摘 要：理想實(shí)驗(yàn)作為一種科學(xué)方法是物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，在物理課程的發(fā)展中有獨(dú)特的優(yōu)勢，讓學(xué)生理解掌握物理實(shí)驗(yàn)并應(yīng)用它能夠有效啟迪學(xué)生智慧，開拓思維，提高想象力和創(chuàng)造力，本文探討了理想實(shí)驗(yàn)在高校物理教學(xué)中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn)；物理教學(xué)；作用

G633.7

物理學(xué)的授課中除了理想模型之外，為了順利開展物理教學(xué)，通常也會用到理想實(shí)驗(yàn)。理想實(shí)驗(yàn)其實(shí)就是思維中塑造實(shí)驗(yàn)的過程，通過理性的分析揭秘物理學(xué)中內(nèi)在的聯(lián)系，并不需要實(shí)際的操作過程，人們可以假設(shè)實(shí)驗(yàn)裝置，并且以假設(shè)作為基礎(chǔ)，根據(jù)相關(guān)的理論進(jìn)行推論，但是理想實(shí)驗(yàn)并不是不切實(shí)際的主觀臆想，它以科學(xué)的實(shí)驗(yàn)作為基礎(chǔ)，在思維中塑造理想，本文通過對理想實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的研究，喚醒廣大師生對這一方法的重視，并作用于物理教學(xué)和學(xué)習(xí)。

一、理想實(shí)驗(yàn)在高校物理教學(xué)中的應(yīng)用

1. 在總結(jié)物理規(guī)律方面的應(yīng)用

首先，用來研究物理規(guī)律的類型。物理規(guī)律反應(yīng)物理概念之間的內(nèi)在聯(lián)系，代表著物理現(xiàn)象發(fā)展的趨勢，包含定理、假說、法則等，主要類型有：第一，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)歸納物理規(guī)律，例如，庫倫定律，安培定則、光的反射、熱力學(xué)定律等。第二，運(yùn)用邏輯推理得到的物理定理例如，動能定理及理想氣體的狀態(tài)方程等等。第三，將一些定理作為基礎(chǔ)，抽象出某個領(lǐng)域的宏觀規(guī)律，例如，分子動理論、光的波動說等。第四，將普遍認(rèn)可的物理規(guī)律作為別的規(guī)律的基礎(chǔ)，通常使用定律或者方程等來命名，例如，熱平衡方程、牛頓第一定律等。這些規(guī)律都是透過現(xiàn)象看本質(zhì)，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的，但是隨著科技的發(fā)展，這些理論也只是相對真理。

其次，用來歸納物理規(guī)律的方法。概念及規(guī)律是物理學(xué)的主干部分，規(guī)律的總結(jié)過程需要在教師的引導(dǎo)下，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，常用的總結(jié)方法有：假說法，邏輯推演法、理想實(shí)驗(yàn)法等等。理想實(shí)驗(yàn)作為總結(jié)物理學(xué)規(guī)律的重要方法之一，是建立在事實(shí)基礎(chǔ)上的發(fā)揮思維的重要作用，揭示規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系。例如，伽利略就是運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)總結(jié)出規(guī)律，將兩個質(zhì)量不同的物體，在忽略空氣阻力的情況下，讓其下落，那么這一運(yùn)動的加速度是重力加速度，也是勻變速直線運(yùn)動。雖然這一假設(shè)的情況并不存在于現(xiàn)實(shí)中，是理想情況下進(jìn)行的思維實(shí)驗(yàn)，但是這是合乎實(shí)際的想象。通過運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)，伽利略歸納出，力的作用主要在于改變物體運(yùn)動狀態(tài)和速度，物體的運(yùn)動并不需要依靠力來維持，也就是慣性定律。牛頓在總結(jié)前人基礎(chǔ)上指出牛頓三大定律：所有物體都是保持勻速直線運(yùn)動或者靜止的狀態(tài)，直到有力作用于其上迫使改變，也就是牛頓的慣性定律。

