馬利明　魯鵬飛

摘 要：理想實驗是一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法，它在推動物理學發(fā)展上起著很重要的作用。理想實驗較之實物實驗有其明顯的不可替代性；物理教學中運用理想實驗對學生掌握物理知識和規(guī)律，提升邏輯思維能力，掌握科學研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力等具有重要的幫助作用。

關鍵詞：理想實驗；物理教學；功效

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2015）7-0042-3

眾所周知，物理學是一門實證科學，它以觀察、實驗為基礎，但就此認定它與思辨的哲學毫不相干，那是一種誤解。因為物理學的每一次重大進步，都會帶來哲學的巨大變革，如伴隨著牛頓推理力學的巨大成功而產生的機械論哲學就是很好的實例。當然，哲學對物理學研究起到的指導作用，即作為構建物理學大廈必不可少的腳手架功效，更有理由讓我們改變實驗態(tài)度。我們既要重視利用現(xiàn)有技術可以實現(xiàn)的實驗對科學發(fā)現(xiàn)的作用，也要認識到那些只具有原則上的可檢驗性，而在技術上尚無法實現(xiàn)的理想實驗的價值。理想實驗同樣是獲取知識的來源，在物理教學中必須得到重視。

1 理想實驗概念界定及其哲學啟示

“理想實驗”又稱思想實驗、抽象實驗等，它是人們在頭腦中進行的一種邏輯推理的思維過程和理論研究的重要方法。在物理學發(fā)展史上，作為經典力學基礎的慣性定律就是理想實驗的一個重要結論；愛因斯坦建立狹義相對論，也曾作了關于同時性的相對性理想實驗；量子論的建立也與理想實驗密切相關，海森堡用來推導測不準關系的所謂電子束的單縫衍射實驗就是一種理想實驗。倘若我們細細去品味大師們的理想實驗，就會更加深刻地體會到哲學與科學的相互依存，理想實驗并非“胡想實驗”，它帶給了我們很多哲學啟示。

1.1 科學觀察是理想實驗的根本

理想實驗是物理學家追尋事物本源，揭示事物發(fā)展與變化的思維結晶。在這追尋與揭示的過程中，對事物的觀察至關重要，因為觀察會影響到通過觀察所得出的結論是否正確。在觀察過程中，人的主觀因素往往決定著觀察者對觀察對象本質的理解，這種情形對于物理學家來說也不例外。

1.2 思維辨析是理想實驗的基礎

觀察者遵循唯物主義完成對事物的觀察后，接著就該對觀察結果進行科學的思維辨析了，否則觀察便失去了在理想實驗中所必須具備的全部科學內涵，自然地就失去了科學觀察的意義和作用。由此可見，思維辨析作為構成理想實驗的基礎，顯然是由理想實驗的屬性所決定的。

愛因斯坦曾在《自述》中說：“像我這種類型的人，一生中主要的東西，正是在于他想的是什么和他是怎樣想的，而不在于他所做的或者所經受的是什么。”這種極富哲理、內涵精深的著名論述，我們完全可以把它作為思維辨析的科學詮釋。所謂“思維”就是“想什么”，而“辨析”則是“怎樣想”。愛因斯坦是這樣說的，也是這樣做的?？梢姡季S辨析不僅僅是理想實驗的基礎，更應該是廣大物理學研究者的思維基礎。

1.3 創(chuàng)新精神是理想實驗的精髓

縱觀一個個理想實驗，無不浸透著大師們獨特的創(chuàng)新精神。這種精神用愛因斯坦的話來說就是“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決一個問題也許僅僅是一個數(shù)學上或實驗上的技能而已，而提出新的問題，新的可能性，從新的角度去看問題，都需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標志著科學的真正進步”。這段至理名言，不僅為我們揭示出了創(chuàng)新就是理想實驗的精髓所在，更為我們深刻地指出了理想實驗在整個物理學發(fā)展過程中的重要作用。理想實驗本身就是為了解決新問題而設計出來的實驗方案，在這個實驗方案中，關鍵是設計出實驗所需要的理想化了的條件，并在這個理想條件下去演繹實驗，以便驗證或解決所提出來的新問題。那么，如何設計出實驗所需要的理想化了的條件呢？我們運用牛頓的話來說便是“自然界喜歡簡單”。我們完全可以把牛頓的“簡單化法則”運用到理想實驗的條件設置當中，使我們設置的條件更加理想、更為簡單，當然也就更有利于實驗的演繹。實際上，這一實驗條件簡單化的過程本身就是一個完整的創(chuàng)新過程，它自然也是一種創(chuàng)新精神的體現(xiàn)。

