黃顯吞

(百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色 533000)

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物理“反?！睂嶒灥膭?chuàng)新思維教育

黃顯吞

(百色學(xué)院物理與電信工程系，廣西 百色 533000)

物理學(xué)史上許多重大的發(fā)明或創(chuàng)造是科學(xué)家們在“反常”實驗中發(fā)現(xiàn)的，教師通過列舉“反常”實驗進(jìn)行教學(xué)的做法是一種新事物.在課堂上教師應(yīng)抓住機(jī)會向?qū)W生講授這些科學(xué)探索過程中的“反?！睂嶒灛F(xiàn)象，讓學(xué)生感知“反?！睂嶒炦^程，提高學(xué)生的認(rèn)知水平，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力.同時，結(jié)合物理“反?！睂嶒灥慕虒W(xué)功能，讓學(xué)生親身經(jīng)歷并探究這些從反?，F(xiàn)象中總結(jié)出物理規(guī)律的實驗過程，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，達(dá)到創(chuàng)新思維教育和科學(xué)方法啟迪目的.

“反?！睂嶒?；激發(fā)興趣；科學(xué)探究；創(chuàng)新思維

所謂“反?！睂嶒炇侵父鶕?jù)當(dāng)時的知識出現(xiàn)了認(rèn)為不應(yīng)該發(fā)生的、與我們經(jīng)驗不一樣的、表現(xiàn)異常的實驗現(xiàn)象的實驗.“反?！睂嶒灢粌H能讓學(xué)生從多個側(cè)面、多種角度以及多個層次看問題，拓寬分析問題和解決問題的思路及方法，而且是促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)新思維的有效途徑[1].由于驅(qū)動探究與創(chuàng)新思維是一個人的好奇心、求知欲以及急欲解決所觀察到的現(xiàn)象和問題的熱情等，而“反?！睂嶒灳途哂腥绱霜毺氐墓π?

特別是“反?！睂嶒灛F(xiàn)象能無聲地告訴學(xué)生，物理學(xué)中的許多概念以及規(guī)律有時就是在你不經(jīng)意時偶然或非常理情況下發(fā)生和發(fā)現(xiàn)的，這也是使學(xué)生感興趣的又一因素，對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣也有不可忽視的作用[2].同時，“反常”實驗?zāi)苌鷦拥卣f明科學(xué)是從哪里來，使我們了解科學(xué)家的科學(xué)工作過程，即他們是怎樣想的、怎樣提出問題、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的，由此可以學(xué)習(xí)科學(xué)家們的探索精神[3].所以，當(dāng)人們理解了所謂“反?！辈⑹怪?yōu)檎r，人類對自然界的理解就前進(jìn)了一步.那么教師沿用此過程教育學(xué)生就會激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣并得到良好的教學(xué)效果，達(dá)到創(chuàng)新思維教育和科學(xué)方法啟迪的目的.

1 電流磁效應(yīng)的實驗促進(jìn)深層探究

在物理科學(xué)研究過程中，為發(fā)現(xiàn)各種自然規(guī)律，許多物理學(xué)家進(jìn)行了非常艱苦但又卓有成效的研究.教師著重講解這些研究過程中的思維方法和實驗過程，就能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、使學(xué)生掌握科學(xué)思維方法和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力.例如:長期以來，磁現(xiàn)象與電現(xiàn)象是被分別進(jìn)行單獨研究的，但是電與磁是否有一定聯(lián)系的疑問一直縈繞在一些有志探索的科學(xué)家的心頭.1820年，丹麥哥本哈根大學(xué)物理教授奧斯特根據(jù)電流通過直徑較小的導(dǎo)線會發(fā)熱的現(xiàn)象推測:如果通電導(dǎo)線的直徑進(jìn)一步縮小，那么導(dǎo)線就會發(fā)光；如果導(dǎo)線直徑再進(jìn)一步縮小到一定程度，就會產(chǎn)生磁效應(yīng)——正?，F(xiàn)象，但奧斯特沿著這條路子并未能發(fā)現(xiàn)電向磁的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象.

