理想實(shí)驗(yàn)在高中物理教學(xué)中的應(yīng)用探索與思考

曹燕

【摘 要】理想實(shí)驗(yàn)是一種高階的思維模式，在物理發(fā)展過程中起著獨(dú)特而重要的作用。與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比，理想實(shí)驗(yàn)有著明顯的差別和不可代替性，本文分析了高中物理教學(xué)中理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的差別，并對(duì)教學(xué)實(shí)踐的視角進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】理想實(shí)驗(yàn)；物理教學(xué)；教學(xué)實(shí)踐

“理想實(shí)驗(yàn)”亦稱作思想實(shí)驗(yàn)或假想實(shí)驗(yàn)，它是研究者發(fā)揮想象力，在最理想或極端的條件下，采用想象中最理想的器材，通過最理想化的實(shí)驗(yàn)操作來完成的。理想實(shí)驗(yàn)是一種高級(jí)的思維模式，在物理發(fā)展過程中有著獨(dú)特而重要的作用，在高中物理教學(xué)中也有不可忽視的價(jià)值。

一、理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的比較及其不可代替性

作為一種重要的科研方法，理想實(shí)驗(yàn)的本質(zhì)在于它是物理思想、一般性實(shí)驗(yàn)以及數(shù)學(xué)演繹巧妙融合的產(chǎn)物，是鏈接個(gè)體經(jīng)驗(yàn)知識(shí)與抽象邏輯思維的樞紐。與實(shí)物實(shí)驗(yàn)相比，理想實(shí)驗(yàn)有著明顯的區(qū)別和不可代替性。

1.實(shí)物實(shí)驗(yàn)側(cè)重于實(shí)踐，理想實(shí)驗(yàn)側(cè)重于思維

實(shí)物實(shí)驗(yàn)是一種經(jīng)過物化過程而形成的實(shí)驗(yàn)，是一種具有可操作性的實(shí)踐活動(dòng)，各類物理器材、設(shè)備都可以成為它的操作對(duì)象。理想實(shí)驗(yàn)則是人類創(chuàng)造性思維活動(dòng)中所設(shè)想出的，是一種思維活動(dòng)，是在現(xiàn)實(shí)中無法進(jìn)行物化的實(shí)驗(yàn)，它的操作對(duì)象應(yīng)該是立足于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的延伸。比如伽利略的“理想斜面實(shí)驗(yàn)”就是實(shí)驗(yàn)事實(shí)與抽象思維的有效結(jié)合，將研究事物和過程進(jìn)行了理想化處理，突出了事物的主要本質(zhì)，化繁為簡，對(duì)事物實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更為本質(zhì)的探索，由此則更容易發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律。

2.理想試驗(yàn)的不可代替性

理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩朔陀^上無法擺脫的物質(zhì)因素的制約，對(duì)觀測(cè)對(duì)象以及相關(guān)過程進(jìn)行高度簡化和純化的抽象，在揭示事物規(guī)律的同時(shí)彰顯出巨大的創(chuàng)新性和科學(xué)的預(yù)見性，對(duì)科學(xué)假說的形成和提出有關(guān)鍵性作用，這是物化實(shí)驗(yàn)所無法比擬的。

理想實(shí)驗(yàn)不受空間和時(shí)間的限制，只需要實(shí)驗(yàn)者通過想象和思維，及時(shí)捕捉頭腦中閃現(xiàn)的“靈感”，展開“實(shí)驗(yàn)”；理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驍[脫實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不確定因素，實(shí)驗(yàn)者只需對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行“理想化”處理（如質(zhì)點(diǎn)、剛體、理想氣體、光滑水平面等等），即可完成實(shí)驗(yàn)，因此它沒有任何誤差；理想實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者物理探索和哲學(xué)修養(yǎng)的完美統(tǒng)一，通過不斷地思考與嘗試，實(shí)驗(yàn)者能夠達(dá)到收獲物理結(jié)論，又提升哲學(xué)修養(yǎng)的雙重目標(biāo)；隨著科技的發(fā)展，物理儀器與設(shè)備不斷改進(jìn)與更新，實(shí)驗(yàn)手段與方法不斷進(jìn)步與提升，有些理想實(shí)驗(yàn)成為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的先導(dǎo)，從而讓科學(xué)發(fā)展少走了很多彎路。例如證實(shí)量子概率波的單電子衍射實(shí)驗(yàn)最先就是以理想實(shí)驗(yàn)的方式提出，1949年科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室具體完成了這項(xiàng)工作，并成功觀察到預(yù)想中的現(xiàn)象。