2 理想實驗與實物實驗的區(qū)別和它的不可替代性

理想實驗作為一種重要的科學研究方法，其精髓在于它是物理思想、數(shù)學演繹與一般性實驗的巧妙結合，是連接抽象的邏輯思維和經驗知識的樞紐。理想實驗較之實物實驗是有區(qū)別和明顯的不可替代性的。

2.1 實物實驗是一種實踐活動，理想實驗是一種思維活動

可操作性的實物實驗是一種實踐活動，是人們通過物化過程而進行的實驗，它操作對象是真實的物理儀器和設備。理想實驗則是一種思維活動，是人們在創(chuàng)造性思維活動中設想出來的，是現(xiàn)實中無條件物化的實驗，它的操作對象一般是在真實科學實驗基礎上的延伸。例如，伽利略的“斜面實驗”就是把實驗事實和抽象思維結合起來，把研究的事物加以理想化，突出事物的主要特性，化繁為簡，對客觀對象的實際運動過程進行本質探究，從而更容易地認識其規(guī)律性。

2.2 理想實驗較之實物實驗的不可替代性

理想實驗不受時空限制，不受客觀條件制約，無需任何經費投入。實驗者可以通過豐富的想象和嚴密的邏輯思維，隨時在頭腦中捕捉“靈感”，進行“實驗”；理想實驗能擺脫實物實驗不確定性的影響，實驗者可以通過對模型的“理想化”處理（如光滑表面、剛體、點電荷、理想氣體等等）而完成實驗，它沒有誤差，無需數(shù)據(jù)處理；理想實驗是實驗者的物理知識和哲學修養(yǎng)的完美統(tǒng)一，實驗者通過不斷地嘗試和實踐，可以達到既精通專業(yè)知識，又提升哲學修養(yǎng)的目的；隨著科學技術的發(fā)展，物理實驗儀器、設備的不斷改進和更新，實驗方法、手段的不斷進步和提高，有的理想實驗可以成為真實物理實驗的前導，使得科學發(fā)展少走彎路。例如，說明量子幾率波的單電子衍射實驗最先就是作為理想實驗提出來的，1949年前蘇聯(lián)科學家就具體地完成了這個實驗，并觀察到單電子的衍射。

3 理想實驗在物理教學中的重要作用

物理教學不僅是傳授知識的過程，更重要的是教會學生學會思考。理想實驗作為一種重要的邏輯思維方式，它對學生掌握物理知識和規(guī)律，提升思維能力，掌握科學研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，鍛煉學生的懷疑與批判精神具有重要的幫助作用，因此理應在教學中加以運用。

3.1 運用理想實驗巧妙呈現(xiàn)物理知識和規(guī)律

物理學知識的呈現(xiàn)大多較為理論化，學生接受不是十分容易，同時又會被實時實驗條件所限致使知識具體化不太可能，但理想實驗就可以很好地解決這些困難。例如，講解“人造地球衛(wèi)星上天”的若干知識時，倘若教師采用播放衛(wèi)星上天的視頻片段來輔助教學，最終學生了解的可能是衛(wèi)星上天的幾個過程，但對衛(wèi)星在天上飛行為何“不墜落”或“不被甩掉”等問題就不能理解了。此時，進行理想實驗就可以解決以上問題。先讓學生設想空間是理想化的，無任何障礙的；然后把高山頂拋球的那個人理想化成“大力士”；再結合平拋運動規(guī)律想象軌道隨速度改變逐漸變化，當速度達到某一定值時，此球將沿某個軌道運動而不墜落；最后想象當球的運動由非圓軌道轉化成圓軌道時發(fā)生了質的變化，既不會墜落也不會被甩掉。