奧斯特并沒有因此灰心而不斷思索，接連3個月進(jìn)行深入研究，改變思路并反復(fù)做了60多次實驗，以往實驗都是在電流方向上尋找電流的磁效應(yīng)，結(jié)果都失效了.在發(fā)散思維下猜想到這一效應(yīng)可能和電流通過導(dǎo)線時所產(chǎn)生的熱和光一樣向四周散射，即電流對磁體的作用根本不是縱向的，而是一種橫向力或側(cè)向力——反常現(xiàn)象.于是奧斯特繼續(xù)進(jìn)行新的探索[4]:在一個小伽伐尼電池的兩極之間接上一根很細(xì)的鉑絲，在鉑絲正下方放置一枚磁針，然后接通電源，發(fā)現(xiàn)小磁針微微地跳動并轉(zhuǎn)到與鉑絲垂直的方向.接著他又改變電流方向，發(fā)現(xiàn)小磁針向相反方向偏轉(zhuǎn)，說明電流方向與磁針的轉(zhuǎn)動之間有某種聯(lián)系——這就是電流的磁效應(yīng).這“反?！睂嶒灲议_了電磁學(xué)的序幕，也標(biāo)志著電磁學(xué)時代的到來.而這“反?！睂嶒灥奶剿鬟^程可歌可泣，永遠(yuǎn)值得我們借鑒.

2 電磁感應(yīng)現(xiàn)象的實驗促進(jìn)創(chuàng)新思維

根據(jù)以上電流的磁效應(yīng)現(xiàn)象(電可以產(chǎn)生磁)，法拉第在逆向和求異思維的指引下，篤信自然力的統(tǒng)一和轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生“磁也能生電”的信念，于是開始尋找“磁生電”的跡象.但是他做了幾百次實驗都失敗了，那是因為他還是沿著傳統(tǒng)觀念做實驗:認(rèn)為電流總是沿平直導(dǎo)線流動，在求同和定向思維的思維定式下，在實驗中總是將各種變化的磁場作用到平直導(dǎo)線上，然后去觀察導(dǎo)線是否有電流產(chǎn)生，結(jié)果都是失敗.后來在求異和多向思維啟發(fā)下，他仔細(xì)分析了電流的磁效應(yīng)，認(rèn)為電流與磁的相互作用除了電流對磁、磁對磁、電流對電流，還應(yīng)有磁對電流的作用.他想，既然電荷可以感應(yīng)周圍的導(dǎo)體使之帶電，磁鐵可以感應(yīng)鐵質(zhì)物體使之磁化，為什么電流不可以在周圍導(dǎo)體中感應(yīng)出電流來呢？

于是就開始了一系列的探索:把直導(dǎo)線彎成圓形并做成螺線管式，即把兩個線圈繞在一個鐵環(huán)上，一個線圈接直流電源，另一個線圈接電流表.而開始時，法拉第總是先合閘，后看與另一個線圈串聯(lián)的電表是否顯示有無電流，不斷實驗，還是沒有結(jié)果.后來，他合閘，讓他的助手在旁邊觀看:當(dāng)一個線圈的電路正常接通電源后，另一個線圈中的電流表無電流，而只有在開關(guān)K接通或斷開的瞬間(即反常現(xiàn)象)，另一個線圈中才產(chǎn)生瞬時電流.為了更透徹研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象，在多向和綜合思維下法拉第后來又做了大量實驗，前后經(jīng)過11年，他把這種現(xiàn)象定名為“電磁感應(yīng)現(xiàn)象”，并概括了可以產(chǎn)生感應(yīng)電流的5種類型:變化的電流、變化的磁場、運動的恒定電流、運動的磁鐵、在磁場中運動的導(dǎo)體.

可以想象，如果不是法拉第仔細(xì)觀察這個偶然的反常瞬間，不進(jìn)行反向思維，也就沒有這個著名的電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn).正是由于法拉第始終不渝地為從實驗上證實磁向電的轉(zhuǎn)化而探索不已，才能進(jìn)一步揭示電與磁的內(nèi)在聯(lián)系，為建立完整的電磁理論奠定了堅實的基礎(chǔ).而從電磁感應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)過程可以體會到:首先想到磁能生電體現(xiàn)法拉第具有創(chuàng)新意識；11年堅持不懈的努力，表明他的創(chuàng)新精神；在實驗過程中的各種思維方式和研究方法，說明他掌握了各種創(chuàng)新方法，而這創(chuàng)新意識、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新方法就是我們現(xiàn)在所說的創(chuàng)新能力.讓學(xué)生感受這樣的科學(xué)探索過程，有利于培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.

