探索性实验的思考

探索性实验的思考

“创新是一个民族的灵魂”，在知识经济的社会中人的最重要的素质是创新能力。而物理是一门以观察和实验为基础的学科，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以严格的物理实验为基础，并受到实验的检验。因此在物理教学中，尤其是在实验教学中，通过实验激发学生的求知欲望，培养学生的能力，发展智力，特别在培养学生的观察能力、动手能力、创造能力、发散性思维及发挥个性、提高学生的整体素质方面有独特的作用。但是传统包办式的实验教学不利于学生创新能力的培养，探索性实验作为近年来崭露头角的一种新型实验，它在激发学生学习兴趣、训练动手操作能力，特别是在培养学生创造性思维能力方面有着很好的作用。

我们对探索性实验的定义是：由教师给出实验课题，提供实验器材，提出实验要求，让学生自己拟定实验方案，制订实验步骤，独立地通过实验的观测和分析去探索研究，从而发现“新”的物理现象，并通过建立物理模型来解释实验现象，总结出他们原来并不知道的规律性认识的实验。

探索性实验作为物理实验的一种形式，它既有别于测定性实验，又有别于一般的验证实验。探索性实验的目的在于使学生获得物理实验研究方法的训练，让学生接触探索、发明、发现的过程和方法。在探索发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验学者研究的苦衷和愉悦，培养他们的发现、探究能力。而要达到这种目的，首先要求教师树立正确会设计的指导思想。那么，探索性实验的设计应该该具备什么样的指导思想呢？瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给我们以很好的启示

皮亚杰认为，人的行为具有一种定向性平衡。本来处于平衡状态的图式，由于人与事物的相互作用而破坏了平衡状态，出现了不平衡，为此，人再进行反应又恢复平衡，这种重新达到平衡状态的心理反应过程，称为平衡化。平衡化又可分为同化和顺应两种形式。同化

是主体面临新的情境时，总是将新的知觉要素或刺激整合到原有的图式中，引起主体原有认知结构量的变化，以加强和丰富主体的动作；而当主体的图式不能同化客体时，主体只有改变原有图式或建立新的图式，引起主体认知结构发生质变才能适应或容纳新的刺激，这叫顺应。正是在同化、顺应的交替转换过程中，新的认识不断整合为更高级复杂的认知结构。

学生的心理发展，就是这种认知结构从平衡到不平衡再到新的平衡的过程。皮亚杰认为，引起儿童认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，才能激发儿童的求知欲和好奇心。按照他的平衡学说，冲突是认知结构重新组织和随后发展的基础。

探索性物理实验作为学生的一种积极主动的认识建构手段，其目的和作用不仅仅只是作为一般的建构手段，而是作为学生建构逻辑结构的手段。要达到这种目的，就要使学生在进行探索性实验时发生认知冲突。这要求探索性实验设计首先要足够“新颖”。正是这种“新颖”的刺激，才会激发学生对探索的兴趣，才能引起学生探索的欲望，才使得它与主体原有的“定势”相矛盾、相对立，才能产生认识上的不协调和冲突。比如，如果设计“测定没有系统误差存在时干电池的电动势和内电阻”的实验，要求学生自己设计电路、得出数据，并求出没有系统误差存在时电池的电动势与内电阻，就比高中教材上的实验“新颖”。

那么，设计的“新颖”要达到什么程度呢？这涉及一个“度”的问题，太弱的刺激由于不能引起认知上的不平衡，因而也就不能引起同化和顺应。相反，如果外部刺激超过主体认知结构同化的范围，那么同化和顺应都无法进行，主体的反应也无从谈起。这正如皮亚杰所说的那样：“一个人既不注意太熟悉的东西，因为已经司空见惯了，他也不注意太不熟悉的东西，因为和他图式中的任何东西都没有联系。”

为了引起学生认知上的冲突，引起最佳或最大限度的不平衡，探索性实验的设计还要遵循“适度”原则。“适度”是指设计既要与学生已有的知识经验有一定联系，同时又要有一

定的难度。这样的设计如同树上的果子一样，学生必须“跳一跳”才能摘下来，这样就最大限度地激发了学生的求知欲和好奇心。当他们依靠已有的知识解决了一个新问题时，往往会在紧张的智力劳动之后带来精神上的满足。这种求知欲满足后，又会产生新的刺激，激励他们进一步去探索新的课题，从而转化为学习上的一种内驱力。

概括以上两个方面可知，探索性实验的设计指导思想应该是“新颖、适度”。

探索性实验的涵义及相关理念

1．探索性实验的程序

探索性实验要求学生灵活、综合地运用所学的物理以及相关学科的知识和技能，完成如下的程序。一是准备、设计阶段：查阅资料，设计实验方案，选配实验仪器，拟定实验步骤；二是实验阶段：正确调节和使用仪器，观察现象，测量数据，思考和分析问题；三是小结阶段：可以以课题论文形式提交实验结果，也可以进行口头形式的交流讨论。

2．探索性实验选题的原则

探索性实验选题的原则，一般不要求突出实验内容的复杂性，课题只给出实验目的和要求，由学生根据目的要求去查阅资料，独立制订实验方案。提出分析解决问题的设想，然后在教师的指导下独立去解决，最后写出实验报告。

3．探索性实验分类

(1)从形式上可分为两种类型：第一，给定某种仪器设备，要求完成某一物理量的测定或某一物理现象的观察研究。课本中一些“做一做’’栏目中介绍的小实验，有些就是这种类型的设计性实验。如《平抛物体运动》中的“用尺测量玩具手枪子弹射出时的速度”。又如在“显示微小形变”小实验中，变换一下问题方式就可以成为此类设计性实验，可以提出问题：“给你一个大玻璃瓶，你如何通过实验来显示微小变形?”第二，只提测量要求，不限实验方法和所用仪器，完成某一物理量的测量任务。

(2)从内容上可以分为三种类型：第一，测量某一物理量的课题，如“怎样测量半圆柱形下玻璃砖的折射率”，由学生设计实验方案；第二，探讨研究和应用的课题，如“太阳能电池的应用”，由学生阅读相关材料后，对工作原理和应用前景进行了解分析；第三，研究测量方法的课题，要求设计一种实用的方法。例如，在用伏安法测电阻后，可以提出：“一位无线电修理工手边有最大阻值为50Ω的滑动变阻器R0和未知电阻Rx各一只，除用伏安法测量外，还有哪些方法能测出它的大小(器材自选)”的研究课题，让学生根据课题要求，设计出多种测量方法。

一、教学案例

实验课题：重力加速度的测定

1．课题的提出

重力加速度是物理学中最重要的常数之一，它在高中的物理学习章节里大量频繁出现，其数值的测定方法很多，有些方法在物理学发展史乃至在科学史上有重要的价值。请同学们根据所学知识以及了解的知识设计一种可行的实验方案。

涉及到重力加速度的知识点很多。静力学中的重力，运动学中的匀变速直线运动、自由落体运动、平抛运动等；在动力学中的牛顿运动定律，超重、失重、力的平衡、匀速圆周运动、万有引力定律、机械能守恒定律等；在电学、原子物理中带动粒子的受力也涉及到重力加速度。

2．探索实验的要求

(1)学生分为若干实验小组，根据所学知识作为实验原理，可以找到多种测量方法，但至少选择一种以上你认为切实可行的实验，进行具体详尽的方案设计。包含确定实验原理，选配实验器材，拟定实验步骤，提示重要操作事项等。