關(guān)于物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素的一個(gè)試探性看法

郭緒濤

【摘 要】物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素有六項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程（或稱為實(shí)驗(yàn)步驟）、數(shù)據(jù)處理、誤差分析。

【關(guān)鍵詞】物理實(shí)驗(yàn)要素；實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素

【中圖分類號(hào)】G633.7 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2095-3089（2018）32-0237-02

物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素是指一個(gè)完整的物理實(shí)驗(yàn)所包含的具有相對(duì)獨(dú)立性的構(gòu)成部分。

傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為，物理實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素有六項(xiàng)：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程（或稱為實(shí)驗(yàn)步驟）、數(shù)據(jù)處理、誤差分析（注意事項(xiàng)）。在新課改理念深入人心的大氣候下，高考對(duì)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ目疾烀黠@加強(qiáng)。如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)，是廣大中學(xué)物理教師面臨的一個(gè)重要課題。筆者實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中體會(huì)到，用傳統(tǒng)的關(guān)于實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素的觀點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，難以提高學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力。設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力作為一種重要的能力，已經(jīng)提上了重要日程，為什么實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素中沒有這一項(xiàng)？傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素完備嗎？如果不完備，其原因以在哪里？應(yīng)如何改進(jìn)？就以上問題筆者進(jìn)行了一些探究和思考，在此提出，與各位同仁商討。

一、傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)要素構(gòu)成完備嗎？

首先從邏輯學(xué)的角度來看，實(shí)驗(yàn)要素的完備性。

我想通過一個(gè)具體事例來說明實(shí)驗(yàn)要素的完備性的真實(shí)含義。愛迪生測(cè)燈泡體積的實(shí)驗(yàn)就是很好一例。有一次，他想研究燈泡有多大體積時(shí)比較合適，這就需要測(cè)定燈泡的體積，他將這個(gè)問題交給了數(shù)學(xué)系畢業(yè)的助手去解決。助手拿起了燈泡，觀察著它的形狀。他看到，燈泡的下面像個(gè)球形，上部像個(gè)梨形。燈泡的球形是不完整的，梨形是不規(guī)則的。為了計(jì)算方便，他作了簡(jiǎn)化，把燈泡作為一個(gè)玻璃球和一個(gè)圓柱的組合。他分別測(cè)量燈泡的球徑，圓柱的半徑和高度，然后計(jì)算球的體積和圓柱的體積。這類計(jì)算要用到立方、平方，非常復(fù)雜，而且結(jié)果也是近似的。因?yàn)?，燈泡的形狀并不是理想的球形。過了好一會(huì)，愛迪生催問助手，助手說計(jì)算太煩瑣，他還沒有計(jì)算好呢。愛迪生說，不用計(jì)算了。只見他拿起一個(gè)空燈泡，往水里一浸，咕嘟咕嘟地灌滿了水，然后將燈泡的外壁擦干，將水往量筒里一倒，看看量筒上的刻度，很快就知道了燈泡的體積。在這個(gè)事例中，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定燈泡的體積，測(cè)燈泡體積的方案提出了兩個(gè)（當(dāng)然還可設(shè)計(jì)出其他方案），一個(gè)是助手實(shí)施的方案：測(cè)定球形部分體積，測(cè)定柱形部分體積，然后將兩部分加起來，得到燈泡的體積；一個(gè)是愛迪生確定的方案：將燈泡裝滿水，然后用量筒測(cè)出這部分水的體積，這個(gè)體積就是燈泡的體積。設(shè)計(jì)這兩個(gè)方案所依據(jù)的原理也不同，第一方案實(shí)施原理是：整體總體積等于兩個(gè)組成部分的體積之和，球的體積由球的體積公式通過半徑求得，柱體體積可由柱體體積公式通過柱體的底面積和高求得。第二方案所依據(jù)的原理是，燈泡的體積與燈泡內(nèi)所容的水的體積是相等的。愛迪生的方案簡(jiǎn)明準(zhǔn)確，其關(guān)鍵在于其原理簡(jiǎn)明可行。從以上分析可見，做什么、如何做、這樣做的依據(jù)是邏輯上緊密相關(guān)的三個(gè)方面。第一項(xiàng)是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，明確的是做什么；第二項(xiàng)是實(shí)驗(yàn)方案，明確的是如何做；第三項(xiàng)是的實(shí)驗(yàn)原理，明確的是方案實(shí)施的依據(jù)。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)、實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)原理是在邏輯上不能缺省、不能重疊依次相關(guān)的三個(gè)連續(xù)環(huán)節(jié)，三者缺一不可。一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，若上述三個(gè)關(guān)鍵要素都具備，則實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素具有完備性，在邏輯上講得通，否則就不完備，在邏輯上講不通。