二、高中物理理想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，理想實(shí)驗(yàn)蘊(yùn)含著較強(qiáng)的思想性和方法性，將其運(yùn)用于學(xué)生的高中物理學(xué)習(xí)，需要物理教師有策略地進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐和探索。

1.利用理想實(shí)驗(yàn)，發(fā)展邏輯思維能力

高中物理的教學(xué)內(nèi)容都是前人的研究成果，教師研究物理學(xué)史，從中搜集經(jīng)典的理想實(shí)驗(yàn)案例，并呈現(xiàn)于課堂，讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的形成過程進(jìn)行體會(huì)，并從中感悟思維方法和物理思想。這樣的教學(xué)既有助于學(xué)生認(rèn)知并理解知識(shí)，更有助于學(xué)生邏輯思維能力的發(fā)展。

例如必修2“宇宙航行”一節(jié)，教師可以利用牛頓最早的衛(wèi)星模型——拋體理想實(shí)驗(yàn)來培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力。在具體教學(xué)中，教師要指導(dǎo)學(xué)生在建構(gòu)理想實(shí)驗(yàn)時(shí)關(guān)注以下幾個(gè)細(xì)節(jié)：（1）牛頓所設(shè)想的空間是理想化的，沒有空氣阻力，沒有任何障礙；（2）在高山頂端拋石頭的人是一個(gè)超級(jí)“大力士”，能夠讓石頭獲得足夠大的初速度；（3）拋體運(yùn)動(dòng)軌跡隨速度增大而改變，當(dāng)速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，石頭將進(jìn)入圓周軌道而不落地；（4）越拋越遠(yuǎn)，并最終由平拋運(yùn)動(dòng)過渡為圓周運(yùn)動(dòng)，這是一種“外推”的思維方法，也正是由此實(shí)現(xiàn)了物理過程的質(zhì)變；（5）如果這座山的高度達(dá)到了月球的軌道高度，那么拋體運(yùn)動(dòng)的初速度達(dá)到多少，才能使其進(jìn)行勻速圓周運(yùn)動(dòng)呢？這一問題能將學(xué)生由純粹的理性思維拉回到物理實(shí)在，將拋體運(yùn)動(dòng)和宇宙航行有機(jī)地聯(lián)系起來。

2.利用理想實(shí)驗(yàn)，豐富想象能力

想象是個(gè)體頭腦對(duì)事物感性認(rèn)知進(jìn)行加工且創(chuàng)造出新形象的心理過程，這不是對(duì)事物表象的簡單重現(xiàn)，而是一種拓展、夸張和升華，對(duì)事物表象的理想化改造。這一過程脫離現(xiàn)象，卻又以現(xiàn)象為基礎(chǔ)，并貫穿理想實(shí)驗(yàn)的始終。我們?cè)诮虒W(xué)中加強(qiáng)理想實(shí)驗(yàn)，就意味著要帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入“想象的意境”，充分激活學(xué)生思維，豐富他們的想象力，并借此發(fā)展其創(chuàng)新意識(shí)。

比如選修3-5“概率波”一節(jié)，“波動(dòng)性是光子相互作用的結(jié)果，還是光子本身所具有的性質(zhì)”，有關(guān)這個(gè)問題，高中階段的實(shí)驗(yàn)室是不具備驗(yàn)證條件的，教師只能引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建如下理想實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)時(shí)，在光屏處放置照相底片，設(shè)想用非常微弱的光源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，即每次只發(fā)射一個(gè)光子，當(dāng)前一個(gè)光子到達(dá)底片后，第二個(gè)光子再發(fā)射。如果上述實(shí)驗(yàn)的曝光時(shí)間很短，則光屏上只有雜亂無章的點(diǎn)，這表明少數(shù)光子表現(xiàn)為粒子性；曝光時(shí)間如果足夠長，則底片上即可出現(xiàn)明暗相間的條紋，這表明大量光子表現(xiàn)為波動(dòng)性，同時(shí)也說明波動(dòng)性不是光子相互作用的結(jié)果，是其自身的固有屬性。

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