DIS：数字化实验系统的创造技法纪实

笔者研究物理实验创造技法已近四十年，《物理实验创造技法和实验研究》一书的出版（1997年）标志着物理实验创造技法的初步形成。书中详细阐述了九种创造技法：缺点列举技法、逆向技法、强化技法、模拟技法、组合技法、比较技法、需求技法、替代技法和挖掘潜力技法。20多年后，我们再重新回顾一下这些内容，期望对早期的研究成果进行一番梳理。

1.缺点列举技法

在发明创造领域有一条基本原理：“如果某种东西能够使人满意，那就没有什么压力要人们去考虑更好的东西。”缺点列举技法是指通过发掘现有事物的缺陷，且一一列举，然后提出改革或革新的一种技法。列举缺点，就是发现问题，而创造发明就是要解决问题。每发现一个缺点、提出一个问题，也就找到了一个创造发明课题。世界上没有尽善尽美的东西，现在没有，将来也不会有。“金无足赤、人无完人”说的就是这个道理。有些人善于观察、研究、分析，能经常发现许多事物的缺点。也有些人由于情性心理的影响，安于现状，得过且过，对事物存在的缺点熟视无睹，因此失去了一个又一个创造发明的机会。还有一些人，他们也发现了一些事物的缺点，但对这些缺点采取容忍的态度，认为是小事一桩，不值得一提。或者，他们迷信权威，盲目接受，不想、更不敢去质疑和改进。这种对权威的迷信，会束缚人的思想，扼杀人的创造性。因此，我们只有敢于全面地发掘事物的缺陷，才能更好地把缺点一一列举出来。

缺点列举技法简便、易学、有效，把它应用于物理实验教学不仅有助于改进实验的“硬件”—仪器装置，而且还有助于改进实验的软件—方法、方式。

示例包括：测力计的创新设计、萘的熔化实验研究、牛顿管的改进、“匀速运动”实验装置的改进、“运动独立性”演示器的改进、麦克斯韦滚摆演示方法的改进。

2.逆向技法

每个人几乎都有自己的习惯思路，久而久之，就形成了思维定势。而创新、创造却要求我们跳出思维定势，学会从事物的各个方面，尤其是相反的方面去分析，只有这样，才能见人之所未见，思人之所未思。

逆向技法是改变一般思维程序，把事物反过来看，并由此解决问题，产生新的产品和成果的创造技法。把逆向技法引进实验教学，在教学中将正面、反面两种现象有机结合，交替显示或改变演示程序，可获得殊途同归、事半功倍之效。

示例包括：由热变冷—双金属片实验的新思路、没有大气压的大气压实验、“二力平衡”和“连通器原理”实验演示方法的改进、改抽气为充气—牛顿管实验的一种尝试、反证浮力产生的原因、由低温到高温—扩散云室设计新思路。

3.强化技法

在物理实验演示中，实验现象一般以多种形式呈现出来。不同的现象对学生的刺激作用也不尽相同。值得注意的是，一些表现关键因素的现象往往不一定以强刺激的形式出现，而表现非关键因素的现象倒有可能给学生较强的刺激，这种本末倒置的状况会直接影响了演示实验的教学效果。

强化技法就是对某些关键因素给予加强，或通过削弱一些非关键因素，使关键因素突出。应用这种技法时，先要研究哪些是关键因素，哪些是非关键因素，然后通过必要的“削弱”和“突出”达到强化的目的。

在物理实验教学中，要求实验关键因素必须处于非常明显的状态，以刺激学生的感官，并尽可能强烈地激发其一探究竟的心理。“强化”就是要增加关键的、需感知部分的强度（称正强化），或者排除一些“无关和次要”的现象（称负强化），突出要研究的对象或现象，显示“隐性”的或“不明显”的现象。这里所讲的“排除”“突出”或“显示”就是指的要优于一般，即“强化”对同一物理实验在具体操作时可采用“正”或“负”的强化手段，也可以同时采用。如光学实验中增加光源亮度为正强化，使房间变暗为负强化，而为达到理想的效果经常是两种手段同时采用。

示例包括：突出主要因素，设计“液体分子间存在空隙”的实验装置；显示“远距离输电”实验中所消耗的能量；强化“真空铃”现象的变化过程；简化装置，直观显示阿基米德定律；可显示电流通过路径的变阻器；多方位刺激，做好“空气有质量”的演示；突出关键因素，研究电磁感应实验；消除非关键因素，延长伏达电池的演示时间。

4.模拟技法

在日常交流中，人们常用比较熟悉的现象去形象地说明另一个生疏的现象，这可以说是模拟技法的雏形。

在物理概念、物理规律的教学中，学生往往对那些不易观察或不能从外部直接观察到的现象，因缺乏形象的感性认识而产生思维障碍。这时，我们常借助模拟实验来提供给学生熟悉的生动形象的感性材料，从而达到揭示现象本质、点拨学生思维的目的。

示例包括：用扇形纸片模拟双金属片、琴弦发声的模拟、摩擦力模拟器、模拟分子间相互作用力、链式反应模拟实验、跨步电压模拟实验、模拟带电粒子在电场中偏转、模拟密立根油滴实验。

