唤醒学生科技创新意识的高中物理教学策略与案例研究

唤醒学生科技创新意识的高中物理教学策略与案例研究

物理科　刘石头

[摘　要]现代科技迅猛发展导致物理学知识高速扩充，它要求高中生不但要有较高的课堂内学习教材的能力，更要有独立获取新知识的能力。当代物理学已渗入人类生活各个领域，为了适应社会发展，教师在高中物理教学中唤醒和培育学生的科技创新意识尤为重要，而科技创新能力源于创新意识，只有培养学生科技创新的精神，使其亲身体验物理规律的发现过程，才能提升探究未知事物的能力。本文基于案例，探讨在高中物理课堂上培育学生科技创新意识的教学策略。

[关键词]科技创新意识　策略　案例　高中物理教学

人才的质量取决于科技素养的高低。科技创新意识是创新能力的前提，这种意识不是短时内能培养的，而是学生在日常生活中通过观察和思考逐步积累的。目前，我国正在开展的新课改，要求提高学生的身体素质、思想素质、科学素质和科技创新能力。科技创新意识应具有如下特征：一是敏捷性，即在处理具体问题的过程中，能够迅速作出判断和结论。二是灵活性，包括思维起点灵活、思维过程灵活、概括—迁移能力强、善于重组分析等。三是深刻性，善于深入事物内涵，把握事物的规律和本质，预见事物的发展过程。四是独创性，能独立思考，并创造出新颖的、有社会价值的智力成果。五是发散性，有良好的思维扩展性，能较多地产生新奇想法。在培养学生科技创新意识和能力中，高中物理教学是起着重要作用的。

一、唤醒学生科技创新意识的高中物理教学策略与案例研究意义

教育的出发点是以学生发展为本，而不是知识的灌输。我国基础教育注重的是培养学生学会学习、学会思维的能力，培养他们的创新意识、创新精神和创新能力，提升综合素质，让学生终身受益。学校应培养具有创新意识、创新能力的高素质人才，这是时代赋予教育的崇高使命。创新的核心是创造性意识，就是在原有认知结构的基础上，经过独立的分析、综合，形成新的知识联系，从而使问题获得解决的意识和思维过程。

物理教学的认知方式以其准确的实验事实、严密的逻辑性和大胆的质疑精神而有别于其他的认知方式。物理学的科学解释的准确性依赖于观察和实验的证实，而准确的解释（概念、规律和理论）的形成是靠不断的探究和大胆的质疑完成的。因此，物理教学过程应该是让学生在探究物理知识的过程中不断活跃思想，不断培养创造性思维的过程。特别需要指出的是，高中物理教学的主要任务是培养学生学习物理的兴趣，掌握物理学的基础知识，学会学习，树立科学观点、科学精神，培育创新意识和创新能力，它对全面提高学生素质，特别是科学素质有重要作用。

科技素质反映人们对日常经历的事情充满好奇心，能够发现问题、提出问题和解决问题。面对市场经济和国际竞争的挑战，年轻一代不仅需要接受现成的真理，更需要树立不断探求真理的信念和勇气，学会探求真理的方法。时代要求发展学生的开拓精神、创新意识和创新能力。没有创新，就不能有所发现，有所突破；没有创造，只能亦步亦趋，人云亦云，社会不能进步，科学不能发展。对21世纪人才而言，必须具有创新意识和创造能力，高中物理教学要重视培养学生的创新意识和创新能力。

新课程标准要求高中物理教学在传授知识的同时，注重学生的能力培养，特别要重视探索能力、发现能力和创造能力的培养。物理学作为自然科学的基础学科，蕴含着许多个性思维方式，是培养学生创新思维的极好素材，因此物理教学对培养学生的创新思维能力具有独特的优势，应当担负起培养学生创新思维能力的重任。中学生正处在思维发展的最佳时期，因此，在物理教学中渗透科学研究方法，让学生掌握科学的创新方法，通过优化教学方法、重视实验教学，有利于激发学生的创新意识、创新精神和创新能力的综合发展。

