物理新課程標準下的理想實驗及教學策略

張耀寶

(溫州大學物理與電子信息工程學院 浙江 溫州 325035)

高中物理新課程標準要求物理課堂教學要加強與學生生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和新的科學思想，讓學生體驗科學探究過程，了解科學研究方法，提高學生的科學素養，增強學生的創新意識和實踐能力.在物理課堂教學中，理想實驗對啟迪學生的智慧,培養學生的想象力和科學思維能力起著非常重要的作用.因此，我們有必要對理想實驗在物理新課程標準下的教學策略進行研討.

1 理想實驗的內涵和特征

理想實驗，又稱為思想實驗或假想實驗，是一種在高度理想化的條件下，在科學想象之中進行的特殊的“實驗”.它是科學實驗、形象思維與邏輯推理有機結合的產物，是科學發現這種創造性活動中最有啟發性的方法之一.在理想實驗中，實驗者使用理想化的儀器設備(如伽利略的絕對光滑的斜面、平面，愛因斯坦的理想列車和理想升降機)，在極端理想化的條件下(如無摩擦、無空氣阻力，或者完全擺脫引力影響處在“自由空間”之中)對實驗對象(各種理想客體)進行“操作”和“觀察”[1].理想實驗并非脫離實際的主觀臆想，而是以真實實驗為基礎的.理想實驗的邏輯推理方法和理論依據是從長期的社會實踐中總結出來并為實踐所證實了的.因此,“理想實驗的方法并不意味著脫離實際, 相反, 它恰恰是以抽象的形式更正確地反映了具體的客觀實際.”[2]

理想實驗是按真實實驗的格式展開的一種復雜的思維推理活動，它具有以下特征.

1.1 實驗的可操作性

理想實驗是在頭腦中進行的實驗，它之所以被稱為“實驗”，是因為這種思維活動按照真實實驗的要求展開，是可操作的.英國的科學家哈雷(R.Harre)指出：“所謂思想實驗是在想象中操作模型時形成的”.在理想實驗中，假設的觀測者運用假想儀器對假想客體進行操作，這種操作是在想象中進行的.操作者主要根據自己的認識和思考，使用儲存于頭腦中的經驗表象、語言材料，在頭腦中通過自己的分析、想象、和邏輯推理，進行類似實驗的操作.

1.2 嚴密的邏輯性

科學家在設計理想實驗時，會根據自己掌握的經驗和知識對被研究的客體進行充分的聯想.在這個過程中，邏輯推理起著主導作用，它引導和控制著科學家的想象，保證想象既是豐富的，又是理性的，起到了組合實際對象與儀器、工具，構建實驗環節，為實驗提供理性保障的作用.例如，伽利略在落體理想實驗中，他用令人信服的邏輯推理,按照亞里士多德的觀點得出兩個相互矛盾的結論, 巧妙地否定了“重物自由下落比輕物快”的觀念.

1.3 高度的創造性

科學家做理想實驗的目的，是為了揭示事物內部的規律性，因此其探索具有高度的創造性[3].愛因斯坦在《物理學的進化》中指出：“任何一個理論的目的是指導我們理解新的情況，啟發我們做新的實驗，從而發現新的現象和定律.”理想實驗也是如此，理想實驗本身就包含著創造性思維活動過程.法國物理學家卡諾在研究熱機效率時，把熱機和水車進行類比，設計了“卡諾循環”的理想實驗.他巧妙地用兩個理想的等溫過程和兩個理想的絕熱過程構成了一個熱力學循環，創造性地解決了熱機效率問題，并為熱力學第二定律的確立起到了奠基性的作用.

2 高中物理課堂中理想實驗的教學策略

2.1 利用理想實驗,培養學生的邏輯思維能力

高中物理學知識是前人科學研究的成果,通過科學史中對一些經典實驗和邏輯推理過程的再現,可以讓學生體驗物理學知識的形成過程,從中學習科學家的思維方法和理解物理學概念、原理的來龍去脈.這樣的教學既傳授了知識,更培養了學生的科學思維.教師要充分利用課本中的理想實驗，如課本中的哥白尼提出日心說、牛頓的拋體實驗、伽利略的理想斜面實驗、開普勒提出的天體交通規則——開普勒三大運動定律、安培分子電流假說等，再現知識的發生過程,變結論式教學為過程式教學.

