物理“反常”实验的创新思维教育

黄显吞

(百色学院物理与电信工程系，广西 百色 533000)



物理“反常”实验的创新思维教育

黄显吞

(百色学院物理与电信工程系，广西 百色 533000)

物理学史上许多重大的发明或创造是科学家们在“反常”实验中发现的，教师通过列举“反常”实验进行教学的做法是一种新事物.在课堂上教师应抓住机会向学生讲授这些科学探索过程中的“反常”实验现象，让学生感知“反常”实验过程，提高学生的认知水平，培养学生的创新能力.同时，结合物理“反常”实验的教学功能，让学生亲身经历并探究这些从反常现象中总结出物理规律的实验过程，激发学生学习物理的兴趣，达到创新思维教育和科学方法启迪目的.

“反常”实验；激发兴趣；科学探究；创新思维

所谓“反常”实验是指根据当时的知识出现了认为不应该发生的、与我们经验不一样的、表现异常的实验现象的实验.“反常”实验不仅能让学生从多个侧面、多种角度以及多个层次看问题，拓宽分析问题和解决问题的思路及方法，而且是促进学生创新思维的有效途径[1].由于驱动探究与创新思维是一个人的好奇心、求知欲以及急欲解决所观察到的现象和问题的热情等，而“反常”实验就具有如此独特的功效.

特别是“反常”实验现象能无声地告诉学生，物理学中的许多概念以及规律有时就是在你不经意时偶然或非常理情况下发生和发现的，这也是使学生感兴趣的又一因素，对于激发学生的学习兴趣也有不可忽视的作用[2].同时，“反常”实验能生动地说明科学是从哪里来，使我们了解科学家的科学工作过程，即他们是怎样想的、怎样提出问题、发现问题和解决问题的，由此可以学习科学家们的探索精神[3].所以，当人们理解了所谓“反常”并使之变为正常时，人类对自然界的理解就前进了一步.那么教师沿用此过程教育学生就会激发学生学习物理的浓厚兴趣并得到良好的教学效果，达到创新思维教育和科学方法启迪的目的.

1 电流磁效应的实验促进深层探究

在物理科学研究过程中，为发现各种自然规律，许多物理学家进行了非常艰苦但又卓有成效的研究.教师着重讲解这些研究过程中的思维方法和实验过程，就能激发学生学习兴趣、使学生掌握科学思维方法和培养学生的创新思维能力.例如:长期以来，磁现象与电现象是被分别进行单独研究的，但是电与磁是否有一定联系的疑问一直萦绕在一些有志探索的科学家的心头.1820年，丹麦哥本哈根大学物理教授奥斯特根据电流通过直径较小的导线会发热的现象推测:如果通电导线的直径进一步缩小，那么导线就会发光；如果导线直径再进一步缩小到一定程度，就会产生磁效应——正常现象，但奥斯特沿着这条路子并未能发现电向磁的转化现象.

奥斯特并没有因此灰心而不断思索，接连3个月进行深入研究，改变思路并反复做了60多次实验，以往实验都是在电流方向上寻找电流的磁效应，结果都失效了.在发散思维下猜想到这一效应可能和电流通过导线时所产生的热和光一样向四周散射，即电流对磁体的作用根本不是纵向的，而是一种横向力或侧向力——反常现象.于是奥斯特继续进行新的探索[4]:在一个小伽伐尼电池的两极之间接上一根很细的铂丝，在铂丝正下方放置一枚磁针，然后接通电源，发现小磁针微微地跳动并转到与铂丝垂直的方向.接着他又改变电流方向，发现小磁针向相反方向偏转，说明电流方向与磁针的转动之间有某种联系——这就是电流的磁效应.这“反常”实验揭开了电磁学的序幕，也标志着电磁学时代的到来.而这“反常”实验的探索过程可歌可泣，永远值得我们借鉴.

2 电磁感应现象的实验促进创新思维

根据以上电流的磁效应现象(电可以产生磁)，法拉第在逆向和求异思维的指引下，笃信自然力的统一和转化，产生“磁也能生电”的信念，于是开始寻找“磁生电”的迹象.但是他做了几百次实验都失败了，那是因为他还是沿着传统观念做实验:认为电流总是沿平直导线流动，在求同和定向思维的思维定式下，在实验中总是将各种变化的磁场作用到平直导线上，然后去观察导线是否有电流产生，结果都是失败.后来在求异和多向思维启发下，他仔细分析了电流的磁效应，认为电流与磁的相互作用除了电流对磁、磁对磁、电流对电流，还应有磁对电流的作用.他想，既然电荷可以感应周围的导体使之带电，磁铁可以感应铁质物体使之磁化，为什么电流不可以在周围导体中感应出电流来呢？