然而，我国中学生科技创新实践能力还没有得到足够的重视，各中学仍然在以分数排位。唯分数为学校的生命线是当前我国应试教育的顽症，它限制了青少年科技创新意识和能力的培养和开发，剥夺了青少年科技创新能力的个性化发展。

因此，如何在物理教学中对学生的创造性思维及科技创新意识进行开发，成为本文的研究重点：把灌输知识的传统模式变为自主探究模式，把有趣的物理实验扩展成学生研究性学习的课题活动，把题海战术扩展为创意设计或发明平台，注重引导学生提出问题并积极主动地解决问题，从而培养中学生的科技创新意识和能力。

二、唤醒学生科技创新意识的高中物理教学策略

人们对科技创新意识的说法不一，有的强调创造的结果，有的强调创造的动机。通常认为“科技创新意识”是指：运用已有知识，对相关信息进行加工，产生有社会和个人价值的新思想、新意图、新设计、新方法、新产品的思维。

（一）启发学生科技创新意识的思维方法

1．发散思维

发散思维是在思维过程中，通过对若干概念的重新组合，发散出（如同辐射）两个或更多个可能的答案、设想或解决方案。发散思维具有变通性、流畅性和独特性等特征，可以使学生从种种聚合思维的束缚下挣脱出来，破除认识上的各种思维定势和思想惰性，因而是科技创新意识的重要成分。发散思维要求充分发挥人的想象力，突破原有知识圈，打破各种习惯思维的束缚，以思考问题为中心，从一点向四面八方想开去。通过知识观念的重新组合，找出更多、更新的可能的答案。因此，发散思维是一种从不同的方向、不同的角度和不同的途径寻求多种答案的思维。它允许思考者“海阔天空”、“异想天开”、“标新立异”，以便从已知的领域去探求未知的境界。发散思维能力的高低，取决于一个人的知识面、想象力，尤其是“转移能力”。

2．收敛思维

收敛思维，也称集中思维，就是从众多信息中引出一个正确的答案或大家认为是最好的答案的思维过程。说得通俗一点，收敛思维是指：以某个思考对象为中心，从不同方向和不同角度，将思维指向这个中心点，以达到解决问题的目的，即利用已有的信息，得出某一正确的结论。这种由问题引起的思考是有方向性、收敛性、封闭性的。这是一种寻求唯一正确答案的思维。收敛思维能力的高低，取决于一个人的分析、比较、综合、抽象、概括、判断和推理的能力。

3．变通思维

变通思维是指以不同类别或不同方式进行思维，能从某个思想转换到另一个思想，或能以一种新方法去看一个问题的能力。它帮助我们在解决问题时能找到不同的应用范畴和许多新观念，意味着能以不同的方式去应用资料，不以僵化的方式去看问题。人们常以“穷则变，变则通”、“随机应变”、“举一反三”等来形容一个人思维的变通力。通过变通的训练，能提高学生的变通思维能力，为其带来跨领域的新想法。

4．越障思维

越障思维是指在思考解决问题的方案时，能摆脱以往思维方法和经验中形成的思维定势。一般而言，思维定势有两个特点：一是强大的惯性，二是形式化结构。只有当被思考的对象填充进来，只有当实际的思维过程发生以后，才会显示出思维定势的存在，显示出不同定势之间的差异。多数情况下，某种思维定势的建立要经过长期的过程，而一旦建立之后，它就能够不假思索地支配人们的思维过程、心理状态乃至实践行为，具有很强的稳固性甚至顽固性。因此，了解、发现、研究并规避思维定势，是实现思维超越的重要方法。越障思维就是要克服消极的思维习惯，开阔思路，越过“想当然”、“专家早有定论”等各种思维定势，而去充分地、自由地、多维地考虑问题的各种可能性。

