物理教具自制不可逾越科學(xué)性紅線(xiàn)而釀成誤導
——關(guān)于某些發(fā)表文章所涉“光的反射折射演示方法”的質(zhì)疑與遐思
http://file.jssjys.com/video/wl/001/cz/（趙錦榮）物理實(shí)驗教具自制應勿忘科學(xué)性是其靈魂.doc
趙錦榮（海門(mén)市東洲中學(xué)開(kāi)發(fā)區校區）
【摘 要】物理教具自制意義多元而重大，但絕不能違逆科學(xué)性原則，憑空臆想，而應依據科學(xué)原理進(jìn)行實(shí)際研制并經(jīng)檢驗。如果自制設計發(fā)生了物理原理性謬誤，那么無(wú)論用于演示還是分組實(shí)驗，就會(huì )釀成對生誤導，使得他們對物理學(xué)知識體系的真理性、自洽性、互恰性、嚴密性、和諧性產(chǎn)生懷疑，從而削弱他們的科學(xué)信仰，最終的教學(xué)效果就適得其反、事與愿違?？茖W(xué)性是物理教具制作的靈魂，科學(xué)性原則是實(shí)驗教學(xué)的最高原則。物理原理上誤導學(xué)生，將其引向、引入科學(xué)思維的歧途和誤區，猶如引入一片泥沼，實(shí)乃物理教育之大忌、物理教師之大恥。物理教師應當治學(xué)嚴謹，全面而深入地貫徹素質(zhì)教育要求，強化科學(xué)素養，力求物理真諦，力戒訛謬誤導，著(zhù)力提高教學(xué)的“功率因數”，不辱科學(xué)教育之使命。
【關(guān)鍵詞】物理教學(xué)
一、物理教具自制意義多元而重大
自制教具，可過(guò)渡性地解決儀器資源不足及原有舊儀器與新課程新教材匹配不良等問(wèn)題，為全面有效地展開(kāi)實(shí)驗教學(xué)提供條件空間，是學(xué)校教學(xué)儀器資源的一種亞配置，又是工業(yè)化商品儀器的孵化器。教具自制，是豐富實(shí)驗室課程資源和全面提高學(xué)生科學(xué)素養的需要，是培養師生創(chuàng )新精神、增強實(shí)踐能力的一項重要工作，是實(shí)現和加快教師專(zhuān)業(yè)成長(cháng)的重要實(shí)踐平臺和技術(shù)途徑，是青少年科技創(chuàng )新活動(dòng)的可選領(lǐng)域，是課程素質(zhì)教育的一種拓展態(tài)、延伸態(tài)和掘深態(tài)。
學(xué)生參與教具（學(xué)具）自制活動(dòng)，還能培養其創(chuàng )新精神和實(shí)踐能力，可能是走向科學(xué)發(fā)明、技術(shù)發(fā)明的宏偉橋梁和平坦鋪路石之一。近幾年來(lái)，江蘇省各級教育行政部門(mén)舉辦的自制教具評選活動(dòng)，也包含了學(xué)生自制教具參評的內容。參加教育部組織的2006年第六屆(海爾杯)全國優(yōu)秀自制教具評選活動(dòng)的來(lái)自36個(gè)省區、計劃單列市和的669件自制教具中，有58件系學(xué)生作品，其中19件獲得等級獎。學(xué)生自制教具富有實(shí)踐性與生動(dòng)性，凝聚著(zhù)學(xué)生的創(chuàng )新精神、創(chuàng )新能力與勞作心血。
長(cháng)期以來(lái)，作為廣大師生智慧與勞作結晶的物理自制教具尤其是優(yōu)秀自制教具，為教育改革特別是物理實(shí)驗教學(xué)改革做出了貢獻。各級教育行政部門(mén)都非常重視教具自制工作。原教育部副部長(cháng)韋鈺指出：“制作教具是一種教研活動(dòng)，自制教具是一項教育科研成果，應該鼓勵和保護。”第六屆之前各屆自制教具全國獲獎證書(shū)上加蓋教育部印章，足見(jiàn)其受重視程度和成果規格之高。
二、對同類(lèi)自制教具光的反射折射演示方法的質(zhì)疑與商榷