于是就开始了一系列的探索:把直导线弯成圆形并做成螺线管式，即把两个线圈绕在一个铁环上，一个线圈接直流电源，另一个线圈接电流表.而开始时，法拉第总是先合闸，后看与另一个线圈串联的电表是否显示有无电流，不断实验，还是没有结果.后来，他合闸，让他的助手在旁边观看:当一个线圈的电路正常接通电源后，另一个线圈中的电流表无电流，而只有在开关K接通或断开的瞬间(即反常现象)，另一个线圈中才产生瞬时电流.为了更透彻研究电磁感应现象，在多向和综合思维下法拉第后来又做了大量实验，前后经过11年，他把这种现象定名为“电磁感应现象”，并概括了可以产生感应电流的5种类型:变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体.

可以想象，如果不是法拉第仔细观察这个偶然的反常瞬间，不进行反向思维，也就没有这个著名的电磁感应定律的发现.正是由于法拉第始终不渝地为从实验上证实磁向电的转化而探索不已，才能进一步揭示电与磁的内在联系，为建立完整的电磁理论奠定了坚实的基础.而从电磁感应定律的发现过程可以体会到:首先想到磁能生电体现法拉第具有创新意识；11年坚持不懈的努力，表明他的创新精神；在实验过程中的各种思维方式和研究方法，说明他掌握了各种创新方法，而这创新意识、创新精神和创新方法就是我们现在所说的创新能力.让学生感受这样的科学探索过程，有利于培养他们的创新能力.

3 原子核模型的实验促进视觉思维

物理教学应该重视“反常”实验，应该让学生有机会认识实验的来龙去脉，经历科学过程，体会科学方法，树立科学的价值观，认识物理学的精髓，使他们更加热爱科学，体验科学工作的乐趣.例如发现原子核模型的实验:20世纪初占支配地位的原子模型当属汤姆逊模型，即正电荷均匀分布在原子大小的球体内，电子一粒一粒地对称分布在这个球体中，就像夹有葡萄干的面包一样.但第一个真正用“炮弹”轰开原子的大门，让人类洞察到原子内部结构的是新西兰科学家卢瑟福.1909年他安排他的学生马斯顿去做α粒子散射实验，起初用α射线轰击厚度为微米级的金箔时，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小——正常状态(符合当时的认知以及汤姆孙模型).

但是当卢瑟福及其学生采用1cm2的铂箔作为反射物时，经认真观察发现有少数α粒子发生角度比汤姆孙模型所预言的大得多的偏转[5].并大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至有偏转角等于150°的或沿原路返回的散射——出现反常状态.正是由于观察到α射线的这种“反常”的漫反射现象，使卢瑟福大为惊讶，因为考虑到原子之小和射中它们的α粒子的速度和能量之大，那是一个极其惊人的结果，这种结果用汤姆逊的原子模型是无论如何都无法解释.为此卢瑟福陷入深深的困惑之中，经过长达半年多的时间去思考和意想，他面对经验无法直接感知的客观对象时在视觉思维指引下终于悟出了原子图景:所有正电荷和几乎全部质量都集中在原子中心的一个非常小的体积内(这就是原子核)，原子中的电子绕着核在核外运动.并由此导出α粒子散射公式，说明了α粒子的大角度散射原因.从中可以感觉到卢瑟福原子核式结构模型的建立，主要靠的是卢瑟福丰富的想象力和超凡的洞察力，即视觉思维也是一种创新思维.而这样一个妙趣横生的“反常”实验，能激发学生学习物理的浓厚兴趣.

4 光波动性的揭示促进多向思维

物理学强调思维能力和判断能力的培养，学习物理的目的是训练学生的科学思维能力、培养他们的逻辑思维能力和掌握科学研究的科学方法.例如几何光学实验表明，光在均匀媒质中是按直线传播，光在两种媒质的分界面按反射定律和折射定律传播.于是，人们就想当然认为当一束光通过有孔的屏障以后也是沿直线传播的.可是在17世纪当意大利物理学家F.M.格里马尔迪用一束光通过有孔的屏障以后，发现其强度可以波及到按直线传播所划定的几何阴影区内，也使得几何照明区内出现某些暗斑或暗纹.这些使得障碍物后空间的光强分布既区别于几何光学给出的光强分布，又区别于光波自由传播时的光强分布——出现反常.

