丁建強

(江蘇省昆山市第一中學(xué),江蘇 昆山 215300)

?

談理想實驗對于培養(yǎng)高中生思維能力的重要作用

丁建強

(江蘇省昆山市第一中學(xué),江蘇 昆山 215300)

實驗是高中物理課中必不可少的內(nèi)容，它在物理教學(xué)中有著不可替代的重要地位.通過實驗教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習物理的積極性，培養(yǎng)他們的動手能力、協(xié)作能力、分析能力，還有助于形成他們嚴謹?shù)?、實事求是的世界觀.本文從理想實驗的介紹入手，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗，依托蘇教版高中物理教材，分析了理想實驗對于培養(yǎng)學(xué)生思維能力的重要作用，旨在挖掘?qū)嶒灲虒W(xué)的意義，促進學(xué)生的全面發(fā)展.

高中物理；理想實驗；思維能力

在高中物理教學(xué)大綱中，明確規(guī)定了把培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能作為新課程物理改革的目的之一.通過實驗教學(xué)，不僅能讓學(xué)生深刻地理解物理學(xué)的概念和定律，還可以掌握必要的實驗技能，這些都是他們繼續(xù)學(xué)習現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，并且在生活中進行科學(xué)實驗和技術(shù)革新的重要基礎(chǔ).學(xué)生實驗技能掌握的好壞是衡量新時期物理教學(xué)效果的重要因素.理想實驗是高中物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，《普通高中物理課程標準(實驗)》中特別指出：“突出物理學(xué)科的特點，發(fā)揮實驗在物理教學(xué)中的重要作用”的教學(xué)建議，并對有關(guān)的要求作了比較詳細的論述.因此，在教學(xué)中通過學(xué)習理想實驗的科學(xué)方法，可以培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、想象能力和分析推理能力.

一、理想化方法是一種科學(xué)抽象的方法

理想實驗是理想化方法的一種形式.理想實驗也叫假想實驗、思想實驗或抽象實驗.它是一種形象思維與抽象思維相互作用的思維過程，它是以真實的科學(xué)實驗為基礎(chǔ)，以邏輯法則為依據(jù)，用思維展開實驗的過程.

二、物理理想實驗在物理教學(xué)中的作用

理想實驗以確認的知識為前提，以邏輯規(guī)則為準繩，在物理學(xué)發(fā)展中起著主要作用.

1．理想實驗在建立物理學(xué)理論的過程中發(fā)揮著重要作用.

如伽利略用理想實驗的方法發(fā)現(xiàn)了慣性定律，愛因斯坦以同時的相對性理想實驗為基礎(chǔ)創(chuàng)立了狹義相對論等.愛因斯坦在創(chuàng)建廣義相對論的過程中也應(yīng)用了理想實驗.愛因斯坦假想有一個理想電梯，里面裝有各種實驗用具，還有一位物理學(xué)家在進行各種測量.當電梯相對于地球靜止時，物理學(xué)家將看到，物體受到一種力的作用，使它們滑向地板，而且所有物體在落向地板時的加速度都是一樣的.由此他可以得出結(jié)論：這個電梯受到了外界引力的作用.愛因斯坦進一步分析指出：任何物理實驗都不能使實驗者看到引力的痕跡，即在這種電梯參考系中，引力全部消除了.因此，愛因斯坦得出：我們可以在任何一個局部范圍(某點附近的一個小范圍)找到一個參考系(如愛因斯坦電梯)，其中引力的作用可以完全被消除.引力的這一特性是物理學(xué)的其他力如電磁力、強相互作用、弱相互作用等所不具有的.在廣義相對論中，把引力能在某種參考系中局部地被消除這一特性稱為等效原理，它是廣義相對論的兩個基本原理之一，是運用理想實驗的結(jié)果.

2．理想實驗是物理學(xué)家有力的辯論和反駁方法

著名的物理學(xué)家馬赫利用理想化實驗對絕對時空觀提出了反駁：如果設(shè)想水桶壁有幾公里厚，乃至桶壁包括了整個宇宙，在這樣的情況下，我們還能相信水的轉(zhuǎn)動與桶壁的轉(zhuǎn)動無關(guān)嗎？很顯然，人們永遠不能制造出用宇宙作桶壁的水桶來，但是這并不妨礙反駁的正確性水的轉(zhuǎn)動不是相對于絕對空間的轉(zhuǎn)動，而是相對于宇宙中的物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)，“一切運動都是相對的”，這就是馬赫運用理想實驗以明確、直觀的形式給出的關(guān)于時空的正確結(jié)論.

3．借助理想實驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)原有(已有)理論的錯誤或局限.

如伽利略關(guān)于慣性的理想實驗，發(fā)現(xiàn)了亞里士多德理論的錯誤.又如麥克斯韋在其理想實驗中認為：在微觀世界里，當我們跟蹤每一個分子時，有可能出現(xiàn)違反熱力學(xué)第三定律的現(xiàn)象.麥克斯韋因此成為第一個發(fā)現(xiàn)經(jīng)典定律局限的人.

