陈杰
[摘 要]在研究性实验教学中，为有效培养学生的创新能力和科研能力，我们提出了以观察和假设为基础的教学设计，即以对实验现象的观察而非具体要求为开端，通过观察实验现象提出问题，对问题进行理论假设，最后设计实验方案进行论证。观察是科学研究的基础，从现象到假设实际上是一种创造性思维的过程，在研究性实验教学中，要培养学生的创新和科研能力，就必须要重视观察和假设的环节。
[关键词]研究性实验；观察；假设
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2018）08-0076-03
随着高等教育对学生创新思维和实践能力培养的不断重视，大学物理实验教学不断加强了设计性实验和研究性实验的教学。[1][2][3][4]设计性和研究性实验要求学生自行设计实验方案，选择实验器材并独立完成操作和测量，意图让学生体验发现问题、分析问题、解决问题的科学实验的过程，从而培养创新思维和实践能力。在教学实践中发现，设计性和研究性实验要对学生创新思维进行培养，就必须要重视观察和假设的教学环节。
一、观察和假设在科学实验中的地位和作用
观察是科学实验的基础，没有准确而全面的观察就无法获得对物理现象的完整认知，也就无法得出正确的物理事实或规律。第谷为探寻天体运动的奥秘进行了长达20年的潜心观测，从而为揭示天体运动规律的三大定律奠定了基础；伦琴在做阴极射线实验时偶然观察到涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出荧光的现象，他通过深入观察发现这种荧光已不是阴极射线，进而发现了一种新的射线并命名为X射线。纵观整个科学发展史，无论是有意观察还是无意观察都展示了其重要性，成为窥视物理规律的一扇窗口。科学家也非常推崇观察的技能，达尔文在评判自己时就说：“我没有过人的机智，只是在察觉那些稍纵即逝的事物并对此细心观察的能力上，我可能在众人之上。”
同样，假设在科学研究中也起着极其重要的作用，当面对未知的现象和问题时，就需要做出猜想和假设，并以此为依据开展研究。假设也是科学研究的一个重要途径和方法。着名的爱因斯坦的相对论就是建立在光速不变的假设的基础上的，有物理学家评论麦克斯韦方程时说：“绝不要去管什幺哲学，绝不要去管诸如此类的什幺东西，只管去猜方程好了。”[5] 恩格斯总结自然科学的发展史时说道：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”
观察——假设是一个连续的过程，在实验中，当面临未知现象时，就需要根据已掌握的知识，沿着不同的角度、不同的方向，从不同的层面和不同的关系出发来提出合乎逻辑的理解，这实际上是一个创造性思维的过程。在研究性实验教学中，我们要培养学生的创新能力，就必须要重视观察和假说的环节。
二、加强观察和假设环节的教学设计——以铝棒的发声实验为例
（一）实验的基本现象
采用一根横截面为直角的铝型材料棒，长度1m左右。用一只手指捏住铝棒中点，另一只手用小铁锤敲击铝棒的一端（如图1），开始时音色比较混杂，随后响度逐渐减小，音色也逐渐变得单纯，最后出现纯音（单一频率）并可延续很长的时间。再用一只手捏住铝棒的中点，另一只手在拇指和食指上抹一些松香粉，然后用力从中点处向一端抹动（如图2）。反复多次，便可听到铝棒发出很纯的声音，停止摩擦后还可以延续很长时间。
1.对实验现象的理论解释[6]
这是一个驻波的演示实验，声音在铝棒中往复传播形成驻波，在铝棒的端点，振动从铝棒传播到空气，是从波密介质传播到波疏介质，因此铝棒的两个端点是一个波腹；铝棒的中点是用手指捏住的，因此是个波节。这样，只有满足[L2]=[（2k+1）λn4]（L为铝棒的长度）的波能在铝棒中形成驻波，其基波的波长为[λ1]=2L，我们便听到了该种波长的纯音。使用摩擦的方法使铝棒发出声音，由于不是一种强烈的冲击，那些不能形成驻波的振动，能量衰减很快，所以我们听不到像敲击那样强烈的混浊音。
2.实验研究
从理论解释可知，纯音的频率与棒的长度和声音在该种介质中传播的速度有关，其关系式为v=[u2L]，即对于同一种金属材料，声波的速度一定，金属棒越长，我们听到的频率就越低；对于不同材料的金属棒，波速不同，相同长度时所得到的频率也不相同。为此，我们可以设计实验测量纯音的频率，与上述的理论值进行比较，从而验证理论假设的准确性。
对于声音频率的测量，我们可以采用示波器或声音软件观察声音的波形并测量声音的频率，图3、图4是用声音软件EShow分别采集到的119.32 cm和90.10 cm长的铝棒发声的声波图形，其频率分别为2088和2767，长度短的频率高，这与理论解释相符。同时， 根据[λ2]=2L 得：
在误差范围内，两种情况下测得的铝棒中声速相等，也符合常温下声波在铝棒中传播的速率。当然，对于声波的频率也可以用共鸣管测声速的方法进行测量（如图5）。
（二）实验的教学设计
1.实验的预习
（1）实验现象的观察
教师以演示实验的形式展示铝型材料棒发声的实验，要求学生进行观察。观察的重点是教师的手法和听到的声音的特点，并要求学生记录观察到的现象。包括：
你看到了什幺？
你听到了什幺？
听到的声音有什幺特点？
学生的观察越仔细越好，不能漏过每一个细节，并要求在观察的基础上提出不能解释的现象。
（2）实验现象的分析和假设