150年以后，法国物理学家菲涅耳于19世纪依据这种反常现象最早阐明了这是光的衍射现象.日常生活中声波的衍射、水波的衍射、广播段无线电波的衍射是随时随地发生的，易为人觉察.但是，光的衍射现象却不易为人们所觉察，这是因为可见光的波长很短，以及普通光源是非相干的面光源等原因.这也似乎与我们经验不一样，表现“反常”，学生非常好奇，引起学生争论和思考，理解不同物质在不同介质中发生衍射所带来的不同效果.

5 X射线的发现激发创意灵感

科学开始于问题，问题的提出是科学发展的源动力.在物理学的探索过程中，经常是原先问题的提出与解决，又诱发出新的问题.例如在对阴极射线的本质是什么这一问题的探索中，伦琴发现了X射线[6]:1895年10月，德国实验物理学家伦琴在暗室里做阴极射线管中气体放电的实验时，为了避免紫外线和可见光的影响，特地用黑纸板把阴极射线装抱起来，但却发现在一段距离外涂了亚铂氰化钡的荧光屏上发生闪光，并发现了干板底片“跑光”现象——出现反常.

伦琴决心查个水落石出，于是用厚书、2～3cm厚的木板或几厘米厚的硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光.他又用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表明它们也是“透明的”，不太厚的铜、银、金、铂、铝等金属也能让这种射线透过.而让伦琴更为惊讶的是，当他把手放在纸屏前时，纸屏上留下了手骨的阴影——这就激发出创意灵感去探究这种神秘的射线:伦琴意识到这可能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强的穿透力.由于这种辐射线的神密性质，伦琴称之为“X射线”——X在数学上通常用来代表一个未知数并激发探索，而且这“反常”实验发现导致了理论工作的巨大发展，使人们对微观世界的认识产生划时代的革命.这样的“反常”实验更加诱人，永远激励我们探索前进.

6 结语

物理学史上许多重大的发明或创造是科学家们在“反常”实验中发现的，教师通过列举“反常”实验进行教学的做法是一种新事物.在课堂上教师应抓住机会向学生讲授这些科学探索过程中的“反常”实验现象，让学生感知“反常”实验过程，提高学生的认知水平，培养他们的创新能力.而且这些“反常”实验都是一些原创性工作，都经过历史检验，学习它可以更深刻领会科学家追求真理的伟大力量以及科学方法的精髓.这种在实验中出现的“反常”现象完全可以作为一件很好的物理教学资源，可以用来作为课堂上的插曲和锦上添花，使我们的教学内容更生动、更丰富，教学过程更详实、更鲜明.所以，这些“反常”实验给我们许多深刻的启示，是我们学习的好机会，也是物理教育工作者努力追求和探索的方向.

[1] 顾新梅.大学物理实验与新思维能力培养[J].湖州师范学院学报,2005(01):127-130.

[2] 施大宁,吴平,杨雁南,等.智物明理 突出创新 构建特色化的工科物理系列课程体系[J].物理与工程,2008(04):16-17.

[3] 孙鸿坤.中学物理实验教学中培养学生创新思维能力的培养[J].物理实验,2012(11):33-35.

[4] 朱孟正，赵春然，袁广宇.奥斯特对电磁理论发展的影响[J].中学物理教学参考,2007(09):58-59.

[5] 毛宏伟.卢瑟福与原子结构模型[J].物理教师,2011(08):49-50.

[6] 秦克诚.邮票上的物理学史(37)——X射线的发现[J].大学物理，2001(07):98.

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CREATIVE THINKING EDUCATION IN PHYSICAL “ABNORMAL” EXPERIMENT

Huang Xiantun

(Department of Physics and Electronic,Baise College,Baise,Guangxi 533000)

Many great inventions or creations in the history of physics were found in the “abnormal” experiments by scientists.It is a new kind of thing that teachers deliver lectures by listing the “abnormal” experiments.In class,the teacher should seize the opportunity to teach students about the “abnormal” experimental phenomena in the process of scientific inquiry,let students perceive the “abnormal” experimental process,improve the students’ cognitive level,and cultivate students’ innovation ability.At the same time,combined with the teaching function of physical “abnormal” experiments,the teacher should let students experience and explore the physics laws concluded from the abnormal phenomena during the experiment processes,arouse the students’ interest in learning physics,and achieve innovative thinking method for education and science enlightenment.

“abnormal” experiment;arouse interest;scientific inquiry;innovative thinking

2015-03-23

广西教育厅科学技术科研基金资助项目(桂教科研[2013]7号，项目编号:2013YB245)；广西高等教育教学改革工程项目(桂教高教[2012]22号，项目编号:2012JGA209).

黄显吞,男,副教授,主要从事物理教学及电工技术应用研究.gxbshj008@163.com