再看傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要素的完備性。

本文開如就提到，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素有實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程（或稱為實(shí)驗(yàn)步驟）、數(shù)據(jù)處理、誤差分析（注意事項(xiàng)），缺少了實(shí)驗(yàn)方案，因而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素是不完備的。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素不完備的原因何在？應(yīng)如何改進(jìn)？

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素不完備，就是將實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)原理混淆在一起了。而實(shí)驗(yàn)原理與實(shí)驗(yàn)方案只所以混淆在一起，是因?yàn)闆]有從邏輯上明確實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)原理的真實(shí)含義。實(shí)驗(yàn)方案是指如何做，實(shí)驗(yàn)原理是這樣做的依據(jù)。二者是不重疊的二個(gè)環(huán)節(jié)。具體到愛迪生測(cè)燈泡的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)觀念，將測(cè)量燈泡的方案和方案所依據(jù)的原理同視為實(shí)驗(yàn)原理，因而實(shí)驗(yàn)中沒有了實(shí)驗(yàn)方案一項(xiàng)。這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素不完備的原因。缺少了實(shí)驗(yàn)方案，邏輯過程就變成以下過程：“做什么，這樣做的依據(jù)”。這種顯然從邏輯上是講不通的，從培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ慕嵌葋砜匆彩怯泻Φ摹Ｒ虼?，一個(gè)完備實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素應(yīng)包括七項(xiàng)，它們是實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程（或稱為實(shí)驗(yàn)步驟）、數(shù)據(jù)處理、誤差分析（注意事項(xiàng)）。

三、將實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)原理區(qū)分開來的意義分析

將實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)原理區(qū)分開來，有以下幾個(gè)方面的意義：

第一、從邏輯學(xué)的角度來看，也更符合人們做事的一般規(guī)律。

眾所周知，要完美地做好一件事，通常事先要規(guī)劃。這個(gè)規(guī)劃包括三個(gè)邏輯關(guān)系密切相關(guān)的環(huán)節(jié)：一是明確要干什么，二是明確如何干，三是明確這樣干的依據(jù)是什么（是否可行）。做實(shí)驗(yàn)也是做一件事，這樣學(xué)生可以將以前形成的做事的一般規(guī)律遷移到實(shí)驗(yàn)中來，也可以使學(xué)生將在實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)到的做事基本規(guī)律應(yīng)用到生活中去，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與生活的統(tǒng)一化。

第二、將二者區(qū)分開來，有利于明確實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)原理的真實(shí)含義。實(shí)驗(yàn)方案只是說明如何做，而不管這樣做的依據(jù)；實(shí)驗(yàn)原理只管這樣做的依據(jù)，而不管如何做。這樣分工明確，有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)的各個(gè)構(gòu)成要素。

第三、有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力。

實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)確定后，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案可以設(shè)計(jì)出有多種，這些方案中，有些是可行的，有些是不可行的。在可行方案中，有的方案簡(jiǎn)明，有的方案繁雜，一個(gè)方案是否可行，可行的方案是否簡(jiǎn)明，取決于方案確定的依據(jù)（也就是原理）是否科學(xué)簡(jiǎn)明（測(cè)燈泡體積一例已充分說明這一點(diǎn)）。這樣做，可以放開手腳有目的地訓(xùn)練學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力，而這與新課改的理念也是一致的。

綜上所述，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)構(gòu)成要素是不完備的，不完備的原因在于將實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)原理混淆在一起所致。事實(shí)上，實(shí)驗(yàn)方案是指如何做，而不關(guān)注這樣做的依據(jù)；而實(shí)驗(yàn)原理只關(guān)注這樣做的依據(jù)，而不過分關(guān)心如何做的問題。將二者分開之后，實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素將變?yōu)槠唔?xiàng)，（實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)處理、誤差分析）。這樣確定實(shí)驗(yàn)的構(gòu)成要素，不但有利于從邏輯學(xué)的角度來理解實(shí)驗(yàn)，而且還有利于培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，分析實(shí)驗(yàn)原理的能力，對(duì)提高學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)是大有益處的。