演示光的反射折射是中學(xué)物理課程光學(xué)部分的一個(gè)基本實(shí)驗，對于學(xué)生建立反射折射概念、認識光的反射折射規律具有重要意義，具有較大教學(xué)價(jià)值。關(guān)于它的演示儀器，盡管有J2501光具盤(pán)、J2528《光的反射折射演示器》等標準化商品化儀器,另外《教學(xué)儀器與實(shí)驗》等專(zhuān)業(yè)刊物及自制教具獲獎作品集中也多有此類(lèi)自制介紹①②③④⑤⑥，但客觀(guān)事實(shí)表明這些儀器都存在一些較大甚至根本性缺陷，制造制作成本大，實(shí)際使用較為困難，效果也很是不佳。筆者認為，演示光的反射折射，核心困難在于在沒(méi)有示光性“添加劑”干擾的條件下光路被穩定清晰地顯示。有關(guān)刊物及獲獎作品集上介紹的同種自制儀器，有的是根本不能顯示光路的，純屬臆想之作②③。筆者拜讀《教學(xué)儀器與實(shí)驗》2001年第5期刊登的梁玉祥《半導體激光光路演示儀》、2009年第1期刊登的李鮒瑞《激光線(xiàn)狀演示光源》、2001年第6期刊登的李之應《多功能光學(xué)演示儀》和《物理教學(xué)》2005年第10期刊登的王立斌《光的反射折射實(shí)驗器材的改進(jìn)》等文章，認為其中有以下幾處值得質(zhì)疑和商榷。
一、按《半》文所述，激光光路是根本無(wú)法顯示出來(lái)的，而光路演示首先要顯示，光路演示又是該文、該儀器之要旨，所以該文、該儀器設計缺乏科學(xué)依據和事實(shí)支持。我們知道，激光電筒所射有色光束不論是亮室還是暗室，在空氣空間中是根本不能顯示其光的徑跡即光路的，只有光束經(jīng)微粒散射后才能被我們肉眼所視覺(jué)。激光電筒光束如果平行地貼射在涂有白漆的白色光屏上，也能顯示出其光路來(lái)。前后兩者是分別利用散射原理和漫反射原理實(shí)現光路顯示的。這是物理科學(xué)原理的結論，當然也是客觀(guān)事實(shí)證實(shí)和支持的。除此以外，沒(méi)有其他方法能顯示激光光束光路?！栋搿肺臎](méi)有提到貼射和散射，按其裝置圖示及文字說(shuō)明，也不能作貼射操作，因而根本不能達到顯示光路的功效。而光路不能顯示，就談不上演示折射及透鏡成像規律了。
二、《多》文在介紹使用方法時(shí)稱(chēng)（第28頁(yè)）：“接通電源，調節光源……，使單束光沿光盤(pán)射向平面鏡，并讓光束與光盤(pán)上的零刻線(xiàn)重合。然后轉動(dòng)光盤(pán)，可以觀(guān)察到反射光線(xiàn)和入射光線(xiàn)。……”
筆者認為，（1）該文根據演示的目的、要求，所稱(chēng)的單束光必然是指聚集成一細條狀的光束或稱(chēng)束光，而該文介紹使用并在第27頁(yè)以圖3表示的加有單縫光欄的平行光源筒是不能產(chǎn)生該種單束光的，并且即使是單束光，讓其沿光盤(pán)（鋁板制作）射向平面鏡，實(shí)際上是不能觀(guān)察到入射光線(xiàn)，更不能觀(guān)察到反射光線(xiàn)的。因為即使將“沿”解釋為“貼射”，由于沒(méi)有特定的散射、漫反射及暗室等示光條件，入射光線(xiàn)（準確地講應稱(chēng)為“入射光束”）及反射光線(xiàn)（應稱(chēng)“反射光束”）是根本不會(huì )顯示出來(lái)的，即是不可能被肉眼觀(guān)察到的。這既是物理學(xué)原理所揭示的，也是客觀(guān)事實(shí)所證明的。同樣地按照《多》文的做法，演示光的折射定律及反射現象都是不可能的。連光束都無(wú)法顯示，更何談“從反射光線(xiàn)和折射光線(xiàn)的明暗程度來(lái)說(shuō)明的能量分配”。
另外，《多》文稱(chēng)其多功能光學(xué)演示儀能演示光的會(huì )聚與發(fā)散現象，從而演示透鏡的光學(xué)性質(zhì)?！抖唷肺姆Q(chēng)：“在光屏上放上一只雙凸柱面透鏡，讓五束平行光射向透鏡，可看見(jiàn)折射后中間一束光的傳播方向沒(méi)發(fā)生改變，其余四束光折向中間的光線(xiàn)，形成光的會(huì )聚現象。”《多》文還稱(chēng)演示“過(guò)焦光線(xiàn)平行”、凹透鏡對平行光的發(fā)散作用等。筆者認為，這些說(shuō)法同樣是不能實(shí)際做到的，因為這五束平行光束都是根本不能顯示出來(lái)的。