理想實驗具有其深刻的思想性，蘊含著與“實際實驗”對應的諸多物理規(guī)律。有的物理規(guī)律運用常規(guī)方法推導不僅繁雜且無必要，理想實驗則可以很好地解決這些問題。例如，關于凸透鏡成像中物像移動的速度關系問題，應用數(shù)學運算比較繁瑣且不易發(fā)現(xiàn)規(guī)律。我們可以幫助學生設計這樣的理想實驗：一個人從無限遠處沿主軸向凸透鏡勻速走來，開始成像在焦點附近，是個小點，然后這個小點逐漸變大，但因為小點的腳步頻率與人走動的頻率是一樣的，所以在成縮小實像時，像移動的速度始終小于人的運動速度；當成放大的實像時，實像如同巨人一般，人和這巨人的腳步頻率仍然一樣，但這時像移動的速度大于人移動的速度，由此可見：實像移動速度和人的移動速度滿足v'=mv（m為像相對物的放大倍數(shù)）。巧妙設計理想實驗還可以鞏固一些物理規(guī)律，或讓學生認識到某些規(guī)律的局限性。

3.2 運用理想實驗激發(fā)學生的學習興趣，培養(yǎng)學生的想象力與邏輯思維能力

課堂教學中巧妙設計一些具有情感色彩的理想實驗可以活躍氣氛，融洽師生感情，從而激發(fā)學生的學習積極性和主動性。

理想實驗是一種創(chuàng)造性的思維活動，其構思過程是想象與邏輯思維相互作用的結果，是在邏輯的“規(guī)范”下，頭腦中形成有條理的思維圖景，想象并做出科學創(chuàng)造的前奏。任何一個新理論的產生，新思想的提出都是運用想象來對已有知識進行合理猜想與推測的結果；缺乏想象，縱然有大量的事實，也只能永遠徘徊在事實的“海洋”中，不能超越現(xiàn)有的事實和理論束縛，不能產生創(chuàng)新思想和創(chuàng)新行為。因此，豐富的想象力和邏輯思維能力是進行理想實驗的前提。物理教學中適時引入理想實驗，透徹地分析理想實驗案例，研究大師們設計理想實驗的邏輯思維方法，教學生在頭腦中“想象”理想實驗的進行過程，幫助學生沖破已有理論對自己思維的影響，保持思維的深刻性、靈活性、敏捷性，從而使學生通過符合邏輯的想象，對物理理論和實驗 （實際） 事實有深刻的理解，想象力與邏輯思維能力得以提升。

3.3 運用理想實驗培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鍛煉學生的懷疑與批判精神

理想實驗是實驗者在對現(xiàn)有理論和實驗透徹理解與熟練掌握的基礎上借助思維的主觀能動性進行的科學命題，是實驗者對現(xiàn)有理論的懷疑、批判和繼承，反映的是創(chuàng)新思維的成果。在物理教學中引入理想實驗，就是要學生通過學習和研究科學家設計理想實驗的構思與推理過程，在大腦中形成求異的新思路。但眾所周知，新思路的形成不能一蹴而就，必須進行學習、研究、思索，必須用懷疑的態(tài)度和批判的精神審視現(xiàn)有的理論，對現(xiàn)有理論的質疑越多，大腦的信息儲備也就越多，出現(xiàn)“閃光”點的機會也就越多。因此，在教學中運用理想實驗，對培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，鍛煉學生的懷疑與批判精神是非常有效的舉措。

4 結束語

理想實驗在物理學發(fā)展中的作用確實很大，有效地推動物理學向前發(fā)展。理想實驗在豐富物理教學內容的同時，不僅培養(yǎng)了學生的想象力與邏輯思維能力，更培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力，鍛煉了他們的懷疑與批判精神。

但理想實驗也有一定的局限性。在教學中我們必須使學生明白理想實驗并不是檢驗物理學理論真理性的標準，它只是物理學理論研究的一種思維方法，只有在一定的條件下被轉化為真實實驗之后，才能作為檢驗理論正確與否的標準。

參考文獻：

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（欄目編輯 羅琬華）