3 原子核模型的實驗促進(jìn)視覺思維

物理教學(xué)應(yīng)該重視“反?！睂嶒?，應(yīng)該讓學(xué)生有機(jī)會認(rèn)識實驗的來龍去脈，經(jīng)歷科學(xué)過程，體會科學(xué)方法，樹立科學(xué)的價值觀，認(rèn)識物理學(xué)的精髓，使他們更加熱愛科學(xué)，體驗科學(xué)工作的樂趣.例如發(fā)現(xiàn)原子核模型的實驗:20世紀(jì)初占支配地位的原子模型當(dāng)屬湯姆遜模型，即正電荷均勻分布在原子大小的球體內(nèi)，電子一粒一粒地對稱分布在這個球體中，就像夾有葡萄干的面包一樣.但第一個真正用“炮彈”轟開原子的大門，讓人類洞察到原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的是新西蘭科學(xué)家盧瑟福.1909年他安排他的學(xué)生馬斯頓去做α粒子散射實驗，起初用α射線轟擊厚度為微米級的金箔時，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α粒子都照直穿過薄金箔，偏轉(zhuǎn)很小——正常狀態(tài)(符合當(dāng)時的認(rèn)知以及湯姆孫模型).

但是當(dāng)盧瑟福及其學(xué)生采用1cm2的鉑箔作為反射物時，經(jīng)認(rèn)真觀察發(fā)現(xiàn)有少數(shù)α粒子發(fā)生角度比湯姆孫模型所預(yù)言的大得多的偏轉(zhuǎn)[5].并大約有1/8000 的α粒子偏轉(zhuǎn)角大于90°，甚至有偏轉(zhuǎn)角等于150°的或沿原路返回的散射——出現(xiàn)反常狀態(tài).正是由于觀察到α射線的這種“反常”的漫反射現(xiàn)象，使盧瑟福大為驚訝，因為考慮到原子之小和射中它們的α粒子的速度和能量之大，那是一個極其驚人的結(jié)果，這種結(jié)果用湯姆遜的原子模型是無論如何都無法解釋.為此盧瑟福陷入深深的困惑之中，經(jīng)過長達(dá)半年多的時間去思考和意想，他面對經(jīng)驗無法直接感知的客觀對象時在視覺思維指引下終于悟出了原子圖景:所有正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子中心的一個非常小的體積內(nèi)(這就是原子核)，原子中的電子繞著核在核外運動.并由此導(dǎo)出α粒子散射公式，說明了α粒子的大角度散射原因.從中可以感覺到盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立，主要靠的是盧瑟福豐富的想象力和超凡的洞察力，即視覺思維也是一種創(chuàng)新思維.而這樣一個妙趣橫生的“反?！睂嶒灒芗ぐl(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣.

4 光波動性的揭示促進(jìn)多向思維

物理學(xué)強(qiáng)調(diào)思維能力和判斷能力的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)物理的目的是訓(xùn)練學(xué)生的科學(xué)思維能力、培養(yǎng)他們的邏輯思維能力和掌握科學(xué)研究的科學(xué)方法.例如幾何光學(xué)實驗表明，光在均勻媒質(zhì)中是按直線傳播，光在兩種媒質(zhì)的分界面按反射定律和折射定律傳播.于是，人們就想當(dāng)然認(rèn)為當(dāng)一束光通過有孔的屏障以后也是沿直線傳播的.可是在17世紀(jì)當(dāng)意大利物理學(xué)家F.M.格里馬爾迪用一束光通過有孔的屏障以后，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度可以波及到按直線傳播所劃定的幾何陰影區(qū)內(nèi)，也使得幾何照明區(qū)內(nèi)出現(xiàn)某些暗斑或暗紋.這些使得障礙物后空間的光強(qiáng)分布既區(qū)別于幾何光學(xué)給出的光強(qiáng)分布，又區(qū)別于光波自由傳播時的光強(qiáng)分布——出現(xiàn)反常.

150年以后，法國物理學(xué)家菲涅耳于19世紀(jì)依據(jù)這種反?，F(xiàn)象最早闡明了這是光的衍射現(xiàn)象.日常生活中聲波的衍射、水波的衍射、廣播段無線電波的衍射是隨時隨地發(fā)生的，易為人覺察.但是，光的衍射現(xiàn)象卻不易為人們所覺察，這是因為可見光的波長很短，以及普通光源是非相干的面光源等原因.這也似乎與我們經(jīng)驗不一樣，表現(xiàn)“反?！?，學(xué)生非常好奇，引起學(xué)生爭論和思考，理解不同物質(zhì)在不同介質(zhì)中發(fā)生衍射所帶來的不同效果.