2. 在建立物理概念方面

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論研究表明，初中學(xué)生的物理思維方式主要以形式運(yùn)算為主。但是根據(jù)相關(guān)研究證實(shí)，美國初中生只有13.2%，即便是高中生也只有15%的人能夠真正意義上達(dá)到形式運(yùn)算階段。研究甚至表明大學(xué)生中能夠達(dá)到形式思維運(yùn)算的也只有22%。根據(jù)我國的調(diào)查顯示，我國大學(xué)生生中大概還有一半的學(xué)生仍然處于具體思維運(yùn)算階段。在目前大學(xué)擴(kuò)招的情況下，特別在專科類學(xué)校的學(xué)生中，學(xué)生在理化等基礎(chǔ)普遍較弱，此類學(xué)校的幾乎大部分的學(xué)生都還是處在具體運(yùn)算階段，思維的片面性和想象能力相對缺乏。學(xué)生思維能力比較膚淺，大多數(shù)時候都需要具體的事物來輔助想象，認(rèn)知能力有限，所以物理教師應(yīng)該結(jié)合不同階段學(xué)生的思維方式的特點(diǎn)，增強(qiáng)物理概念的直觀性和形象性。而理想實(shí)驗(yàn)恰恰是建立在學(xué)生對真實(shí)實(shí)驗(yàn)感知的基礎(chǔ)上的合乎邏輯的想象，在進(jìn)行物理知識授課時，可以借助理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐性，有效結(jié)合形象和具體思維，讓學(xué)生建立物理概念，激發(fā)學(xué)生對物理課堂的熱愛。

在講解愛因斯坦的狹義相對論的時候，首先要介紹相對性原理和光速不變性原理，相對性原理正是從理想實(shí)驗(yàn)中得出來的。理想實(shí)驗(yàn)應(yīng)該是這樣設(shè)計(jì)的，假設(shè)天空中的閃電同時下?lián)魱|西方向鐵路，第一位觀察者在鐵路旁邊，同時也在閃電中間，那么他看到閃電同時發(fā)生，另外一個觀察者在火車上，經(jīng)過第一個人的對面，在他看來，閃電并非同時，東方閃電沒有到達(dá)時，車已經(jīng)過去，第二個人在遠(yuǎn)離東方閃電，也就是說對于靜止的人來說，閃電是同時的，對于高速運(yùn)動的人來說，閃電有先后，再進(jìn)一步假設(shè)，火車是光速行使，那么第二個人根本看不到東方的閃電，這個理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸鐾瑫r是相對的，并不是絕對相對性。

3. 在創(chuàng)造性解答物理問題方面

很多的物理問題中的狀態(tài)、過程都是多個要素和關(guān)系的交叉體，比較復(fù)雜，在分析相關(guān)問題時一方面要注意物理問題涉及到的各個要素和關(guān)系，另一方面還要考慮到他們之間的關(guān)系變化，在實(shí)際解決起來錯綜復(fù)雜。設(shè)計(jì)合理的理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪Y(jié)合問題的特點(diǎn)，將其關(guān)系到的狀態(tài)及對象放置在絕對理想的環(huán)境下，那么就會讓問題變得簡單。

例如，假設(shè)桌子上有一個U型管，里面裝著水銀，將U型管的兩端口封閉，同時，兩邊存有一段空氣，最初，右端口的水銀比左端口的水銀高，設(shè)高出的高度的h，被封閉的兩端的空氣溫度一樣，那么如果使兩邊的空氣溫度同時下降，那么兩端的高度差怎么變化？這里我們就可以根據(jù)器材幫助學(xué)生設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)，因?yàn)橄陆档臏囟仁遣淮_定的，那么就可以假設(shè)都下降到絕對0度，這樣，U型管兩端的壓強(qiáng)都會變成0Pa，因?yàn)?度的情況下，水銀分子就不會運(yùn)動，壓強(qiáng)也就為0。既然壓強(qiáng)為0，那么兩端的水銀也就不存在高度差了，h=0，所以利用這個理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸鼋Y(jié)論。

再比如，有一質(zhì)量是M的木桿靜止不動地掛在房頂上，一只貓的質(zhì)量是m跳起抓住桿子，這樣導(dǎo)致木桿掉落，如果貓離著地面的高度不發(fā)生變化，怎么解釋木桿下降的加速度？

這個問題中講述的情況幾乎在現(xiàn)實(shí)中不存在，這種情況下，物理老師需要幫助學(xué)生建立理想實(shí)驗(yàn)的思維模式，根據(jù)題目中的要求和畫面，想象出類似的物理場景，結(jié)合牛頓的第二定律，做出判斷，木桿下降的加速度肯定要比只承受重力的時候的加速度大，在此，使用物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇椭鷮W(xué)生勾勒出物體運(yùn)動的畫面，提高他們建立模型的能力，發(fā)揮想象。