对观察到的实验现象进行分析和假设，对每一个观察到的现象和细节都要从理论上进行说明，对无法说明的地方要进行相应的假设和猜想，最终要能形成完整的理论说明。重点要求学生解释：
金属棒发出的纯音是如何形成的？
敲击和手指摩擦两种方法形成不同声音的原因是什幺？
手指捏的位置与发声频率之间有什幺关系？
在这一过程中要求学生查阅相关的资料，综合运用所学知识，形成完整的理论假设。
（3）实验的设计方案
为印证对实验现象的理论分析，需要设计一系列的实验来证明自己的判断，这就要求学生自主完成实验设计方案。设计方案主要包括研究的目的、研究的具体方法、实验的内容、实验的程序、实验的注意事项等。
学生的实验预习报告应包括上述三个方面，以纸质形式上交。
2.交流讨论
学生上交实验预习报告后，教师要检查预习情况并加以引导和帮助，最终形成完整的理论分析和实验论证方案。选择具有典型性和普遍性的分析和设计方案，让学生进行汇报，并进行交流探讨，包括假设是否合理，实验设计方案是否可行，经学生修改实验预习报告后进入实验的操作环节。这一环节是相互借鉴和再判断的一个过程，并非强制性的形成统一的实验认知，学生可以根据交流情况进行修改，也可以坚持自己的想法和验证方案，教师在必要时给予一定的理论指导。
3.学生实验
学生根据预习情况到实验室完成实验，自己选择实验器材，搭建实验平台，完成数据的记录和分析。主要的实验内容包括：
重复教师的演示实验；
测量不同长度和不同材料的金属棒的发声频率；
研究手指捏在不同位置时的发声特点。
4.总结分析，撰写实验报告
对实验数据进行处理，分析发声频率与金属棒长度和波速之间的关系，得出金属棒发声的原理，并撰写实验报告。
在上述的研究性实验教学设计中，我们从对实验现象的观察入手开展实验，让学生经历观察和假设的环节，学生只有准确而全面的观察到实验现象，如手捏的位置、声音的特点，并从对这些现象的分析中做出合理的假设，才能进而设计实验进行论证。与一般的以明确的实验要求入手的研究性或设计性实验相比，学生多经历了观察和假设的环节，这是对创造性思维的一种锻炼。
三、加强观察和假设设计的途径
（一）转变观念，提升对观察和假设重要性的认识
社会的发展进步对人才培养提出了新要求，在实验教学中不仅要培养学生基本的实验技能，更要培养创新性的实验能力。它要求大学生能做到理论与实际相结合，具有发现问题、分析问题、解决问题的能力。这就要求必须要重视以观察和假设为基础的研究性实验教学。高校教师在长期的传统实验教学中，已经形成了自己相对稳定和成熟的教学模式，在思想上由于惰性而不愿去学习和做出改变。与此对应，在实践中，以观察和假设为基础的研究性实验教学对高校教师在知识能力上提出了更高的要求，在教学中也要牵扯更多的精力，面对这些他们不愿主动去做出改变。为此，高校教师要转变教学观念[7]，从促进学生发展的长远角度出发，加强以观察和假设为基础的研究性实验教学的实践。
（二）加强学习，掌握观察和假设的规律和心理机制
从教学设计来讲，观察和假设是一个实验的设计环节，但观察和假设作为一种实验方法是有其内在的规律和心理机制的。比如观察的方法有顺序观察法、解剖观察法、对比观察法、重点观察法和全面观察法等，每一种方法的心理机制和适用范围都不相同。为此，只有掌握了观察和假设的规律和心理机制才能更好的进行观察和假设环节的设计。教师需要加强这方面的学习，重点学习和掌握：观察和假设的分类与适用范围；关于观察和假设的心理机制；观察和假设法的实施方法与注意事项等。
（三）创设条件，开发注重观察和假设环节的研究性实验案例
具体的、可行的、有效果的实践教学案例能让教师感受到研究性实验教学带来的优势，这样才能进一步推动广大一线教师不断开展以观察和假设为基础的研究性实验教学的实践。当前，可供操作的以观察和假设为基础的研究性实验教学案例还比较缺乏。为此，必须要加强实验教学案例的开发[8]。具体可以在传统的研究性实验教学中加入观察和假设的环节；把现实生活中的实际运用开发为研究性实验教学案例；将演示实验转化为研究性实验等。
四、结语
设计性实验和研究性实验的目的是为了培养学生的实践能力和创新能力，但目前的设计性和研究性实验大多是从实验要求开始的，学生根据实验要求设计实验方法并自主完成实验数据的测量和分析，在这一过程中对学生的实践能力的培养起到了很好的作用，但不符合创新能力的思维机制，为此我们必须要重视观察和假设的教学环节的设计。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 王秋芬.设计性、研究性实验对学生创新能力的培养[J].大学物理实验，2006（9）：88-91.
[2] 何永凡，周红，周晓兵，等.利用大学物理实验平台培养学生实践创新能力[J].实验技术与管理，2016（6）：180-183.
[3] 刘金环.大学物理实验教学模式改革与建设研讨[J].大学物理实验，2005（3）：72-74.
[4] 姜志宏.研究性实验与学生科研能力的培养[J].大学物理实验，2006（9）：102-105.
[5] 王德春.语言学通论[M].南京：江苏教育出版社，1990.
[6] 刘炳昇，仲扣庄. 关注用物理知识分析和解决实验问题[J]. 物理教学， 2011（9）：26-29.
[7] 黄兰芳.大学生实验能力培养的思考[J].大学教育，2013（8）：36-37.
[8] 朱春玲，李梅，冯静，等. 基于培养创新型应用人才的实验教学改革[J].大学教育，2014（6）：19-20.
[责任编辑 钟 岚]