（二）激发学生科技创新意识的实践措施

创新不是光靠兴趣、热情和思维就能完成，还需要强大的推动力、执行力，这就要求教师采取具体措施，在实践中培养学生的创新意识和创新能力。

1．拓宽高中生的知识面

知识是人类在实践中积累起来的经验的概括和总结，是人类的认识成果。它与创新能力的关系，犹如土壤与种子的关系，只有肥沃的土壤，才能为种子提供丰富的营养，使种子成长为生机勃勃的植物，直至开花结果。所以，教师应该努力拓宽学生的知识面，使其积累丰富的知识经验，形成最佳知识结构。一般来说，知识是创新能力的源泉，创新能力是知识的表现。知识丰富可以使人站得高、看得远，博古通今，容易发现问题的症结所在。同时，健全合理的知识结构，则更有利于创新能力水平的发挥。

2．强化搜集、整理、综合信息的技能

资料、信息是人类的科学文化知识、思想观念和各种实践活动赖以记录、保存、交流和传播的一切印刷品和视听材料的统称。直接的资料、信息是人们通过阅读书籍报刊、听看广播电视、浏览因特网等各种传播媒介所获得的信息资料。处理信息的能力包括对资料的鉴别、分析、整理。整理资料就是将所获取的信息分门别类地加以归纳，使原本分散、个别、局部、无系统的信息资料，变成能说明事物过程或整体，显示其变化轨迹或状态，论证其道理或阐述其规律的系统的信息资料。分析资料，即运用科学的分析方法对所占有的信息进行分析，研究特定现象、过程及内外各种联系，找出规律性的东西，构成理论框架。

3．在合作中提升实验技术的水平

实验技能是一种综合性的专门技术能力，包括使用和操作实验仪器的能力、观察实验现象的能力、对实验原理的理解和设计实验的能力、记录实验结果的能力等。而合作是人类生活不可缺少的重要组成部分，尤其是在集体项目的研究过程中，观念的不统一、研究方向的争议、每个成员在实验中的角色定位等，都需要教师协调和引导，并在此过程中凝聚合作精神。因此，在参加创新大赛的准备过程中，笔者特别强调集体项目中学生合作精神的培养，借此提升成员的实验技术水平。任何一个集体项目都要注重每个成员的作用，当观念发生冲突，当矛盾引发争执，当研究遭遇瓶颈，就更凸显合作精神的重要。

（三）唤醒学生科技创新意识的教学策略

1．转变观念，深化改革

在高中物理教学中唤醒学生的创新意识，首先要解决的问题是教师自身要转变教学观念。因为学校教育不是让学生做大量的习题，也不是教师给学生灌输现成的知识，它应该是学生发展认知的场所，教师应引导学生自主学习，鼓励学生养成质疑、批判的思维习惯；着力培养学生善于发现问题、自主探索问题、合作解决问题的创新精神和综合能力。一个具有创造性思维的教师应能帮助学生在自学的道路上迅速前进，教会学生怎样对付大量的信息，他更多的是发挥向导和顾问的作用，而不应成为机械传递知识的简单工具，否则，教师极易束缚学生创新能力的发展。

教师要认清创新能力与智力的关系。一般而言，教师长期受应试教学的影响，过分追求升学率，因此，比较喜欢考分高的学生而不喜欢创新能力强的学生。这是因为创新能力强的学生往往个性比较突出，不按传统方式办事，他们喜欢探究那些非常规的、书本上没有的知识领域，这类学生易被教师贴上“异类”标签。教师必须适应时代的发展，从根本上转变教学观念，积极进行教学改革，不再以分数高低、掌握书本知识的多少作为衡量学生水平的重要的甚至唯一的标准，要在物理教学中唤醒学生的科技创新意识和潜能，引导学生在学习物理过程中有所发现、有所领悟。

2．营造氛围，创新环境

班集体作为创新能力的社会环境，直接影响个体的创新能力，教师要在班内营造有利于创新的教学环境，这包括教学心理环境和教学物理环境。教师在培养学生的创新意识时，应注意创设生动活泼、和谐民主的教学环境，使学生“心理安全”和“心理自由”，能够大胆地、自由地积极思维。因此，教师应保护学生理解的自由，容许学生对物理环境、物理结构有自己的认知和把握，而不应将自己的意识强加给学生，从而浇灭了那些刚刚燃起来的“创新的火花”。教师要正确对待学生在探索中不可避免地出现片面、甚至是错误的意见和想法，善加引导，不要因武断和不屑而扼杀了学生的创新意识。

