例談創(chuàng)新實驗設計的一般思路

李建輝

【關(guān)鍵詞】 ?創(chuàng)新實驗 功能要素 建模

【中圖分類號】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）24-165-02

《新課程新課程標準（2017版）》指出，物理學基于觀察與實驗，建構(gòu)物理模型，應用數(shù)學等工具，通過科學推理和論證，形成系統(tǒng)的研究方法和理論體系。實驗在物理教學中有舉足輕重的作用，但是課本里的實驗還滿足不了平常教學的需求。有時候我們想設計一些更生活化效果更顯著的實驗，卻不知從何處入手。本文從平常的實驗教學經(jīng)驗出發(fā)，小結(jié)了一下設計創(chuàng)新實驗設計的一般思路，并舉例說明它的實效。

實驗設計都是從需求出發(fā)的，所以實驗設計的第一步，就是弄清楚這個即將要設計的實驗儀器是想實現(xiàn)什么功能。其次，通過試驗或者生活中已有的模型提煉出功能要素，創(chuàng)新不是沒有條件的暢想，而是在一定框架下有價值的構(gòu)想。第三步，根據(jù)功能要素確定儀器由幾部分構(gòu)成，反復衡量利弊協(xié)調(diào)各部分的關(guān)系初步建立模型。第四步，考慮儀器所用的材料、材質(zhì)，將設計圖變現(xiàn)。

實驗設計一：拋體運動發(fā)射儀

廣東版高中物理必修2第一章《什么是拋體運動》的課本插圖中畫出了以不同角度拋出的小球的運動軌跡，用來說明拋體運動的類型，用籃球做了一下實驗，發(fā)現(xiàn)了問題，籃球個子大容易觀察，但是做豎直上拋的時候運動軌跡總是很難在同一條直線上，原因很簡單，初速度方向與重力方向不在一條直線上。但是只要是用手拋，都是很難把握方向的。能否設計出一個拋體運動儀，輕松達到這種功能呢？

1.首先要明確，拋體運動儀的功能就是可以向豎直方向、水平方向或者斜向上拋出一個物體。

2.其次，提煉拋體運動儀必需的功能要素。通過觀察生活中的發(fā)射器不難想象，這種拋體運動儀應該包含幾方面要素：第一，要有一段導管，用來引導小球初速度方向;第二，要有一個能檢驗導管是否與重力方向在同一直線的裝置;第三，要有能使導管向各個方向傾斜的裝置;第四，要有使用氣體產(chǎn)生沖力的裝置;第五，要有底座，確保導管使用過程中保持平穩(wěn)。

創(chuàng)新實驗設計需要不斷地根據(jù)已有的素材在頭腦中模擬運行，以找出素材的優(yōu)缺點、設計難點、模型的不足，“運行”這種思維方法貫穿實驗設計的整個過程，它是模型在大腦中動態(tài)展示。

3.協(xié)調(diào)各功能要素之間的關(guān)系，初步建立模型

初步設想：儀器分為導管、氣室與鼓氣裝置、豎直檢驗室、方向儀，底座五部分。這幾部分的關(guān)系如何協(xié)調(diào)？通過分析不難發(fā)現(xiàn)豎直檢驗室是為了檢驗導管是否豎直的裝置，因此它應該與導管在同一直線上，氣室是發(fā)球的動力裝置，應該與導管距離最近，綜上所述，這三部分最好是在同一管上，三部分分別用實心隔板和空心隔板隔開，如圖1.

建?？梢詢?yōu)先考慮生活中原有的模型，這樣可以省去很多構(gòu)思，也讓儀器更貼近生活。比如，鼓氣裝置可以利用踩踏式打氣筒，豎直檢驗室內(nèi)可以用上重錘線，也可以裝油性液體通過看液面來判斷（圖2），后者會比較快出效果。方向儀要求能使導管向任意角度傾斜，有什么現(xiàn)成的模型呢？有很多，吸頂搖頭扇就是一個。通過分析得知它是用兩個相互垂直的單擺運動合成一個圓錐擺運動，如圖3.

如果把搖頭扇換成導管（連同氣室和豎直檢驗室）的話，底座必須朝下，這時又有問題出現(xiàn)了，支點o應該放在什么位置好？導管的另一端如何固定？用線段ab表示導管，分別畫出支點o在a端、中端、b端的情況，如圖4.

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，支點在a端優(yōu)點非常突出，第一，b端可以依靠油性液體的重力讓ab保持豎直，相當于重錘線的作用;第二，如果要讓ab傾斜，也只需要一個裝置托住尾部就可以穩(wěn)定;第三，a點作為球最后離開的位置，高質(zhì)量地固定好這一點能更好地穩(wěn)定球速的方向。綜合以上分析，作設計如圖5.

最后一個問題，導管末端如何固定，同樣思維，通過觀察抽象出必須的要素。擺動一下導管，在腦中運行一下可以知道：導管運動的時候末端的高度會變化，末端在底座上投影的位置也會變化，導管與地板所在的平面的夾角也會變。因此也不難總結(jié)出需求：第一，裝置能移動，第二，裝置能調(diào)節(jié)高度，第三，固定導管的零件能“抓穩(wěn)”導管，并且能轉(zhuǎn)動適應導管的傾角。滿足以上要求的設計如圖6.

4.制作儀器所需的材質(zhì)、材料的選擇。儀器用什么材料做出來，也是要根據(jù)儀器要實現(xiàn)的功能來決定，例如導管內(nèi)壁最好是光滑，與球的直徑相當，有一定長度，容易切割加工和粘合，有一定的硬度，能裝液體，下端要透明。優(yōu)先選擇生活中已有的模型，滿足以上條件的有：礦泉水瓶、羽毛球筒等?？梢郧邢聨讉€礦泉水瓶的瓶身粘合在一起;也可以用應該裁好形狀后塞進一個羽毛球筒里。

以上是一個普通的創(chuàng)新實驗設計，卻蘊含了創(chuàng)新實驗設計的一般規(guī)律。在四個步驟中最重要的是提煉功能要素以及建立模型，其中各種創(chuàng)新思維要靈活運用。

實驗設計二，曲線運動條件實驗的改進方案

廣東版高中物理必修二第一章有個“探究曲線運動的條件”實驗，本人在實驗過程中發(fā)現(xiàn)磁鐵的有效作用范圍很窄，很容易把鐵球吸引過去黏在一起，很難找到適合的作用距離。

顯然，磁鐵的作用力不是一個好的作用力。先來提煉功能要素：第一，作用力能持續(xù)（可以吸引也可以排斥）;第二，作用力要有比較寬的作用范圍，用發(fā)散思維找到以下結(jié)果：

①電場力（吸引或排斥力）

②重力（吸引力）

③風扇（排斥力）

④電吹風（排斥力）

⑤高壓水柱產(chǎn)生的推力

電場力、水柱明顯不適合;重力作用可以利用，電吹風比風扇的作用力更集中，可以考慮，初步建立以下模型：

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

[1]江帆《TRIZ與可拓學比較及融合機制研究》.

[2]張明勤，范存禮，王日君，張士軍《TRIZ入門100問》.

[3]劉銀萍，彭端，蔣力立.創(chuàng)新實驗教學與傳統(tǒng)實驗教學的比較[J].廣東工業(yè)大學學報（社會科學版）.2010（05）.