4. 在輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)方面

實(shí)驗(yàn)研究法是物理學(xué)很重要的研究方法，幫助學(xué)生掌握研究及實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)研究客體的分類可以將實(shí)驗(yàn)分為直接和間接兩類，一般說的實(shí)驗(yàn)大多數(shù)都是指直接實(shí)驗(yàn)，間接試驗(yàn)主要指模擬實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)，在一定程度上來說，模擬和理想實(shí)驗(yàn)都是對真實(shí)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，在這里探究理想實(shí)驗(yàn)的輔助作用。

新課改后，高校物理實(shí)驗(yàn)課程中增加了探究性實(shí)驗(yàn)，由于其結(jié)果的未知性，增加了實(shí)驗(yàn)過程的難度，再者實(shí)驗(yàn)課堂時間有限，這對學(xué)生和老師的要求更高。學(xué)生在進(jìn)行探究性實(shí)驗(yàn)之前需要預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程，這就需要借助理想實(shí)驗(yàn)精心設(shè)計(jì)每個環(huán)節(jié)。

現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)有時候受到實(shí)驗(yàn)器材、方法等方面的限制，容易出現(xiàn)誤差，但是，理想實(shí)驗(yàn)正彌補(bǔ)了這點(diǎn)不足，它不需要真實(shí)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，操作的方法及環(huán)境要求都在完全理想狀態(tài)下進(jìn)行，這樣就避免了誤差的出現(xiàn)，這也為真實(shí)實(shí)驗(yàn)的誤差彌補(bǔ)和分析提供了標(biāo)準(zhǔn)。比如，在驗(yàn)證機(jī)械能守恒時，多種方法的實(shí)驗(yàn)都會受到各種問題的限制，勢能的減小總是大于動能的增加量，這就意味著出現(xiàn)機(jī)械能減小。但是，假設(shè)預(yù)先對物體的下落做一個理想實(shí)驗(yàn)，那么在理想實(shí)驗(yàn)的過程中，就能夠及時察覺到，在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)條件下，紙帶和打點(diǎn)計(jì)時器中間會有摩擦，正是這個摩擦力導(dǎo)致機(jī)械能減少。除此之外，物體在下落的過程中，由于真實(shí)條件下空氣阻力的存在，導(dǎo)致機(jī)械能被消耗，所以減少，根據(jù)理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，就可以發(fā)現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的誤差原因，及時更改，完善實(shí)驗(yàn)，盡量減少誤差。這樣可以幫助學(xué)生深入思考，提高形象思維能力，從而得出結(jié)論。

在物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中，很多實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行定性的研究和演示，很難進(jìn)行定量觀察。所以教學(xué)中會有這樣的說法，大量精確實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際上這種說法不準(zhǔn)確，物理老師也無奈，所以在教學(xué)中可以引導(dǎo)學(xué)生通過理想實(shí)驗(yàn)，推理各種物理量的聯(lián)系，這樣能夠彌補(bǔ)演示實(shí)驗(yàn)的缺陷。

5. 理想實(shí)驗(yàn)可以調(diào)節(jié)課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣

理想實(shí)驗(yàn)設(shè)置科學(xué)合理可以有效活躍課堂氛圍，增進(jìn)師生感情，激發(fā)學(xué)生的興趣，提高情商和智商的可塑性，能夠影響學(xué)生今后的學(xué)習(xí)甚至工作。還可以借助現(xiàn)代科技設(shè)計(jì)色彩動畫，能夠拓寬學(xué)生思維。對于很多難以理解的內(nèi)容，借助理想實(shí)驗(yàn)可以出于簡單歸于深奧，比如，麥克斯韋進(jìn)行的理想實(shí)驗(yàn)用鮮明的圖像解釋了熱力學(xué)定律，作為信息論的先導(dǎo)。

二、結(jié)語

運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要教師在教學(xué)中引領(lǐng)學(xué)生樹立創(chuàng)新思維，一方面創(chuàng)造性使用教材中的理想實(shí)驗(yàn)，另一方面，大膽創(chuàng)造新的理想實(shí)驗(yàn)，活躍學(xué)生的思維，此外， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多媒體教學(xué)方式的應(yīng)用，還可以使用三維動畫的方式進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)，但是注意理想實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要符合科學(xué)規(guī)律，幫助學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方式。

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作者簡介：石應(yīng)基 男 1986年6月15日出生 主要從事物理教學(xué)工作