三、理想實驗對于學(xué)生思維能力的重要性

1．培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力.

如圖1所示的“斜面理想實驗”，實驗設(shè)想的步驟有：

(1)兩個對接的斜面，讓靜止的小球沿一個斜面滾下，小球?qū)L上另一個斜面.(2)減小第二個斜面的傾角，小球在該斜面上仍然會達到原來的高度.(3)繼續(xù)減小第二個斜面的傾角，最后使它成水平面，小球?qū)⒀厮矫孀鲇谰玫膭蛩龠\動.(4)如果沒有一切摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉磲尫艜r的高度.

教師通過介紹該實驗的設(shè)計和方法，讓學(xué)生進一步認識理想實驗在建立物理理論中的重要作用，認識實驗過程的抽象性，再通過學(xué)生解決具體問題時分析處理的抽象思維體驗，培養(yǎng)他們的抽象思維能力.

2.培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力.

在學(xué)習物體的超重和失重現(xiàn)象時，給學(xué)生介紹“愛因斯坦電梯”的理想實驗.當時愛因斯坦設(shè)想讓電梯自由下落，猜想到無論蘋果、羽毛等都可以自由地停在空中，人也可在底部和頂部行走而不受引力的影響.從而再通過思維推理，建立了廣義相對論.當時的思維的理想情景，現(xiàn)在已能體驗到或在電影、電視上看到，如航天飛船中宇航員的失重情景，從而激發(fā)學(xué)生積極思維，大膽科學(xué)的想象，設(shè)想理想的過程或情景，培養(yǎng)學(xué)生的逆向思維能力.

3.培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維能力.

牛頓在研究萬有引力定律時設(shè)想，從高山頂上平拋一個鉛球，速度越大，落到地面上越遠，甚至到半個地球，如果速度足夠大，鉛球?qū)⒗@地球做圓周運動，從而解決了天體運動與引力的問題，同時也為現(xiàn)代發(fā)射人造地球衛(wèi)星提供了依據(jù).物理規(guī)律、原理來源于自然，抓住物質(zhì)運動的本質(zhì)規(guī)律，就可以觸類旁通，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維能力.教學(xué)中可以提出一些有趣的問題如：假如沒有摩擦，世界將是怎樣的；如果沒有電阻(結(jié)合超導(dǎo)現(xiàn)象)，世界又是怎樣的：如果萬有引力消失，世界又是怎樣的：地球的質(zhì)量如何測量等等，通過學(xué)生的思考、猜測、想象等，激勵啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維能力.

教師在實驗過程中還可以設(shè)計一些問題，通過情景問題來啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維能力.如教師引導(dǎo)學(xué)生仔細觀察圖2中的F1、F2及F的大小和方向，分析F1、F2之和與F之間可能遵守什么樣的規(guī)律.

可能有些同學(xué)的猜想不著邊際，還有一些同學(xué)感到困惑，不知道如何解決問題.這時，教師要善于參與學(xué)生的猜想和討論，可以試著給學(xué)生一些提示：“在學(xué)習平面幾何時，可以利用添加輔助線的方法，重新構(gòu)建幾何圖形，使得已知量和未知量之間建立聯(lián)系.那我們能否通過添加輔助線的方法構(gòu)成一些簡單圖形，從而使得F1、F2與F之間建立某種聯(lián)系呢？”這樣在老師的引導(dǎo)下，學(xué)生積極思考，利用添加輔助線的方法，形成了如下的探究方案：

如圖3所示，過F1和F2的末端A、B作力F的方向OE的垂線交OE于C、D兩點，則OC+OD即為合力F的大小.

教學(xué)中不斷培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散性思維，靈活應(yīng)用多種方法分析解決問題——如假設(shè)法、等效法、替代法、取消法、極端法等，就可以更好地培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、創(chuàng)造能力.

總之，高中物理教學(xué)中理想化的方法的應(yīng)用還有很多，例如理想化模型(質(zhì)點、點電荷、單擺、力線、簡諧振動等)，處理和研究問題的方法(假設(shè)法、等效法、替代法)等，因此我們要結(jié)合物理的理想化實驗，透徹分析各章節(jié)的實際情況，堅持貫徹科學(xué)方法的教育，引導(dǎo)啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用科學(xué)方法分析解決問題，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力.

[1]徐衛(wèi)兵. 高中物理教學(xué)中滲透數(shù)學(xué)思想方法的價值研究[J]. 物理教師,2014(11).

[2]吳政. 物理方法教學(xué)的現(xiàn)狀與思考[J]. 中學(xué)物理教學(xué)參考,2014(06).

[責任編輯：閆久毅]

2017-05-01

丁建強 (1978.6-)，男，江蘇昆山，中學(xué)一級教師，本科，從事高中物理教學(xué)研究.

G632

B

1008-0333(2017)18-0047-02