5 X射線的發(fā)現(xiàn)激發(fā)創(chuàng)意靈感

科學(xué)開始于問題，問題的提出是科學(xué)發(fā)展的源動力.在物理學(xué)的探索過程中，經(jīng)常是原先問題的提出與解決，又誘發(fā)出新的問題.例如在對陰極射線的本質(zhì)是什么這一問題的探索中，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線[6]:1895年10月，德國實驗物理學(xué)家倫琴在暗室里做陰極射線管中氣體放電的實驗時，為了避免紫外線和可見光的影響，特地用黑紙板把陰極射線裝抱起來，但卻發(fā)現(xiàn)在一段距離外涂了亞鉑氰化鋇的熒光屏上發(fā)生閃光，并發(fā)現(xiàn)了干板底片“跑光”現(xiàn)象——出現(xiàn)反常.

倫琴決心查個水落石出，于是用厚書、2～3cm厚的木板或幾厘米厚的硬橡膠插在放電管和熒光屏之間，仍能看到熒光.他又用盛有水、二硫化碳或其他液體進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果表明它們也是“透明的”，不太厚的銅、銀、金、鉑、鋁等金屬也能讓這種射線透過.而讓倫琴更為驚訝的是，當(dāng)他把手放在紙屏前時，紙屏上留下了手骨的陰影——這就激發(fā)出創(chuàng)意靈感去探究這種神秘的射線:倫琴意識到這可能是某種特殊的從來沒有觀察到的射線，它具有特別強(qiáng)的穿透力.由于這種輻射線的神密性質(zhì)，倫琴稱之為“X射線”——X在數(shù)學(xué)上通常用來代表一個未知數(shù)并激發(fā)探索，而且這“反?！睂嶒灠l(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了理論工作的巨大發(fā)展，使人們對微觀世界的認(rèn)識產(chǎn)生劃時代的革命.這樣的“反?！睂嶒灨诱T人，永遠(yuǎn)激勵我們探索前進(jìn).

6 結(jié)語

物理學(xué)史上許多重大的發(fā)明或創(chuàng)造是科學(xué)家們在“反?！睂嶒炛邪l(fā)現(xiàn)的，教師通過列舉“反?！睂嶒炦M(jìn)行教學(xué)的做法是一種新事物.在課堂上教師應(yīng)抓住機(jī)會向?qū)W生講授這些科學(xué)探索過程中的“反常”實驗現(xiàn)象，讓學(xué)生感知“反常”實驗過程，提高學(xué)生的認(rèn)知水平，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力.而且這些“反?！睂嶒灦际且恍┰瓌?chuàng)性工作，都經(jīng)過歷史檢驗，學(xué)習(xí)它可以更深刻領(lǐng)會科學(xué)家追求真理的偉大力量以及科學(xué)方法的精髓.這種在實驗中出現(xiàn)的“反?！爆F(xiàn)象完全可以作為一件很好的物理教學(xué)資源，可以用來作為課堂上的插曲和錦上添花，使我們的教學(xué)內(nèi)容更生動、更豐富，教學(xué)過程更詳實、更鮮明.所以，這些“反?！睂嶒灲o我們許多深刻的啟示，是我們學(xué)習(xí)的好機(jī)會，也是物理教育工作者努力追求和探索的方向.

[1] 顧新梅.大學(xué)物理實驗與新思維能力培養(yǎng)[J].湖州師范學(xué)院學(xué)報,2005(01):127-130.

[2] 施大寧,吳平,楊雁南,等.智物明理 突出創(chuàng)新 構(gòu)建特色化的工科物理系列課程體系[J].物理與工程,2008(04):16-17.

[3] 孫鴻坤.中學(xué)物理實驗教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)[J].物理實驗,2012(11):33-35.

[4] 朱孟正，趙春然，袁廣宇.奧斯特對電磁理論發(fā)展的影響[J].中學(xué)物理教學(xué)參考,2007(09):58-59.

[5] 毛宏偉.盧瑟福與原子結(jié)構(gòu)模型[J].物理教師,2011(08):49-50.

[6] 秦克誠.郵票上的物理學(xué)史(37)——X射線的發(fā)現(xiàn)[J].大學(xué)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

廣西教育廳科學(xué)技術(shù)科研基金資助項目(桂教科研[2013]7號，項目編號:2013YB245)；廣西高等教育教學(xué)改革工程項目(桂教高教[2012]22號，項目編號:2012JGA209).

黃顯吞,男,副教授,主要從事物理教學(xué)及電工技術(shù)應(yīng)用研究.gxbshj008@163.com