三、《半》文稱(chēng)：“用砂輪沾水將掰開(kāi)的兩個(gè)半圓鏡片底面磨平，在磨平的底面上用‘粘得牢’粘上薄鐵皮。在演示實(shí)驗時(shí)可將半圓凸透鏡吸附在成像板上。”筆者認為，照此做法，即使激光光路能通過(guò)貼射在五合板上顯示出來(lái)，那么光束怎么能通過(guò)半圓凸透鏡呢？因為別忘記，本身光束是“貼”著(zhù)五合板入射到半圓凸透鏡底部的，而底部是薄鐵皮和“粘得牢”膠層，圓柱形激光光束本身是很細的，加之通過(guò)貼射又有強度衰減，怎么能透射過(guò)呢？《半》文說(shuō)：“將激光器接通電源，調整方向，使光束通過(guò)分光鏡片組后在成像板上留下三條平行光束。”按《半》文介紹，成像板是用五合板制作的，正面刷白油漆（或白色塑料板）。這個(gè)“五合板”肉眼看上去象是比較平整的，但如果用光學(xué)方法測量，例如用平行光平射，那是根本不平整的，就是說(shuō)，從光學(xué)角度看是不平整的。不平整的（即平面度差的）五合板怎么通過(guò)貼射來(lái)顯示出半導體激光器所射激光光束之光路呢？這在理論上、實(shí)際上都是根本行不通的。因而“留下三條平行光束”之說(shuō)也是客觀(guān)上不成立的，純粹是作者的“一廂情愿”。
四、《王文》稱(chēng)：“用兩用氣筒充入香煙煙霧，……”筆者認為，《王文》所述“香煙煙霧”，在科學(xué)上叫做“示光性添加劑”，雖在一定程度上顯示了“光路”，但產(chǎn)生了無(wú)法解決的科學(xué)邏輯矛盾：即加了諸如蚊香煙、甘油、牛奶等示光性添加劑后，傳光介質(zhì)就相應地變成了“煙和空氣的混合氣體”、“甘油水”、“牛奶稀釋液（水溶液）”了，怎么能說(shuō)看到的是“光在空氣、水中的傳播”呢？
五、在拙作《〈光的反射折射演示器〉新型自制及使用》（獲2002年南通市教育局頒一等獎）中，不用“示光性添加劑”，概念上將演示器中光束分成二劈（瓣），“一劈”由“示光質(zhì)”（不同于“示光性添加劑”）顯示光路，“另一劈”則真實(shí)地從空氣、水中傳播，“另一劈”通過(guò)“一劈”間接地顯示出來(lái)，它具有邏輯上的嚴密性，避免了“示光性添加劑”所固有的科學(xué)邏輯矛盾。
該自制教具利用漫反射或散射原理，以粗糙紙面作為漫反射示光質(zhì)，或以灰塵、面粉塵、玉米粞塵、泥沙塵等微粒材料作為散射示光質(zhì)。通過(guò)采用緩坡平面卡箍旋轉與漫反射平面體（塵鏡或粗糙紙面）微移互相配合的機制，使激光電筒射軸的臥角和臥懸度實(shí)現有效幅度內連續微調，以在一定光程范圍內可靠地、高效地形成亮度沿束向衰減緩慢、準均勻分布的漫反射色條或散射色條，進(jìn)而顯示出激光光束的光路，使光的反射折射現象和規律研究實(shí)驗得以較穩定地顯著(zhù)演示。
三、物理教具自制應當力求物理真諦杜絕訛謬誤導
綜上所述，筆者認為，物理教具自制絕對不能違逆科學(xué)性原則，憑空臆想，憑空想象，而應依據相關(guān)科學(xué)原理進(jìn)行實(shí)際研制，并經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗。實(shí)踐是檢驗真理的唯一標準。物理教具自制的本意是對實(shí)驗儀器的填漏補缺以及功能的改進(jìn)完善，其初衷和出發(fā)點(diǎn)是為了提高和增強實(shí)驗教學(xué)效果。但如果自制設計發(fā)生了物理原理性謬誤，那么無(wú)論用于演示還是分組實(shí)驗，就會(huì )對學(xué)生產(chǎn)生長(cháng)期潛伏的隱性誤導，使得他們對物理學(xué)知識體系的自洽性、互恰性、嚴密性、和諧性產(chǎn)生懷疑，從而削弱甚至毀滅他們的科學(xué)信仰，最終的教學(xué)效果和效益就適得其反、南轅北轍、事與愿違了。