5.组合技法

美国阿波罗登月计划的领导者韦伯说过：我们所用的技术，都是已有的、现成的，关键在于组合。发明晶体管的肖克莱也认为，所谓创造就是把以前的独立发明组合起来。“组合就是创造”，这是日本人提出的口号。

把两个或两个以上的不同结构，巧妙地组合在一起，使它成为个新产品，这种发明方法叫“组合技法”。物理实验教学经常使用这种技法，关键是把各类功能的物品组合起来的新器材，必须讲求实效。千万不要把风马牛不相及的东西硬凑在一起，弄得不伦不类。另外，物理器材的改革和创新是为了教学，它有别于生活用品、生产工具的研制，因而必须符合教学特点，使其能适应实验教学设计的思想方法的需要，否则就不是理想的方案。所以一定要组合得当，组合巧妙。

示例包括：平抛运动演示器—成对组合、水的沸腾实验—异物组合、真空铃实验—元件组合、反射光栅—非切割组合、内聚力演示器—删减组合、有静电消除器的光电效应演示器—内插式组合。(www.xing528.com)

6.比较技法

依据一定的标准，把彼此有某种联系的事物加以对照，以确定他们的异同，这叫比较。比较的方法，是人们在认知活动中，自觉或者不自觉地广泛应用着的一种方法，通过将两个对象（事物、状态、性质等）相互比较，以确定它们的相同或不同之处，在比较中鉴别，经比较确认。

在物理实验教学中经常是通过一些仪器装置，创设特定的条件，再现某种事物的物理过程或物理现象，用事实的本质来验证教材中提出的某一种理论。但教学实践证实，有时仅仅做到这一点还是不够的，因为单一的实验结果，学生头脑里印象不深，甚至不易理解，同时也可能为类似的生活经验所混淆。很多有经验的教师在实验设计中有针对性地加进相应的实验内容，与原实验进行比较，达到辨异求同，或者同中求异，从而达到打开思路、加深印象、增强说服力的功效。我们也是通过分析这些成果，并归纳整理了大量教学案例，才总结出了物理实验创造技法中的比较技法。

示例包括：反电动势的本质、微小形变的显示、交流电和直流电的比较、两种伏安法测电路的比较、不同质量物体惯性的比较、牛顿第二定律同步比较演示器。

7.需求技法

需求，就是需要和求索。所谓需要就是人们对某种目标的渴求和欲望，所谓求索就是人们为了达到某种欲望的追求和探索。

一些有志于物理实验教学研究的教师经常会思考这样的问题：“研究什么呢？”要一下子回答这个问题是十分困难的，因为要研究什么并不是创造发明的起点，真正的起点是你在物理实验教学中的需要。物理教师应该经常这样来问自己，物理实验教学中还有什么需要。当你利用某些新装置或新方法满足了教学的某种需要，发明也就完成了。

人们常说：“需要是发明之母。”这句话甚至成了现代发明家的座右铭。事实上，物理实验教学中所取得的一系列成果大都是从人们发现某种需要开始的。

需求技法，就是为了满足提高物理实验教学质量的需求而进行的创造发明活动。需求技法有一条基本原理：亲身感受是认识需求的最简便途径。物理教师都要和学生、教材及实验打交道。当你在进行实验教学时，把自己的感受和对实验教学的期望加以比较，若发现两者有差异，这个差异对你来说就是一种需求，也就确定了努力的方向。因此，可以说“需求是灵感的源泉”。

示例包括：大屏幕教学示波器、惯性演示器、记忆测力计、静电探测器、小孔成像、惯性上抛演示。

8.替代技法

中国人用筷子取食已有数百年的历史，方便、卫生的筷子替代了手的功能。

在物理实验教学中，人们经常也采取一些替代的方法，如缺乏现成仪器会找些功能相同的器材代替；一些效果不佳的实验也可用自制教具代替。

物理实验创造技法中的替代技法是通过对原型的观察研究，洞悉其材料结构、工艺造型、功能原理等，在原型的引发下实施创新的技法。替代技法不是消极的顶替和被动的变换，而是一种主动、积极的创造。

替代技法操作过程中由于创造者的条件环境有别，对原型的研究层次差异不一，其创造成果也会千差万别，而这正是创造发明的特点。

示例包括：液体扩散演示的替代、用导电纸替代金属线的电阻定律演示器、用发光二极管替代小灯泡的自感现象示教板、自制多用计替代微小压强计、水导热实验的改进、用滚摆做超重失重实验。

9.挖掘潜力技法

面对正在琢磨的东西认真思考，这个东西是不是已经得到充分利用？这样多想一想、多画几个问号，就有可能打开创造的思路。这就是创造技法中的“挖掘潜力法”。

将物理实验中的现有材料或器材，尽可能地应用于不同实验之中，显示尽可能多的实验现象，说明不同的物理原理，充分提高实验装置和器材的利用效率，是挖掘潜力技法的主要应用模式。

示例包括：气球、压力锅、废灯泡、“深水炸弹”。