对探索性实验的思考

探索性实验作为近年来教学中的一种新型实验，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，引起广大物理教育工作者的关注。

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性实验。探索性实验的目的在于使学生获得物理实验研究的方法训练，让学生体验探索、发现的过程。在探索发现的过程中，发展学生理性的、批判的思想方法，体验探索发现的愉悦，培养他们发现和探究的能力。

一、探索性实验指导思想的剖析

探索性实验之所以有别于一般的实验，就在于实验指导思想的不同。如何理解探索性实验的的指导思想，瑞士心理学家皮亚杰的发生认识论理论可以给出很好的启示。

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彼此之间的平衡状态，出现了不平衡。为此，人会再进行一系列的反应，使人与周围事物再度恢复平衡，人的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。正是在同化和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。所以，探索性实验的指导思想就是使学生的认知心理不断被打破，随之产生探索的欲望。

二、探索性实验设计首先要“新颖”

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，而是要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，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，这样的实验设计就比高中教材上的实验要新颖。

那么，设计的“新颖”要达到什么程度？这涉及到一个“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，那么同化和顺应也都无法进行，主体的反应就无从谈起。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。”

三、探索性实验设计要遵循“适度”原则

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，往往在紧张的智力劳动之后会带来精神上的满足。这种求知欲满足又会产生新的刺激，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。

四、探索性实验实例——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，它在高中物理学习的各章节里频繁出现。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发展史上都有重要的价值。让学生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，例如，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，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，以及电学、原子物理学中带动粒子的受力等诸多知识点，都涉及到重力加速度。

2.探索实验的要求

（1）学生分为若干实验小组，以所学知识作为实验原理可以找到多种测量方法，但至少要选择一种以上切实可行的方法进行具体详尽的方案设计。

（2）实验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、正确调节和使用仪器、观察现象、测量数据等若干环节。

（3）提交实验结果，并对所设计方案在实验中出现偏差或误差的原因进行分析。注意实验的可行性和实验价值的分析与评估。

3.探索实验的互动

（1）从方案设计到实验总结，均以学生自主完成为主。当存在疑惑较大时，师生间可以讨论，教师可给予适当指导。

（2）开放实验室，提供学生较熟悉的一些仪器，如秒表、光电计时装置、打点计时器、电火花计时器、单摆装置等。

4.探索性实验的反思

（1）对各小组的设计方案及实验结果进行对比分析，从实验的新颖性、可行性、实用性、先进性、设计方法价值等方面作出评价。

（2）查阅资料，了解一种比较精确的测定重力的加速度方法——凯特摆测量法，思考其设计思想在科学史上有何重要价值。

5.探索性实验的设计说明

（1）本课题极富开放性和挑战性。设计方案时，要求学生提出尽可能多的设想，再根据时间和条件，实践一两种方案。有的实验无条件进行，也可以提出各种新的设想，这是创新思维训练的有效模式。由于课题较熟悉，要设计一个方案并不难，但是难就难在如何设计一个好方案。一个好的方案，好在测量方法新颖、准确可行等方面。

（2）在课题研究中，学生利用所学知识设计方案，如自由落体知识、物体在斜面上由静止滑下的测量等。仅仅是自由落体的实验就有多种不同的方案，如通过光电门装置来测物体下落时间，或者通过打点计时器所打的纸带来计算g。同一方案为了更准确测量，可以采用不同的测量方法。

（2）设计中的反思促使创新意识转化为创新能力。书面知识和实际操作之间存在巨大差异，想到一套好的方案并不等于有了实际操作的可行性。因此，应鼓励学生在探索实验中不断对比、反思、借鉴，通过对测量手段的优化创新来提高实验的可行性。如有不少学生在方案中采用多次测量或图表的方法来减少偏差和误差，正确使用精密仪器，如光电计时装置、电火花计时器等来保证测量的准确度。

（3）为了启迪学生设计创新实验，案例中提供“凯特摆”的设计作为学习典范，就是让学生在反思中学习“凯特摆”的创新设计思想。凯特利用物理摆的共轭点避免和减少某些不易测量的物理量对实验结果的影响，提高实验的精度，充分体现了创新设计思想的重要价值和魅力。

随着新课改实验的推广，开展探索性实验，拓展实验教学的新构想，必将在中学物理实验教学中占有越来越重要的位置，也必将成为培养学生创新能力的有效教学模式。

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