3．提升理念，优化课堂

课堂教学是科技创新教育的主渠道，也是培养创新意识和能力的主阵地。教师要注意课堂施教过程的“活”，尽力创造一种有趣、主动探索的课堂气氛，引导学生参与知识的形成过程，把课堂教学变成一个思考王国。在课堂教学中尽可能增加学生自己探索知识的活动量，给学生一定的自由，充分展示他们这一年龄阶段所特有的好动性、表现欲，从而有效地发现学生的个性并发展学生的创新能力。在课堂教学中，凡是学生通过努力自己能把握的，都应该让学生自己去探索；凡是学生通过努力自己能做到的，都应该让学生自己去做、自己去创新。在学习活动中，教师主要给予学生必要的启发、诱导、点拨，长此坚持，学生就会形成良好的学习习惯，创新能力就会得以发展。在课堂教学中，教师还要努力挖掘教材的创造性因素，如给学生介绍科学家的发明创造，探究规律、定律是如何被发现的，注重前人创造思维、思想方法和研究方法对学生的启迪。

物理教师尤其要在改革教法、优化学法、注重学生的自学能力等方面下功夫。因为物理学的知识既有高度抽象性，又有相当的实践指向性，再好的物理学教科书，也要通过学生钻研、消化才能掌握；再好的教学方法，没有学生的主动配合也发挥不出效益。实行“综合科目”考试，物理课时有所减少，要保证学习的质量，必须改革教学方法，坚持以学生为主体的原则，积极实行启发式、讨论式教学，激发学生独立钻研精神和创新意识，引导学生主动学习、自主学习，培养学生研究性学习的习惯。让学生感受、理解物理知识产生和发展的过程，而不仅仅是学会结论。要避免机械重复、主次不分、满堂灌输、以讲代练、以讲代学、重结论轻过程、重答案轻分析的现象。对学生自学能力和创新思维习惯培养的重视程度，恰恰是现代教育与传统教育的重要区别。在处理“导”与“学”的问题上，更应重视“学”，学生的自学时间要充分保证，学习面要尽量宽泛。教师不能对学生的学习时间统得太死，课程也不宜安排得太满，学生要有充分的自主学习时间，才能涉猎广泛的知识。让学生经常思考：“前人、科学家、发明家是怎么获得创新思维的？他们解决问题的方法是什么？如果是我，会怎么想，会怎么做？”教师应引导学生更多地了解创新者探究的过程，从中获得启悟。

4．巧置作业，方法引领

作业是用来消化巩固课堂知识的，一般说来，作业是由教师设计或布置的，学生处于被动状态，不敢提出异议，这样极容易抹杀学生的创造动机。只有优化作业形式，让学生自己设计作业，创造性地完成作业，才能完全发挥作业的作用，充分激发学生的创造兴趣。为此，教师要先扶后放，教给方法。先让学生对教师设计的作业进行评析讨论：教师为什么要这么设计？是从哪方面来考虑的？还可以设计出什么不同的作业？然后让学生围绕课文重点，自己设计题目，自己讨论解决。学生设计的作业肯定是有差距的，对于一些立意新颖、具有独创性的作业设计，要予以展览、褒奖，以此调动学生的创造积极性。

进行科学方法教育不能脱离物理知识的教学，教师要寓科学方法教育于物理教学之中，挖掘教材中的科学方法论的素材，以物理知识为背景进行科学方法教育。科学方法教育的具体内容，往往是以隐性的方式出现在教材中的，所以，必须与物理知识教学相结合，以知识传授作为方法教育的载体，让学生在学习知识的过程中潜移默化地受到科学方法的熏陶。

