借助物理實(shí)驗(yàn)深化素質(zhì)教育的探討

張 巖 王素紅

（信息工程大學(xué) 河南 鄭州 450001）

實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn).實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐的基本形式之一.作為物理學(xué)領(lǐng)域檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，物理實(shí)驗(yàn)不僅在物理學(xué)的發(fā)展中發(fā)揮著極其重要的作用，而且在培養(yǎng)高素質(zhì)、創(chuàng)新型人才方面也具有其他課程無法替代的優(yōu)勢.如何利用現(xiàn)有設(shè)施，最大限度地發(fā)揮物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)高素質(zhì)人才方面的優(yōu)勢，下面結(jié)合教學(xué)實(shí)踐淺談幾點(diǎn)看法.

1 滲透前沿部分知識培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)的意識和能力

物理實(shí)驗(yàn)前沿作為物理學(xué)領(lǐng)域最具活力的部分，不僅映射了物理學(xué)領(lǐng)域正在探索和研究的物理現(xiàn)象和規(guī)律，而且反映了物理學(xué)領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展.如果在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)過程中向?qū)W員介紹前沿部分知識，不僅可以激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)員的知識面，而且可以培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)的意識和能力.

電荷的測量是一個經(jīng)典的古老實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的目的是證明電荷電量的量子性，并求出電子電量的大?。?］.但由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，實(shí)驗(yàn)?zāi)康膹淖C明改為驗(yàn)證，探索性實(shí)驗(yàn)就變成了依據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)處理的模仿性實(shí)驗(yàn)，這就極大的挫傷了學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣.為了激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和主觀能動性，在實(shí)驗(yàn)課中向?qū)W員介紹這個實(shí)驗(yàn)的最新進(jìn)展：近年來，人們根據(jù)這個實(shí)驗(yàn)的設(shè)計思想，利用磁漂浮的方法測量了夸克的電量.而后，讓學(xué)員在課下利用學(xué)校便利的圖書館和網(wǎng)絡(luò)等資源了解“磁漂浮方法”和“夸克”的相關(guān)知識，使學(xué)員意識到古老的物理實(shí)驗(yàn)仍然具有強(qiáng)大的生命力，對物理學(xué)的發(fā)展仍具有啟發(fā)作用，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的興趣和探索未知知識領(lǐng)域的熱情.在講授霍爾法測電磁感應(yīng)強(qiáng)度時，可以介紹量子霍爾效應(yīng)、量子自旋霍爾效應(yīng)和量子反常霍爾效應(yīng)［2］，使學(xué)員認(rèn)識到物理學(xué)和物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展沒有終結(jié)，從而激發(fā)他們獻(xiàn)身科學(xué)的熱情和信心.

實(shí)踐證明，這樣做不僅有利于培養(yǎng)學(xué)員自主學(xué)習(xí)的意識和能力，而且拓寬了學(xué)員的知識面，使學(xué)員的知識結(jié)構(gòu)更具現(xiàn)代化，有利于學(xué)員科學(xué)素養(yǎng)的提高.

2 滲透物理理論與物理實(shí)驗(yàn)的辯證關(guān)系培養(yǎng)學(xué)員的辯證思維能力

物理學(xué)的基本規(guī)律隱藏在自然界之中，隨著人們對自然界認(rèn)識的不斷深入，人們對物理現(xiàn)象及其本質(zhì)的認(rèn)識也在不斷的發(fā)展和完善，而物理理論也在實(shí)踐不斷的否定舊假說和舊理論的過程中發(fā)展和完善起來［3］.在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，向?qū)W員滲透物理理論與物理實(shí)驗(yàn)的這種辯證關(guān)系，有助于培養(yǎng)學(xué)員的辯證思維能力，提升學(xué)員的科學(xué)素養(yǎng).

1887年德國物理學(xué)家赫茲用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電磁波的存在時發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，此后很多人對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，總結(jié)出實(shí)驗(yàn)規(guī)律.而當(dāng)人們嘗試在經(jīng)典理論的范疇內(nèi)對這個實(shí)驗(yàn)做出合理的解釋時，各種嘗試都失敗了.舊理論的失敗往往預(yù)示著新理論的創(chuàng)立.1905年，愛因斯坦發(fā)展普朗克的能量子假設(shè)，提出光子假說，成功地解釋了光電效應(yīng)，并給出光電效應(yīng)方程.定量數(shù)學(xué)描述的建立意味著新理論的創(chuàng)立，而一個新的理論創(chuàng)建之后，它正確與否還需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證.從光電效應(yīng)方程出發(fā)，美國物理學(xué)家密立根經(jīng)過10年艱辛工作，終于在1915年用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了愛因斯坦光子假說是正確的，于是光子假說上升為光子理論.從光子理論的創(chuàng)立過程可以看出物理理論與物理實(shí)驗(yàn)互為驗(yàn)證、互為促進(jìn)、共同發(fā)展的辯證關(guān)系：新的物理實(shí)驗(yàn)否定了舊理論，為新的物理理論的發(fā)展指明了方向；新的理論正確與否又需要新的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)；于是在新理論的指導(dǎo)下，人們設(shè)計出新的物理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新理論；而新的實(shí)驗(yàn)正確與否又需要成熟理論體系的驗(yàn)證.

