科學(xué)思維方法教育在大學(xué)物理“牛頓環(huán)”實驗中的應(yīng)用

樊娟娟　于秀玲　潘振東

摘要：大學(xué)物理實驗是理工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程。本文分析了大學(xué)物理實驗課程的現(xiàn)狀，并介紹了科學(xué)思維方法教育在“牛頓環(huán)”實驗中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實驗;科學(xué)思維方法;“牛頓環(huán)”

中圖分類號：G642.0???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0163-02

大學(xué)物理實驗課是教育部確定的六門必修的基礎(chǔ)課程之一。大學(xué)物理實驗在培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)思維方法、實驗技能、創(chuàng)新精神，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、分析與研究能力等方面具有其他課程不能替代的作用[1]。

一、大學(xué)物理實驗課程的現(xiàn)狀

大學(xué)物理實驗是大學(xué)生本科階段的第一門實踐性課程，是培養(yǎng)學(xué)生動手能力、學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法的重要基礎(chǔ)課[2]。目前由于大學(xué)物理實驗課程學(xué)時有限，通常在實驗課堂上，教師首先將實驗原理直接講授給學(xué)生，然后向?qū)W生演示實驗操作過程。學(xué)生機(jī)械地重復(fù)實驗過程，實驗結(jié)束后甚至都不明白此次實驗的目的和意義[3]。面對枯燥的重復(fù)，學(xué)生感受不到實驗的樂趣，更談不上科學(xué)思維方法的形成和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)[4]。法國科學(xué)家笛卡爾說過：“最有價值的知識是關(guān)于方法的知識?！笨茖W(xué)方法教育是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑。大學(xué)物理實驗分為基礎(chǔ)性實驗、綜合性實驗、設(shè)計性實驗和創(chuàng)新性實驗。基礎(chǔ)性實驗可以使學(xué)生掌握物理實驗的基本方法和實驗數(shù)據(jù)的處理方法，是大學(xué)物理實驗課程中最重要的一部分。我們以基礎(chǔ)性實驗“牛頓環(huán)”為例，介紹科學(xué)思維方法教育在大學(xué)物理實驗課堂上的具體應(yīng)用。

二、科學(xué)思維方法教育在“牛頓環(huán)”實驗中的具體應(yīng)用

1.引入物理學(xué)史。任何一個實驗都有一定的歷史背景，教師可以從這個實驗的歷史背景講起，抓住學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲。雖然“牛頓環(huán)”實驗原理并不復(fù)雜，但不少物理學(xué)家從不同角度進(jìn)行了大量深入的研究。“牛頓環(huán)”實驗推動了光學(xué)理論特別是波動理論的確立和發(fā)展。牛頓首先發(fā)現(xiàn)了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，并且找出了環(huán)的直徑分布規(guī)律，但由于牛頓信奉微粒說，所以始終無法正確地解釋這個現(xiàn)象。楊氏利用“牛頓環(huán)”裝置提出了相位躍變理論，接著阿喇戈檢驗了牛頓環(huán)的偏振狀態(tài)，對微粒說提出了質(zhì)疑。隨后斐索利用這個裝置測定了鈉黃雙線的波長差[5]。教師清楚明了地把實驗的歷史背景和發(fā)展過程告訴學(xué)生，可以讓學(xué)生對這個實驗有清楚的感性認(rèn)識[6]。同時，教師向?qū)W生展示科學(xué)研究的艱辛歷程和不同學(xué)派之間的爭論，可以使學(xué)生進(jìn)一步掌握科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題[7，8]。

2.數(shù)學(xué)方法?！芭ｎD環(huán)”實驗的目的之一是測量平凸透鏡的曲率半徑。在實驗操作之前，教師和學(xué)生一起推導(dǎo)凸透鏡曲率半徑和牛頓環(huán)直徑的定量關(guān)系。公式推導(dǎo)的過程可以鍛煉學(xué)生的數(shù)學(xué)邏輯思維，幫助學(xué)生深入理解物理概念。數(shù)學(xué)方法包括極限法、比值定義法、微積分法、分離變量法、旋轉(zhuǎn)矢量法等。教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會用數(shù)學(xué)的方法研究物理問題，利用數(shù)學(xué)工具從簡單的規(guī)律入手去解決復(fù)雜的實際問題。