5．开展研究，注重活动

研究性学习是学生在教师的指导下，从周围生活和社会生活中选择和确定研究课题，以类似于科学研究的方法主动地获取知识、应用知识、解决问题的学习活动。设计性或探索性实验不仅要求学生掌握一定的物理知识和实验技能，还要求他们灵活地、创造性地综合运用这些知识和技能。创新活动的基础是科技活动，科技活动的开展状况深刻地左右着创新活动。为此教师必须想方设法开展科技活动。

例如，课外实验题材广泛，材料极其丰富，是一种激发学生学习兴趣、发挥学生创造能力的有益活动，课外实验不仅能巩固和深化课内知识，而且有利于培养学生的实验技能，增强学生思维的独创性。我校开放实验室，进行物理小制作比赛，使学生尝试到动手动脑的乐趣；我校教师指导学生进行小发明创造、撰写科技小论文，培养学生的科幻意识和创新精神，这些活动培养了学生搜集信息、处理信息的能力；还发展了学生的兴趣特长，提高了他们的想象力，使其对同一问题，善于全方位、广角度、多途径去分析思考，从而发展了求异思维和创新能力。

物理实践活动是培养学生创新能力的有效途径，集知识性、科学性、实践性和趣味性于一体，体现了个体养成功能、知识整合功能、能力迁移功能、世界观培养功能和社会综合功能等。所以，教师在教学中要丰富课外实践活动，开发学生的创新潜能。物理实践活动，应以问题为中心，培养学生自主学习的能力、探究学习和合作交流的能力，初步训练一些科学研究方法，例如，社会调查、参观访问、资料查询、科技制作等。教师在组织实践活动时，要指导学生学会观察，善于观察，通过观察发现新现象、新问题，触动灵感。物理实践活动的收获可多可少，应鼓励学生重在参与。教师还要指导学生建立兴趣小组，鼓励小发明、小创造。可以让学生利用所学的物理知识来解决实际问题，如制作光控窗帘、音乐卡片、航模等，还可以让学生自行设计实验，如制作简易实验装置等。实践证明，这都有效地培养了学生的知识应用能力和动手能力。同时，小发明、小创造的成果使学生体会到创造力并非神秘莫测，不再是“天才”、专家的“专利品”，从而有效地开发自己的创造潜能。

6．增强素质，扩展视野

创新是一个民族的灵魂，是一个民族兴旺发达的不竭动力。在知识经济的社会中，人的最重要的素质就是创新能力。所以，在高中物理教学中，教师培养学生的创新能力是实施素质教育的重要内容。而物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以严格的物理实验为基础，并受到实验的检验。因此，在物理教学中，尤其是在实验教学中，教师必须注意不断激励学生通过观察、比较、实验、归纳等探索手段，提出种种假设和猜想，发展其创新意识。

随着时代的发展，培养学生的创新精神已成为素质教育的主旋律。联合国教科文组织认为，教育的使命是使每个人发展自己的才能和创造性潜能。培养创新的人才成为时代的要求。法国教育家埃德力·富尔在《学会生存——教育世界的今天和明天》一书中指出：“未来的文盲不再是不识字的人，而是没有学会学习的人。教育的目的不应该培养学生从事一种特定的终生不变的职业，而应以培养他们有能力在各种专业中尽可能地流动，并永远刺激他们自我学习和培训自己的欲望。”

三、唤醒学生科技创新意识的高中物理教学案例剖析

课堂教学是实施创新教育的主阵地，培养高中生的科技创造能力可从物理课堂教学开始。在物理教学中，教师应该不断激活学生的创新意识和求异思维，培育其探索精神并提升其创造能力。

（一）案例一：联系生活，突出实用

物理教学是一门以实验为基础的自然科学，通过实验设疑，可以激发学生浓厚的学习兴趣和探索精神。要唤醒学生的科技创新意识，需要培养学生的发散思维能力，即对一个问题，能从不同的角度和方向去思考，设法解决问题。因为创新的过程就是运用灵活多变的创新思维设法解决问题的过程，也可以是一种教师在教学中对学生发散思维能力的强化训练过程。教师特别要注重开展丰富的实践活动，因为实践活动能给学生提供动手动脑的学习和研究的机会，有助于培养学生学以致用和理论联系实际的能力。