眾所周知，物理科學(xué)揭示和反映的是物理運動(dòng)和物質(zhì)結構的客觀(guān)規律。精確性、準確性（統稱(chēng)為精準性），是機械運動(dòng)、物理運動(dòng)、化學(xué)運動(dòng)、生物運動(dòng)、社會(huì )運動(dòng)等全部運動(dòng)形態(tài)、物質(zhì)世界尤其是微觀(guān)物質(zhì)世界的基本本質(zhì)屬性、固有屬性與關(guān)系屬性，是物理科學(xué)乃至全部自然科學(xué)的靈魂。精準產(chǎn)生美，產(chǎn)生力量。例如，現已確定電子電荷e與質(zhì)子電荷的絕對值精確相同（兩者之差小于10-20e）。如果稍有差別，雖然也可形成穩定的“原子”、“分子”，但卻是非電中性的，由于電力比引力大37個(gè)量級，其間的電斥力將超過(guò)引力，從而不可能形成星體，各種生命和人類(lèi)也就失去了賴(lài)以形成的基礎。
科研人員如果缺乏一種“打破砂鍋紋（問(wèn)）到底”的探索精神（科學(xué)精神的精髓）和深究能力，就出不了研究成果，更永遠也孕育不出諾貝爾獎成果來(lái)。毋庸置疑，包含科學(xué)精神在內的科學(xué)素養是理科教師的必備基本素養。
我們任何時(shí)候都應牢記，科學(xué)性是物理教具制作（實(shí)驗儀器自制）的靈魂，科學(xué)性原則是實(shí)驗教學(xué)的最高原則?？茖W(xué)原理上誤導學(xué)生，將其引向、引入科學(xué)思維的歧途和誤區，猶如將其引入一片泥沼，乃科學(xué)教育之大忌、科學(xué)教師之大恥。
科學(xué)性是物理教學(xué)的靈魂，科學(xué)性原則是物理教學(xué)的最高原則。物理教師在其學(xué)科教學(xué)活動(dòng)全過(guò)程中，應當治學(xué)嚴謹，全面而深入地貫徹素質(zhì)教育要求，強化科學(xué)精神，力求物理真諦，力戒虛浮訛謬，著(zhù)力提高教學(xué)的“功率因數”，不辱科學(xué)教育之使命。高職稱(chēng)教師尤其是物理名師（具有地市級以上學(xué)科帶頭人、省級以上教學(xué)骨干[骨干教師]、中學(xué)特級教師、教授級中學(xué)高級教師、博士研究生學(xué)歷或博士學(xué)位等若干種高層次專(zhuān)業(yè)身份，貼著(zhù)這些社會(huì )標簽，任職于教育機構以及教研、教科機構的物理教師）更應樹(shù)立表率，垂范于人，為國民物理素養之切實(shí)提高與物理專(zhuān)門(mén)人才之前期性啟蒙性培養，作出與自己專(zhuān)業(yè)身份相稱(chēng)的“有用功”，創(chuàng )造出真實(shí)有效而非虛擬化甚至虛假化、泡沫化的驕人業(yè)績(jì)。謹以此共勉。
（全文約4700字符，正文約4100字）
注釋及參考文獻：
①林資治.自制《光的反射折射演示器》. 北京:第二屆全國自制教具評選活動(dòng)二等獎作品,教育部頒布,1986.
②梁玉祥.半導體激光光路演示儀[J]. 北京:教學(xué)儀器與實(shí)驗，2001,（5）,12.
③李之應.多功能光學(xué)演示儀[J]. 北京:教學(xué)儀器與實(shí)驗,2001,（6）,28.
④蔣從喜.滬科版物理課改實(shí)驗教材設計與教具籌制[J]. 北京:教學(xué)儀器與實(shí)驗，2003,（2）,12.
⑤王立斌. 光的反射折射實(shí)驗器材的改進(jìn)[J].上海: 物理教學(xué),2005,(10)，47、48.
⑥李鮒瑞.激光線(xiàn)狀演示光源[J].北京:教學(xué)儀器與實(shí)驗，2009,（1）,47.
⑦蘇科版初中物理教材編寫(xiě)組.物理實(shí)驗[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,2003,47,65.
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