試論研究性的物理實(shí)驗(yàn)與教學(xué)中的物理實(shí)驗(yàn)之異同

朱 琴

(北京市昌平區(qū)第二中學(xué) 北京 102208)

趙詩華

[中國礦業(yè)大學(xué)(北京)理學(xué)院 北京 100083]

1 問題的提出

物理學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)都重視實(shí)驗(yàn).

丁肇中說，“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無法推翻實(shí)驗(yàn).”

閆金鐸先生提出：在物理教學(xué)的過程中，應(yīng)當(dāng)按照觀察，實(shí)驗(yàn)，思維和應(yīng)用的順序展開.

兩者談到“實(shí)驗(yàn)”的含義完全相同嗎？

顯然前者談到的“實(shí)驗(yàn)”是指物理學(xué)研究中的，后者是指中學(xué)物理教學(xué)中的，在這兩個(gè)領(lǐng)域中“實(shí)驗(yàn)”的含義不完全一樣.

下面我們通過對(duì)比“實(shí)驗(yàn)”在這兩個(gè)領(lǐng)域中的作用來詮釋它的含義，以期對(duì)中學(xué)物理教師有所啟發(fā)和幫助.

2 物理學(xué)建立過程中研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”

首先我們要知道物理學(xué)是如何發(fā)展起來的，物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)兩者之間的關(guān)系，物理學(xué)家做實(shí)驗(yàn)到底是用來干什么的？

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)中對(duì)物理學(xué)的表述：物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)理想模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系和研究方法.

因此，可以認(rèn)為物理學(xué)包括兩部分，一是通過科學(xué)思維用數(shù)學(xué)語言建立起來的具有邏輯關(guān)系的理論體系，二是理論體系必須接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn).理論通過演繹推理得到更多的推論進(jìn)行預(yù)言，通過實(shí)驗(yàn)“確證”預(yù)言，也就間接“確證”了新理論，同時(shí)舊理論就被“證偽”，需要根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象修正原來的理論或者創(chuàng)立新的理論，原來的理論會(huì)被擯棄或者成為新理論的一個(gè)極限情況存在，如圖1所示.

圖1 物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

密立根說：“科學(xué)靠兩條腿走路，一是理論，一是實(shí)驗(yàn).有時(shí)一條腿走在前面，有時(shí)另一條腿走在前面.只有使用兩條腿，才能前進(jìn).”

物理學(xué)理論是在一定范圍內(nèi)被證實(shí)，并不是一成不變的，隨著人們對(duì)客觀世界的深入認(rèn)識(shí)而不斷地得到發(fā)展和完善，使得物理學(xué)理論的表述更精準(zhǔn)、更清晰時(shí)，也更能被否證，也越來越科學(xué)、越來越接近真理，當(dāng)然真理是相對(duì)的.

可見，物理學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”主要是用來支撐和檢驗(yàn)物理學(xué)理論體系，是物理學(xué)研究的需要，這些“實(shí)驗(yàn)”很關(guān)鍵且在數(shù)量上力求少，我們稱它為研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”，舉例說明如表1所示.

表1 研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”(用來支撐和檢驗(yàn)物理學(xué)理論體系)

3 中學(xué)物理教學(xué)中的“物理實(shí)驗(yàn)”

中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”除了包含物理學(xué)研究性的實(shí)驗(yàn)和物性實(shí)驗(yàn)(如探究胡克定律)外，還有大量的在物理學(xué)上都不存在的自制實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)是用來有效補(bǔ)充學(xué)生直觀經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰陀?xùn)練實(shí)驗(yàn)技能的，是教師發(fā)揮自己的聰明才智創(chuàng)造出來的，不限數(shù)量，其目的是促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成和終身學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，不是物理學(xué)研究的需要，與物理學(xué)研究性的“實(shí)驗(yàn)”作用不一樣，我們稱它為中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”.

因此中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”包含物理學(xué)研究性的實(shí)驗(yàn)，如圖2所示，但在作用上卻有很大的不同，現(xiàn)舉例說明如表2所示.

圖2 物理學(xué)研究性的“實(shí)驗(yàn)”與中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”在內(nèi)容上的關(guān)系

表2 對(duì)比同一“實(shí)驗(yàn)”在中學(xué)物理教學(xué)中與物理學(xué)研究中的作用

4 對(duì)比物理學(xué)研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”和中學(xué)物理教學(xué)中的“物理實(shí)驗(yàn)”

下面通過實(shí)例對(duì)比研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”和中學(xué)物理教學(xué)中“物理實(shí)驗(yàn)”.為了很好地說明問題，我們以牛頓第二定律為例.