下面，以粤教版选修3 2第一章第七节《电容器》的教学为案例，记述笔者在教学中是如何挖掘、处理教材来唤醒学生的科技创新意识的。

生活中，我们随处可以见到各种容器，它们可以贮存各种东西，有装油的、有装水的、有装酒的、有装米的……请问同学们有没有见过装电的呢？同学们的回答是肯定的，比如说电瓶、电池、电容器等。同学们的回答很好，那么它们是如何把电储存起来的？下面我们就利用生活中的材料做一个实验，实验名字叫“电人盆”，它可以简单地把电储存起来，如图1所示。实验器材很简单，两个铁盆、一张油纸、一个橡胶棒、一块毛皮、一把剪刀。实验操作：把油纸放在两个铁盆中间，用毛皮摩擦橡胶棒产生静电。

图1　电人盆及静电试验

我们采用摩擦起电的方式产生静电，再把产生的静电传导给上方的铁盆，当电荷量积累够多的时候，拿一把剪子靠近铁盆，大家可以清晰地看到铁盆与剪子中间有明显的电火花产生。实验说明：这样的两个“铁盆”具有储存电荷的本领，它是能够“装”电荷的。在物理学中，我们把两个相互靠近又彼此绝缘的导体，叫做“电容器”，如图2所示，它具有储存电荷的本领。

图2　电容器模型

图3　商店里的布匹

在生活中，很多电子设备里都有电容器，比如说手机、相机等，这些电子设备的体积都比较小，重量还轻。而实验中的两个铁盆构成的电容器，它们有什么不足？学生通过观察不难发现，这样的电容器，体积大、占用面积大，在实际生活中没有什么用处。那么，请同学们思考，如何减小这样的电容器体积，让它变得更加实用呢？

请同学们认真观察丝绸店里销售的布匹，它们有什么特点？学生仔细观察后，轻易地发现，为了减小布匹占有的空间，生产的时候一般都把它们卷起来成一个柱体，一方面便于运输，另一方面减少空间。那么，请同学们发挥自己的想象能力，如何把布匹的处理方式迁移到电容中呢？

伟大的人类就是聪明，他们把铝箔和电介纸剪成长方本，再把它们紧密地卷起来，就构成了体积小、便运输的小个电容器。而对纸介电容器而言，由于纸张容易受潮，为避免这种情况的产生，常把电容器放在一个密闭的容器中，就构成图4所示的电容器。

图4　电容器的构成

怎么使电容器带电呢，是不是给电容器两极板加上一定的电压就可以了？我们知道：电容器两极板带上正负电荷后，在两极板间就会有电场的存在，因为U=Ed，所以两极板间就有电势差（电压），看来在两极板间加上直流电压是可以给电容器充电的。电容器放电就更容易了，在两极间接上一个灯泡就可以了，可以看到小灯泡闪一下后就熄灭了。如图5、图6所示的电容器充放电过程。

图5　电容器充电

使电容器的两极板带上等量异种电荷的过程

图6　电容器放电

电容器两极板上的电荷相互中和的过程

（二）案例二：源于教材，高于教材

教师应该不断培养学生善于从多条思路的基础上进行比较，选出最佳思路或总结出更合理的思路，这才是高效的科技创新意识。因此，在教学的过程中，教师要善于引导学生去发现问题和综合分析问题，让学生通过比较、反思和不断改进，提高创造意识和能力。

作为教师，要给学生创造一个民主、轻松、和谐的创造氛围，使他们的身心处于一个放松的状态中。只有给学生提供一个宽松的学习环境，保护学生的好奇心和创造激情，学生才会自主学习，才会有创新意识和创新精神。美国科学家爱因斯坦在回忆他的学生生活时曾这样感慨地说：“现代的教学方法，竟然还没有把研究问题的神圣好奇心完全扼杀掉，真可以说是一个奇迹；因为这株脆弱的幼苗除了需要鼓励以外，主要需要自由，要是没有自由，它不可避免地会夭折。”