3.放大測量法。“牛頓環(huán)”實驗通過讀數(shù)顯微鏡將被測量的“牛頓環(huán)”形成放大的像以便觀察測量。這種方法叫放大測量法，它可以細(xì)分為累計放大法、機(jī)械放大法、電子學(xué)放大法和光學(xué)放大法。放大測量法在物理實驗中應(yīng)用廣泛，其中讀數(shù)顯微鏡屬于光學(xué)放大法，而電學(xué)實驗中常用的三極管電路則屬于電子學(xué)放大法。教師在引導(dǎo)學(xué)生理解讀數(shù)顯微鏡的原理，教會學(xué)生正確、快速掌握儀器使用規(guī)則的基礎(chǔ)上，介紹物理學(xué)中的“放大”思想。

4.觀察法。觀察是人類生活學(xué)習(xí)的主要活動之一，一切科學(xué)研究都始于觀察。教師首先引導(dǎo)學(xué)生觀察實驗設(shè)備的組成及“牛頓環(huán)”實驗現(xiàn)象，然后教師引導(dǎo)學(xué)生有目的地觀察干涉條紋的特點(diǎn)，觀察“牛頓環(huán)”中心的暗斑，觀察之后引導(dǎo)學(xué)生思考為什么干涉圖樣是明暗相間的同心圓環(huán)？為什么環(huán)的中心不是一個點(diǎn)？為什么中心不是亮斑？教師引導(dǎo)學(xué)生在觀察中思考，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，推動學(xué)生主動學(xué)習(xí)。

5.探究法。學(xué)生在熟悉實驗儀器操作之后，要自主探究完成整個實驗過程。教師進(jìn)行指導(dǎo)時，不能動手去幫學(xué)生操作實驗，不能僅簡單地解決學(xué)生當(dāng)前的困難，而是要注意對學(xué)生進(jìn)行物理方法的引導(dǎo)，鼓勵學(xué)生自主探究。在實驗過程中，一部分學(xué)生調(diào)不出清晰的同心圓環(huán)，還有一些學(xué)生雖然能調(diào)出來，但操作盲目。教師不能只幫助學(xué)生調(diào)出干涉條紋，還需要引導(dǎo)學(xué)生思考如何調(diào)出最清晰的、大小適中、位置正中的“牛頓環(huán)”。學(xué)生自主探究，通過思考、實踐，有計劃、有目的地研究探索，逐步找到問題所在。在學(xué)生自主探究的實驗過程中，潛移默化地提高了分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了對實驗課程的興趣。

6.列表法、逐差法。為了減少誤差，我們至少記錄了十個環(huán)的位置。實驗操作時要求學(xué)生緩慢轉(zhuǎn)動測微鼓輪，使目鏡中的十字叉絲依次與第30，29，28，…，16級環(huán)外側(cè)相切，順次記下讀數(shù)[9]。在數(shù)據(jù)記錄時，我們采用列表法。將數(shù)據(jù)列成表，可以簡單明確地表示物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時易于檢查數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)問題。在處理數(shù)據(jù)時，我們采用逐差法將表中測量及計算得到的環(huán)直徑兩兩一組，得出五組數(shù)值，利用公式計算曲率半徑的平均值。逐差法可以將測量的全部數(shù)據(jù)信息充分使用，更能反映多次測量對減少誤差的作用。除了列表法和逐差法，大學(xué)物理實驗數(shù)據(jù)處理還常用到作圖法和最小二乘法。

7.分析歸納法。實驗結(jié)束后，教師要引導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實際凸透鏡的曲率半徑與實驗測量計算得到的數(shù)據(jù)相比較肯定會存在差異，學(xué)生要如實記錄數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考誤差到底在哪里，歸納實驗環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生通過認(rèn)真思考，歸納整理，提高分析能力。

三、結(jié)語

綜上所述，我們把培養(yǎng)科學(xué)思維方法貫穿于大學(xué)物理實驗教學(xué)之中。教師在實驗教學(xué)中加入科學(xué)方法的內(nèi)容，加強(qiáng)物理科學(xué)思維方法的教育，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思考，使學(xué)生對大學(xué)物理實驗更有興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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[9]李士軍.大學(xué)物理實驗[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2011.

The Application of Scientific Thinking Method Education in the "Newton's Rings" Experiment of University Physics

FAN Juan-juan1，YU Xiu-ling1，PAN Zhen-dong2

（1.College of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130118，China;

2.High School Attached to Northeast Normal University，Changchun，Jilin 130022，China）

Abstract：University physics experiment is a compulsory basic course for science-engineering students.This paper analyzes the current situation of the university physics experiment course，and introduces the specific application of the scientific thinking method education in the "Newton's rings" experiment of university physics.

Key words：university physics experiment;scientific thinking method;"Newton's rings"