實(shí)例：牛頓第二定律

(1)物理學(xué)中的牛頓第二定律

牛頓第二定律是理論假說，不是實(shí)驗(yàn)歸納得出的定律，其推論需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和支撐.

牛頓第二定律與其推論之間滿足理論自洽，它們環(huán)環(huán)相扣，一旦推論被確證，牛頓第二定律就被間接證實(shí).

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書的構(gòu)思，主要是為了解決天體問題.牛頓從牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律出發(fā)，結(jié)合萬有引力定律和微積分成功解釋了開普勒行星運(yùn)動(dòng)定律，萬有引力定律是否正確，測(cè)萬有引力常量實(shí)驗(yàn)就成了支撐整個(gè)牛頓力學(xué)體系的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)工作者對(duì)該定律提出一系列的問題，例如：G的精確值是多大？它是一個(gè)常量還是會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化？引力是嚴(yán)格地與距離的平方成反比嗎？它與兩物體的組成相關(guān)嗎？引力與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)嗎？對(duì)萬有引力常量G的精確測(cè)量不僅具有計(jì)量學(xué)上的意義，更關(guān)鍵是對(duì)于檢驗(yàn)牛頓萬有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律具有重要意義，是牛頓力學(xué)體系建立的基石.

由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽，因此萬有引力常量G是最難測(cè)定的常量之一.G是歷史上最早被認(rèn)識(shí)和測(cè)量的物理常量，但G的測(cè)量精度仍然是物理學(xué)基本常量中最差的.300多年來，不少科學(xué)家在努力測(cè)量G值并讓它更精確.2018年8月，《自然》雜志發(fā)表了中國科學(xué)家測(cè)量萬有引力常量的研究，測(cè)出了截至目前最精確的G值.

(2)中學(xué)物理教學(xué)中的牛頓第二定律

高中物理教材人教版(2019年版)必修第1冊(cè)中安排了一個(gè)“探究牛頓第二定律”的實(shí)驗(yàn)，目的是為了學(xué)生更好地理解和掌握牛頓第二定律而設(shè)計(jì)的.同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮骷寄軄碚f是很好的載體.本實(shí)驗(yàn)的原理、方案設(shè)計(jì)、裝置選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)表格設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄、利用化曲為直的圖像法處理數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等一系列科學(xué)探究環(huán)節(jié)能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮骷寄?，是教師通過講授等其他途徑?jīng)]法實(shí)現(xiàn)的.實(shí)驗(yàn)技能的熟練有利于知識(shí)的掌握，也是聯(lián)系物理知識(shí)與物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ臉蛄?

中學(xué)物理教學(xué)中過分強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的作用也會(huì)帶來一些負(fù)面的影響：首先，這會(huì)帶給學(xué)生一種誤解，認(rèn)為牛頓第二定律是通過大量實(shí)驗(yàn)歸納得出的，實(shí)際上在物理學(xué)的發(fā)展史上不存在“探究牛頓第二定律”這個(gè)實(shí)驗(yàn).其次，由于引進(jìn)了“探究牛頓第二定律”這個(gè)實(shí)驗(yàn)，也就忽視了牛頓力學(xué)理論體系的建構(gòu)過程，學(xué)生體會(huì)不到牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律在牛頓力學(xué)中的基礎(chǔ)性地位，不能正確理解實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)理論體系之間的關(guān)系，不利于學(xué)生物理觀念的形成.當(dāng)然，對(duì)于學(xué)生來說，要理解到這一點(diǎn)是有困難的，但作為教師，這關(guān)乎到學(xué)科素養(yǎng)問題，不能含糊.

綜上所述，研究性的“物理實(shí)驗(yàn)”是物理學(xué)理論的試金石，物理學(xué)理論體系只需要幾個(gè)關(guān)鍵性的研究性實(shí)驗(yàn)來支撐和檢驗(yàn).中學(xué)物理教學(xué)“實(shí)驗(yàn)”既包含研究性“物理實(shí)驗(yàn)”還包含大量的教師創(chuàng)造性“物理實(shí)驗(yàn)”，主要作用是輔助物理教學(xué).

我們只有明確“物理實(shí)驗(yàn)”的真正含義才能更好地發(fā)揮“物理實(shí)驗(yàn)”在中學(xué)物理教學(xué)中的重要作用，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的形成.