以粤教版物理选修3 2第三章第六节《洛仑磁力与现代技术——回旋加速器》为例，教师对教材重新整合和加工，采用探究式方式和情境教学，引导学生思考，总结归纳相应的知识，从而唤醒学生的科技创新意识。

图7　猴子取果实

创设情境：

坚果是一种坚硬的闭果，人们需用特定的工具打开它，才能得到果仁。一只猴子不用现代工具，你知道它是怎么打开坚果的吗？

猴子很聪明，如图7所示，它首先想到用坚硬的石头作为“炮弹”，去猛烈地轰击坚果，把它打烂，这样就可以得到果仁。

那么，同样道理，科学家要认识原子核的内部构造，也必须想办法把原子核“打开”，方可进行内部观察和分析。但是，原子核被强大的核力所束缚，就像“坚果”一样。科学家只能用具有极高能量的粒子作为“炮弹”去轰击原子核，才能把它“打开”，进行后续研究。见图8。

图8　高能粒子轰击原子核

问题来了，什么样的“设备”能产生高能量的“炮弹”，而且科学家还可以较好地控制粒子的运动呢？这就是“粒子加速度器”。

在《电场》一章中，同学们学过，可以利用电场对粒子加速：qU=ΔE_k，这样就可以使粒子获得较高能量。如果要获得一个能量为80 000 eV的质子，若采用一级加速，如图9所示，则加速电场两极板间的电压可达80 000 V。要产生这么高的电压，在技术上很难做到，且设备也承受不了。那该怎么办呢？

图9　加速电场

图10　螺旋阶梯

同学们立刻会想到采用多极加速的方法，这种办法的确很好。但新的问题又来了：如果每个加速电场的电压高是1 000 V，要达到80 000 eV的能量将需要80级，这样的加速器很长很长，需要的设备很多，占地面积较大，成本太高，在发达城市有限空间下很难实现。如何利用多次加速的思想，又能有效减少加速器的空间尺寸呢？

现实生活中，有很多减少空间尺寸的例子，如图10所示螺旋阶梯等，它们都是被一层层卷起来的，那么我们能不能让多级加速器也卷起来呢？答案是肯定的——加“磁场”。在《磁场》一章中，同学们知道，带电粒子在磁场中可以做圆周运动，于是我们就引入磁场，使带电粒子“卷起来”，转圈圈。

现在有两个问题摆在我们面前，一个是让粒子多次加速，一个是让粒子转圈圈，那该怎么办呢。同学们可以想到：利用磁场控制轨道，再利用电场进行加速，如图11所示：

图11　回旋加速器

在竖直方向加上匀强磁场，在水平方向加电场，采用手动方式来改变极板的极性，从而改变电场的方向，让粒子每隔一段时间后进行加速。由于粒子运动较快，手动方式来不及改变电场的方向。但是，我们知道生活中的交流电是周期性变化的，方向各隔0．02 s改变一次。因此，只要我们设计好参数如磁感应强度、电场的宽度等，让R=，T=，就可以做到同步交替运转，最终达到我们需要的能量粒子。

带电粒子在回旋加速器中运动时，各阶段的特点：D形盒内部→洛仑磁力→匀速圆周运动；狭缝处→电场力→加速直线运动。加速条件：交变电压的周期和粒子做圆周运动的周期相等。提高加速粒子最后的能量的方法：增大磁感应强度；增大加速器的半径R。

总之，改进物理教学，为科技创新而教，培养学生的科技创新意识，是现代教育的一个重要任务。教师应该努力探索、积极实践、坚持不懈，培养具有科技创新意识和实践能力的学生。物理学是研究其他自然科学的基础，是与科学技术紧密联系的；物理学基础理论的重大创新，往往能促进整个科学技术的发展。实验教学是物理教学实施创新教育的重要手段，实验不仅对激发学生学习兴趣、提高实践能力具有重要的作用，而且也是为学生创设创新氛围、培养创新意识和能力、提高科学素质的有效途径。因此，在高中物理教学中，教师应该重视培养学生的科技创新意识和能力。

参考文献

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