讓學(xué)生在“試錯—排錯”中逼近學(xué)習(xí)目標(biāo)——“回旋加速器”教學(xué)例談

肖建華

(江蘇省太倉高級中學(xué),江蘇太倉 215400)

現(xiàn)代著名科學(xué)家、哲學(xué)家波普爾在探索性演繹法基礎(chǔ)上提出了“試錯法”,揭示了科學(xué)的發(fā)展是通過不斷“試錯”、“排錯”的過程,即通過不斷為解決遭遇的問題而提出各種大膽的嘗試性猜想、再不斷地消除猜想中的錯誤而實(shí)現(xiàn)的.他提出了科學(xué)知識增長的四段論圖式:問題—試探性的解決辦法—排除錯誤—新問題.“試錯法”體現(xiàn)了科學(xué)是通過“從錯誤中學(xué)習(xí)”而不斷進(jìn)步的價值觀.

“回旋加速器”的教學(xué)如果沿用傳統(tǒng)的“講解原理,介紹結(jié)構(gòu)”的教法,很可能造成教師呆板地講、學(xué)生被動地聽的局面.學(xué)生所獲得的也只是些靜態(tài)的知識(現(xiàn)成結(jié)論),而那些蘊(yùn)含于研究過程中的動態(tài)知識(科學(xué)方法等),卻得不到應(yīng)有的開發(fā).本文以這節(jié)課的教學(xué)為例,談?wù)勅绾我詫W(xué)生為主體,引導(dǎo)學(xué)生在“試錯、排錯”中不斷逼近學(xué)習(xí)目標(biāo).

1 從“猜想”到“毛坯”——在問題情境中激發(fā)探究欲望

讓學(xué)生在問題情境中根據(jù)已有的背景知識提出可能解決問題的嘗試性設(shè)想,從中選擇一個或幾個“毛坯”——既含有一定的合理成分,也包含某些錯誤和待完善的設(shè)想,加以評價.

我們就從江蘇籍院士唐孝威的科普論文《開拓未來,有賴?yán)鳌氛勂?撞擊,對粒子來說,是一場毀滅性的災(zāi)難;撞擊,對高能物理學(xué)家來說,是發(fā)現(xiàn)新知識的時機(jī).為了研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu),科學(xué)家往往利用能量很高的帶電粒子作為“炮彈”去轟擊各種原子核,那么怎樣才能獲得高能粒子呢?

組織學(xué)生小組討論,要求他們根據(jù)已有的知識背景提出可能解決問題的嘗試性設(shè)想,每個小組基本上都能設(shè)計出“毛坯”方案——利用電場加速的直線加速器,如圖1所示.

圖1

圖2

2 從“毛坯”到“半成品”——在評價過程中改進(jìn)方案

針對“毛坯”方案,引導(dǎo)學(xué)生加以評價,找出并排除錯誤,得到一個較為合理的解決問題的設(shè)想 ——“半成品”.

自我質(zhì)疑:要獲得高能粒子,就必須盡量提高加速電壓,但實(shí)際能達(dá)到的電壓值總是有限的,用單級電場加速粒子,獲得的能量不夠大,只能達(dá)到幾十萬至幾兆 eV.如何突破電壓方面的限制,使帶電粒子獲得更大的能量呢?

試探性解決方案:用多級電場加速,如圖2所示.這樣每個電場極板間的電壓不必很高,就可使粒子逐步獲得足夠大的能量.

疑問是思維的源頭,問題是探究的中心.針對圖2的方案進(jìn)行自我質(zhì)疑:按圖2所示的方案,真能實(shí)現(xiàn)多級加速嗎?

發(fā)現(xiàn)新問題:這個方案不可能獲得高能量的帶電粒子!從圖2可以看出,在相鄰兩級加速電場的中間,還夾著一個反向電場,當(dāng)帶電粒子通過它們時,將會受到阻礙作用.那么,如何消除這種減速電場的影響呢?

3 從“半成品”到“成品”——在“試錯-排錯”中逼近學(xué)習(xí)目標(biāo)

能否尋找一種既可使帶電粒子實(shí)現(xiàn)多級加速,又不必增加設(shè)備長度的方法呢?

學(xué)生們豁然開朗:外加磁場!利用帶電粒子在勻強(qiáng)磁場中做圓周運(yùn)動的特點(diǎn),可使它重返電場,再次得到加速.

圖3

圖4

解決方案:如圖 3、圖 4所示,設(shè)位于加速電場中心的粒子源發(fā)出一帶正電的粒子,以速率v0垂直進(jìn)入勻強(qiáng)磁場中,當(dāng)它在磁場中運(yùn)動半周后到達(dá) A處時,電源的極性應(yīng)是“A處正A′處負(fù)”,粒子被電場加速,速率從 v0增加到v1,在磁場中運(yùn)動半周到 A′處,此時應(yīng)為“A處負(fù)A′處正”,使粒子再次加速,速率從 v1增加到 v2……以后的情形就以此類推了.因此,電場的作用是使粒子加速,磁場的作用則使粒子回旋,兩者的分工非常明確,同時它們又配合得十分默契,電源交替變化1周,粒子被加速2次,并恰好回旋1周,這正是確保加速器正常運(yùn)行的同步條件.

需要解決的新問題:假如要設(shè)計一臺能使帶電粒子獲得更高能量的回旋加速器,還需要采用哪些措施呢?學(xué)生們有如下一些解決方案.

甲生:可以提高電源的電壓.由公式Ek=qU可知,電壓值大了,粒子獲得能量也就大了.

乙生:還可以加大D形盒的半徑.使帶電粒子有更大的回旋余地,隨著加速次數(shù)的增多,粒子具有的能量也就大了.

丁生:認(rèn)為甲生的說法不對.因?yàn)樘岣吡穗娫吹碾妷汉?盡管可以使粒子每次加速獲得的能量增大,但相應(yīng)的回旋半徑也要增大,這又會使得加速次數(shù)減少,最后粒子的總能量不見得就大.

針對學(xué)生以上提出的幾個試探性解決方案,教師及時引導(dǎo)學(xué)生自我評價、自我修正,促使他們在不斷的“試錯-排錯”中逼近學(xué)習(xí)目標(biāo).

讓學(xué)生在不斷的“試錯-排錯”中逐步逼近學(xué)習(xí)目標(biāo),體現(xiàn)了“教師為引導(dǎo),學(xué)生為主體,過程為主線”的教學(xué)理念,把教材內(nèi)容有機(jī)地劃分成若干個探究階段,引導(dǎo)學(xué)生自我發(fā)現(xiàn)問題、嘗試性地提出解決問題的方案,并進(jìn)行自我評價、自我改進(jìn).在教學(xué)過程中,解決問題的思路由學(xué)生講,優(yōu)劣由學(xué)生辨,解決問題的方案由學(xué)生提,既有學(xué)生的積極參與、拾級攀登,又有教師的點(diǎn)撥引導(dǎo)、及時調(diào)控.通過師生雙邊的信息交流,不斷地將教學(xué)活動引向深入,使學(xué)生在獲取新知的同時,還親身體驗(yàn)科學(xué)研究的思想方法,從而進(jìn)一步培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng).

1 王琴.淺析卡爾?波普爾的證偽主義原則.當(dāng)代學(xué)術(shù)論壇,2009(4).

2 謝振華.波普爾.“四段論的試錯法”的價值.北京教育(高教版),2005(10).

3 吳曉江.創(chuàng)新價值觀是創(chuàng)新文化的核心要素.文匯報,2009-08-03.