場景搬到課堂,更不是用越高科技的精密儀器進行教學(xué)實驗越好.“物理教學(xué)實驗”總是要利用現(xiàn)代教育理念、心理學(xué)原理和現(xiàn)代媒體技術(shù)對“原型”進行加工和改造:或進行“復(fù)制”、或進行“模擬”、或進行“修正”、或進行“簡化”.總之,“物理教學(xué)實驗”遵從簡約性、工具性、可操作性、可理解性和趣味性.例如,中學(xué)“探究磁場對電流的作用”實驗就是對安培(André-Marie Ampère)實驗“原型”的改造:利用學(xué)生已經(jīng)有磁場的概念,將直導(dǎo)線的磁場改為蹄形磁鐵提供近似的勻強磁場,避免討論電流之間的相互作用,突出了磁場對電流的作用.為了保證“物理教學(xué)實驗”在課堂中成功,教師往往要從物理學(xué)的角度研究成功的條件.例如,根據(jù)克拉珀龍(Benoit Pierre Emile Clapeyron)方程,可以對中學(xué)“低壓沸騰實驗”進行控制,找到實驗成功的條件,保證實驗成功.因此,教師進行的演示實驗、學(xué)生進行的“邊學(xué)邊實驗”和實驗探究活動,都必須為學(xué)生提供清晰的物理現(xiàn)象和科學(xué)的實驗結(jié)果.“物理教學(xué)實驗”在“復(fù)制”、“模擬”、“修正”或“簡化”“原型”物理實驗的過程中,必須考慮能不能引起學(xué)生興趣,必須考慮是不是有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察和實驗?zāi)芰?必須考慮怎樣培養(yǎng)他們實事求是的科學(xué)態(tài)度.例如,中學(xué)“覆杯實驗”主要幫助學(xué)生理解“大氣壓強”概念;中學(xué)“測算小燈泡的電功率實驗”主要讓學(xué)生掌握物理操作、測量和處理數(shù)據(jù)的技能;中學(xué)“探究凸透鏡成像規(guī)律實驗”主要讓學(xué)生經(jīng)歷探究過程;中學(xué)“探究歐姆定律實驗”可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)控制變量的研究方法.

以中學(xué)物理“探究保險絲的作用”實驗為例,可以清楚地看到“物理教學(xué)實驗”的設(shè)計思路.

中學(xué)物理“探究保險絲的作用”實驗的“原型”是愛迪生(Thomas Alva Edison)的實驗和現(xiàn)代社會中常用的電路保護裝置.中學(xué)物理仍然用保險絲(熔絲)進行實驗.保險絲最早的發(fā)明者是愛迪生.[4]他在研究白熾燈的過程中發(fā)現(xiàn)鉑和類似鉑的金屬具有電阻高、散熱慢的特性,于是選用鉑絲作為燈絲的材料.為了保護燈絲,愛迪生將兩根鉑絲繞成雙螺旋形,中間插入一支金屬棒,鉑絲通過電流時,金屬棒可以作為調(diào)節(jié)器:當(dāng)鉑絲的溫度接近其熔點時,金屬棒由于受熱膨脹,造成電路短路,燈泡熄滅;燈泡的溫度降低過程,鉑絲隨之冷卻,金屬棒也隨之收縮,于是燈泡又亮了,這是熔絲的“原型”,起到保護白熾燈的作用.后來愛迪生用可伸縮的膜來替代金屬棒調(diào)控電路通斷、調(diào)節(jié)鉑絲溫度.在日常生活中,有時家里的用電器全部啟用或某一用電器啟用時可能出現(xiàn)斷電的現(xiàn)象,究其原因是電路中的熔絲起到關(guān)鍵性作用.在現(xiàn)代家庭、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)活動中,我們早已不用傳統(tǒng)的方式進行電路保護了,而采用學(xué)生不容易觀察到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一體化裝置.同時,出于安全和直觀的考慮,“物理教學(xué)實驗”不用220V的市電讓學(xué)生進行實驗,也不用一體化電路保護裝置讓學(xué)生探究.

我國從1956年起,歷次教學(xué)大綱均要求用實驗演示研究保險絲的作用.《課標(biāo)》對保險絲作用的實驗并沒有明確的要求,而是要求學(xué)生了解家庭電路和安全用電知識,有安全用電的意識.新課程初中物理的“探究保險絲的作用”實驗仍然按照愛迪生的發(fā)明思路設(shè)計,利用低壓電源,采用保險絲(熔絲)熔斷來“模擬”實驗.一般要求學(xué)生了解生活中熔絲熔斷的兩種可能性:短路熔斷和過載熔斷,也可以讓學(xué)生了解為什么不能用銅絲替代保險絲,還可以讓學(xué)生體會到短路的危害.現(xiàn)在,幾乎所有新課程初中物理教科書都設(shè)計了“探究保險絲的作用”實驗.

當(dāng)“物理教學(xué)實驗”凸顯了“原型”的思想、方法和過程,就使得它具有了豐富的人文教育價值,就可以利用它來培養(yǎng)學(xué)生的人文素養(yǎng).例如,中學(xué)“用牙齒聽聲音實驗”、“雞蛋浮沉實驗”、“小孔成像實驗”、“模擬閃電實驗”、“長短蠟燭實驗”[5]就包含許多人文教育價值,中學(xué)“探究擺的奧秘實驗”、“探究裝滿水的杯子里還能放多少回形針實驗”、“探究電磁感應(yīng)現(xiàn)象實驗”和“探究導(dǎo)體電阻跟哪些因素有關(guān)實驗”就包含許多培養(yǎng)科學(xué)探究精神和方法的教育價值.當(dāng)“物理教學(xué)實驗”凸顯了“原型”的思想、方法和過程,就有利于培養(yǎng)學(xué)生樹立尊重科學(xué)、尊重實驗事實的科學(xué)求實態(tài)度,形成理論來源于實踐而又指導(dǎo)實踐的辯證唯物主義觀點;就有利于培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真、細心、有條理、有層次的實驗心理素質(zhì),養(yǎng)成良好的勤于動手、仔細觀察(觀察現(xiàn)象和讀數(shù)等)、嚴(yán)格操作的習(xí)慣.總之,充分利用“物理教學(xué)實驗”的“原型”,可以全方位提高學(xué)生人文素養(yǎng).

1 華東地區(qū)初中物理教材編寫組.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教科書 物理(8年級下冊).上海:上海科技出版社,廣州:廣東教育出版社,2003.

2 義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教科書 物理(8年級下冊).南京:江蘇科技出版社,2007.

3 課程教材研究所,物理課程教材開發(fā)中心.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)教科書 物理(8年級上冊).北京:人民教育出版社,2006.

4 王忠良.愛迪生傳:光明天使發(fā)明奇才.沈陽:沈陽出版社,1997.