例如，在《必修-2》“宇宙航行”這節課中,教師可以利用牛頓的拋體理想實驗來培養學生的邏輯思維能力.教師在講解時要向學生強調以下問題：牛頓設想的空間是理想化的；高山頂上拋鉛球的那個人是理想化的“大力神”；軌道隨速度改變是逐漸變化的過程；當速度達到某一值時，此球將沿圓軌道而永遠不落；當球由(落地的)非圓軌道轉化成(不落地的)圓軌跡時, 發生了“質”的飛躍——物理過程的“質變”；設想有座山的高度恰好等于月球軌道的高度, 那么“ 大力神”拋出的物體的速度至少為多大才能繞地球做勻速圓周運動？教師在利用理想實驗進行教學時,要仔細分析,挖掘其內在的隱性課程資源.使學生的思維能力、思想情感得到有效的提升.

2.2 利用理想實驗，豐富學生的想象能力

想象是人們在頭腦中對已有事物的表象進行加工創造新形象的心理過程,它不是表象的簡單再現,而是對表象的夸張、拓寬和升華,是對表象理想化的改造；它可以脫離現象,但卻以現象為基礎[4].想象貫穿于理想實驗的始終.在物理教學中加強理想實驗的教學, 意味著把學生引進了“想象的境界”，在需要想象的情境中喚起想象, 豐富想象力, 從而獲得創造力.

在《必修-3》“氣體熱現象的微觀意義”一節里，教師為了幫助學生理解理想氣體壓強的概念，可以利用“彈性小球碰撞器壁”的理想實驗.對學生而言彈性小球是力學中早已認識的理想模型, 從一個個彈性小球到組成理想氣體的一個個分子則要通過想象來認識, 在這一理想實驗所提供的對象中，打開從已知走向未知通道的正是學生的想象.

再如，“光具有波粒二象性”，在一般實驗室中是無法驗證的.在課堂教學中，教師可以設計這樣一個理想實驗[5]：在光的雙縫干涉實驗中，在屏處放上照相底片,設想有一個每次只發射一個光子的儀器, 發射的光子一個一個地通過狹縫.如果曝光時間很短,底片上只出現一些無規則分布的點子, 那些點子是光子打在底片上形成的, 表現出光的粒子性；如果曝光時間足夠長, 底片上則出現規則的干涉條紋, 這就證明了大量光子表現為波動性.在課堂教學中，教師通過這樣的理想實驗，可以充分地培養學生的想象力，增加學生對物理的學習興趣.

2.3 利用理想實驗，培養學生的科學探究能力

物理新課程標準要求教師通過多樣化的教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養其科學探究能力，使其逐步養成科學態度與科學精神.理想實驗在培養學生的科學探究能力中可以起到非常重要的作用.在相當多高中物理內容的探究式教學中，我們可從一定的科學事實和經驗出發，進行理想實驗而得到關于事物性質、運動規律的結論(假說)，然后或指出這個結論得到了大量實驗的證實，或設計實驗對其進行直接或間接驗證.如“閉合電路歐姆定律”教學中，通過測量電池兩端電壓和通過電流的實驗數據，畫出U—I圖像,引導學生進行理想實驗[6]：將圖線延長并與縱軸、橫軸相交，建立函數關系式U=a-bI，再進行物理意義分析， 定義a為電源電動勢、b為電源內阻、bI為電源內電壓，得到“閉合電路的內電壓與外電壓之和等于電源的電動勢”結論，然后設計實驗予以驗證.

在高中物理的課堂教學中，教師充分挖掘課本中的理想實驗,對訓練學生的思維,提高學生的科學素養有很大的促進作用，可以讓學生體驗科學探究過程，了解科學研究方法，增強學生的創新意識和創造能力，為學生的終身發展和形成科學世界觀和科學價值觀打下良好的基礎.

參考文獻

1 單美賢,李藝.虛擬實驗原理與教學應用.北京：科學教育出版社，2004.7

2 侯新杰.思想實驗及其在物理學中的應用.河南師范大學學報(自然科學版),1996,24(2):23～25

3 王榮德.思想實驗及其在科學發展中的作用.科學學研究,2001,19(1):14～21

4 陶忠華.思想實驗在生物學教學中的應用.生物學教學,2007,32(9):44～45

5 陳功.理想實驗及其功能探討.物理教學探討,2002,20(12):44～45

6 曾志旺,徐立海.理想實驗與中學物理教學.物理教學探討,2005,23(5):3～4