例谈创新实验设计的一般思路

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        【摘要】  实验是物理教学中不可或缺的一环，但是传统实验不能满足日常教学的需要，想要改进原有的实验提高效果，或者自行设计新的实验，往往没有头绪。本文从日常实验教学经验出发，总结出创新实验设计的一般思路，并用实例说明它的实效和使用方法。创新不是漫无边际的想象，它应该是在满足一定条件的基础上设计出能实现某种功能的模型的过程，因此如何提炼功能要素是进行创新实验设计之前的一个相当重要的环节，从提炼功能要素到建立模型，中间过程就是创新的过程，创新思维必不可少。

【关键词】  创新实验 功能要素 建模

【中图分类号】  G633.7              【文献标识码】  A   【文章编号】  1992-7711（2019）24-165-02

《新课程新课程标准（2017版）》指出，物理学基于观察与实验，建构物理模型，应用数学等工具，通过科学推理和论证，形成系统的研究方法和理论体系。实验在物理教学中有举足轻重的作用，但是课本里的实验还满足不了平常教学的需求。有时候我们想设计一些更生活化效果更显著的实验，却不知从何处入手。本文从平常的实验教学经验出发，小结了一下设计创新实验设计的一般思路，并举例说明它的实效。

实验设计都是从需求出发的，所以实验设计的第一步，就是弄清楚这个即将要设计的实验仪器是想实现什么功能。其次，通过试验或者生活中已有的模型提炼出功能要素，创新不是没有条件的畅想，而是在一定框架下有价值的构想。第三步，根据功能要素确定仪器由几部分构成，反复衡量利弊协调各部分的关系初步建立模型。第四步，考虑仪器所用的材料、材质，将设计图变现。

实验设计一：抛体运动发射仪

广东版高中物理必修2第一章《什么是抛体运动》的课本插图中画出了以不同角度抛出的小球的运动轨迹，用来说明抛体运动的类型，用篮球做了一下实验，发现了问题，篮球个子大容易观察，但是做竖直上抛的时候运动轨迹总是很难在同一条直线上，原因很简单，初速度方向与重力方向不在一条直线上。但是只要是用手抛，都是很难把握方向的。能否设计出一个抛体运动仪，轻松达到这种功能呢？

1.首先要明确，抛体运动仪的功能就是可以向竖直方向、水平方向或者斜向上抛出一个物体。

2.其次，提炼抛体运动仪必需的功能要素。通过观察生活中的发射器不难想象，这种抛体运动仪应该包含几方面要素：第一，要有一段导管，用来引导小球初速度方向;第二，要有一个能检验导管是否与重力方向在同一直线的装置;第三，要有能使导管向各个方向倾斜的装置;第四，要有使用气体产生冲力的装置;第五，要有底座，确保导管使用过程中保持平稳。

创新实验设计需要不断地根据已有的素材在头脑中模拟运行，以找出素材的优缺点、设计难点、模型的不足，“运行”这种思维方法贯穿实验设計的整个过程，它是模型在大脑中动态展示。

3.协调各功能要素之间的关系，初步建立模型

初步设想：仪器分为导管、气室与鼓气装置、竖直检验室、方向仪，底座五部分。这几部分的关系如何协调？通过分析不难发现竖直检验室是为了检验导管是否竖直的装置，因此它应该与导管在同一直线上，气室是发球的动力装置，应该与导管距离最近，综上所述，这三部分最好是在同一管上，三部分分别用实心隔板和空心隔板隔开，如图1.

建模可以优先考虑生活中原有的模型，这样可以省去很多构思，也让仪器更贴近生活。比如，鼓气装置可以利用踩踏式打气筒，竖直检验室内可以用上重锤线，也可以装油性液体通过看液面来判断（图2），后者会比较快出效果。方向仪要求能使导管向任意角度倾斜，有什么现成的模型呢？有很多，吸顶摇头扇就是一个。通过分析得知它是用两个相互垂直的单摆运动合成一个圆锥摆运动，如图3.

如果把摇头扇换成导管（连同气室和竖直检验室）的话，底座必须朝下，这时又有问题出现了，支点o应该放在什么位置好？导管的另一端如何固定？用线段ab表示导管，分别画出支点o在a端、中端、b端的情况，如图4.

通过比较可以发现，支点在a端优点非常突出，第一，b端可以依靠油性液体的重力让ab保持竖直，相当于重锤线的作用;第二，如果要让ab倾斜，也只需要一个装置托住尾部就可以稳定;第三，a点作为球最后离开的位置，高质量地固定好这一点能更好地稳定球速的方向。综合以上分析，作设计如图5.

最后一个问题，导管末端如何固定，同样思维，通过观察抽象出必须的要素。摆动一下导管，在脑中运行一下可以知道：导管运动的时候末端的高度会变化，末端在底座上投影的位置也会变化，导管与地板所在的平面的夹角也会变。因此也不难总结出需求：第一，装置能移动，第二，装置能调节高度，第三，固定导管的零件能“抓稳”导管，并且能转动适应导管的倾角。满足以上要求的设计如图6.

4.制作仪器所需的材质、材料的选择。仪器用什么材料做出来，也是要根据仪器要实现的功能来决定，例如导管内壁最好是光滑，与球的直径相当，有一定长度，容易切割加工和粘合，有一定的硬度，能装液体，下端要透明。优先选择生活中已有的模型，满足以上条件的有：矿泉水瓶、羽毛球筒等。可以切下几个矿泉水瓶的瓶身粘合在一起;也可以用应该裁好形状后塞进一个羽毛球筒里。

以上是一个普通的创新实验设计，却蕴含了创新实验设计的一般规律。在四个步骤中最重要的是提炼功能要素以及建立模型，其中各种创新思维要灵活运用。

实验设计二，曲线运动条件实验的改进方案

广东版高中物理必修二第一章有个“探究曲线运动的条件”实验，本人在实验过程中发现磁铁的有效作用范围很窄，很容易把铁球吸引过去黏在一起，很难找到适合的作用距离。

显然，磁铁的作用力不是一个好的作用力。先来提炼功能要素：第一，作用力能持续（可以吸引也可以排斥）;第二，作用力要有比较宽的作用范围，用发散思维找到以下结果：

①电场力（吸引或排斥力）

②重力（吸引力）

③风扇（排斥力）

④电吹风（排斥力）

⑤高压水柱产生的推力

电场力、水柱明显不适合;重力作用可以利用，电吹风比风扇的作用力更集中，可以考虑，初步建立以下模型：

这些创新设计的思路是一般的思路，是用来引导我们如何得到设计方案的一些引子，我们设计课堂实验的目的是力求实用、简洁、生活化，如果遇到一些更复杂的设计，可能要用到更高级的方法，甚至要跳出一般的设计思维，不过只要把功能要素定位准确，一般的设计还是可以做出来的。

[ 参  考  文  献 ]

[1]江帆《TRIZ与可拓学比较及融合机制研究》.

[2]张明勤，范存礼，王日君，张士军《TRIZ入门100问》.

[3]刘银萍，彭端，蒋力立.创新实验教学与传统实验教学的比较[J].广东工业大学学报（社会科学版）.2010（05）.

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