實(shí)踐證明，在物理實(shí)驗(yàn)課中向?qū)W員滲透物理理論與物理實(shí)驗(yàn)之間的相互驗(yàn)證、相互促進(jìn)、共同發(fā)展的辯證關(guān)系，不僅可以培養(yǎng)學(xué)員的辯證思維能力，提升學(xué)員的科學(xué)素養(yǎng)，而且可以使學(xué)員意識到事物發(fā)展的曲折和復(fù)雜，激發(fā)他們克服困難的勇氣和信心.

3 滲透物理實(shí)驗(yàn)的思想方法培養(yǎng)學(xué)員的科學(xué)思維能力

科學(xué)思維是科學(xué)活動中的思維，即科學(xué)活動中探求事物本質(zhì)和規(guī)律性的理性認(rèn)識活動［4］.物理實(shí)驗(yàn)思想是人們在從事物理實(shí)驗(yàn)時的思維活動，是科學(xué)思維在物理實(shí)驗(yàn)中的具體體現(xiàn).物理實(shí)驗(yàn)方法是在物理實(shí)驗(yàn)思想的指導(dǎo)下，從事物理實(shí)驗(yàn)活動時采取的手段和行為方式.所以在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中向?qū)W生滲透物理實(shí)驗(yàn)思想方法，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力，提升學(xué)生的科學(xué)素質(zhì).

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)中一個很重要的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，它的目標(biāo)是精確測量電子電量.采取的物理實(shí)驗(yàn)思想是將難以測量的量轉(zhuǎn)化為容易測量的量，采用的是間接測量法.根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法的發(fā)展歷程，可將電子電量的精確測量分為4個階段.首先愛爾蘭物理學(xué)家道孫德［5］利用統(tǒng)計求平均的思想，以云霧為觀測對象首創(chuàng)測量電子電量的云霧法.其后，英國物理學(xué)家威爾遜利用云室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將云室置于平行板電容器中，發(fā)明了改進(jìn)云霧法.而后美國物理學(xué)家密立根將云室置于強(qiáng)電場中，將觀測對象從云霧改為單個水滴，發(fā)明了測電子電量的平衡水滴法，使電子電量的測量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，極大地提高了的測量精度.為達(dá)到精確測量的要求，密立根又利用鐘油代替水，發(fā)明了平衡油滴法，并最終實(shí)現(xiàn)了電子電量的精確測量.而拉伸法測量金屬的楊氏模量則是利用光杠桿將對微小形變量的測量轉(zhuǎn)化為對平面鏡反射光線轉(zhuǎn)角的測量，屬于放大法中的光放大法.

實(shí)踐證明，在實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中滲透物理實(shí)驗(yàn)思想方法使學(xué)生認(rèn)識到，物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展也是物理實(shí)驗(yàn)思想方法的發(fā)展，不僅有利于提升學(xué)生的科學(xué)思維能力，而且對其他課程的學(xué)習(xí)也大有裨益.

為了深化物理實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)教育功能，培養(yǎng)出適應(yīng)現(xiàn)代化和信息化建設(shè)的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革應(yīng)是一個持續(xù)不斷的課題，需要廣大物理實(shí)驗(yàn)教師的全心投入和相關(guān)部門的大力支持.

1 王素紅.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn).北京：國防工業(yè)出版社，2011

2 Seongshik Oh.The Complete Quantum Hall Trio.Science.2013.4

3 王素霞.哲學(xué)思想在物理教學(xué)中的滲透.科技信息，2007（16）：304

4 祁金剛，藍(lán)汛，高允鋒，等.科學(xué)思維與物理實(shí)驗(yàn)思想.長春師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，26（6）：131～133

5 史志強(qiáng).油滴實(shí)驗(yàn)方法的研究.物理實(shí)驗(yàn)，2002，22（6）：29～32