物理新课程标准下的理想实验及教学策略

张耀宝

(温州大学物理与电子信息工程学院 浙江 温州 325035)

高中物理新课程标准要求物理课堂教学要加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想，让学生体验科学探究过程，了解科学研究方法，提高学生的科学素养，增强学生的创新意识和实践能力.在物理课堂教学中，理想实验对启迪学生的智慧,培养学生的想象力和科学思维能力起着非常重要的作用.因此，我们有必要对理想实验在物理新课程标准下的教学策略进行研讨.

1 理想实验的内涵和特征

理想实验，又称为思想实验或假想实验，是一种在高度理想化的条件下，在科学想象之中进行的特殊的“实验”.它是科学实验、形象思维与逻辑推理有机结合的产物，是科学发现这种创造性活动中最有启发性的方法之一.在理想实验中，实验者使用理想化的仪器设备(如伽利略的绝对光滑的斜面、平面，爱因斯坦的理想列车和理想升降机)，在极端理想化的条件下(如无摩擦、无空气阻力，或者完全摆脱引力影响处在“自由空间”之中)对实验对象(各种理想客体)进行“操作”和“观察”[1].理想实验并非脱离实际的主观臆想，而是以真实实验为基础的.理想实验的逻辑推理方法和理论依据是从长期的社会实践中总结出来并为实践所证实了的.因此,“理想实验的方法并不意味着脱离实际, 相反, 它恰恰是以抽象的形式更正确地反映了具体的客观实际.”[2]

理想实验是按真实实验的格式展开的一种复杂的思维推理活动，它具有以下特征.

1.1 实验的可操作性

理想实验是在头脑中进行的实验，它之所以被称为“实验”，是因为这种思维活动按照真实实验的要求展开，是可操作的.英国的科学家哈雷(R.Harre)指出：“所谓思想实验是在想象中操作模型时形成的”.在理想实验中，假设的观测者运用假想仪器对假想客体进行操作，这种操作是在想象中进行的.操作者主要根据自己的认识和思考，使用储存于头脑中的经验表象、语言材料，在头脑中通过自己的分析、想象、和逻辑推理，进行类似实验的操作.

1.2 严密的逻辑性

科学家在设计理想实验时，会根据自己掌握的经验和知识对被研究的客体进行充分的联想.在这个过程中，逻辑推理起着主导作用，它引导和控制着科学家的想象，保证想象既是丰富的，又是理性的，起到了组合实际对象与仪器、工具，构建实验环节，为实验提供理性保障的作用.例如，伽利略在落体理想实验中，他用令人信服的逻辑推理,按照亚里士多德的观点得出两个相互矛盾的结论, 巧妙地否定了“重物自由下落比轻物快”的观念.

1.3 高度的创造性

科学家做理想实验的目的，是为了揭示事物内部的规律性，因此其探索具有高度的创造性[3].爱因斯坦在《物理学的进化》中指出：“任何一个理论的目的是指导我们理解新的情况，启发我们做新的实验，从而发现新的现象和定律.”理想实验也是如此，理想实验本身就包含着创造性思维活动过程.法国物理学家卡诺在研究热机效率时，把热机和水车进行类比，设计了“卡诺循环”的理想实验.他巧妙地用两个理想的等温过程和两个理想的绝热过程构成了一个热力学循环，创造性地解决了热机效率问题，并为热力学第二定律的确立起到了奠基性的作用.

2 高中物理课堂中理想实验的教学策略

2.1 利用理想实验,培养学生的逻辑思维能力

高中物理学知识是前人科学研究的成果,通过科学史中对一些经典实验和逻辑推理过程的再现,可以让学生体验物理学知识的形成过程,从中学习科学家的思维方法和理解物理学概念、原理的来龙去脉.这样的教学既传授了知识,更培养了学生的科学思维.教师要充分利用课本中的理想实验，如课本中的哥白尼提出日心说、牛顿的抛体实验、伽利略的理想斜面实验、开普勒提出的天体交通规则——开普勒三大运动定律、安培分子电流假说等，再现知识的发生过程,变结论式教学为过程式教学.

例如，在《必修-2》“宇宙航行”这节课中,教师可以利用牛顿的抛体理想实验来培养学生的逻辑思维能力.教师在讲解时要向学生强调以下问题：牛顿设想的空间是理想化的；高山顶上抛铅球的那个人是理想化的“大力神”；轨道随速度改变是逐渐变化的过程；当速度达到某一值时，此球将沿圆轨道而永远不落；当球由(落地的)非圆轨道转化成(不落地的)圆轨迹时, 发生了“质”的飞跃——物理过程的“质变”；设想有座山的高度恰好等于月球轨道的高度, 那么“ 大力神”抛出的物体的速度至少为多大才能绕地球做匀速圆周运动？教师在利用理想实验进行教学时,要仔细分析,挖掘其内在的隐性课程资源.使学生的思维能力、思想情感得到有效的提升.

2.2 利用理想实验，丰富学生的想象能力

想象是人们在头脑中对已有事物的表象进行加工创造新形象的心理过程,它不是表象的简单再现,而是对表象的夸张、拓宽和升华,是对表象理想化的改造；它可以脱离现象,但却以现象为基础[4].想象贯穿于理想实验的始终.在物理教学中加强理想实验的教学, 意味着把学生引进了“想象的境界”，在需要想象的情境中唤起想象, 丰富想象力, 从而获得创造力.

在《必修-3》“气体热现象的微观意义”一节里，教师为了帮助学生理解理想气体压强的概念，可以利用“弹性小球碰撞器壁”的理想实验.对学生而言弹性小球是力学中早已认识的理想模型, 从一个个弹性小球到组成理想气体的一个个分子则要通过想象来认识, 在这一理想实验所提供的对象中，打开从已知走向未知通道的正是学生的想象.

再如，“光具有波粒二象性”，在一般实验室中是无法验证的.在课堂教学中，教师可以设计这样一个理想实验[5]：在光的双缝干涉实验中，在屏处放上照相底片,设想有一个每次只发射一个光子的仪器, 发射的光子一个一个地通过狭缝.如果曝光时间很短,底片上只出现一些无规则分布的点子, 那些点子是光子打在底片上形成的, 表现出光的粒子性；如果曝光时间足够长, 底片上则出现规则的干涉条纹, 这就证明了大量光子表现为波动性.在课堂教学中，教师通过这样的理想实验，可以充分地培养学生的想象力，增加学生对物理的学习兴趣.

2.3 利用理想实验，培养学生的科学探究能力

物理新课程标准要求教师通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步养成科学态度与科学精神.理想实验在培养学生的科学探究能力中可以起到非常重要的作用.在相当多高中物理内容的探究式教学中，我们可从一定的科学事实和经验出发，进行理想实验而得到关于事物性质、运动规律的结论(假说)，然后或指出这个结论得到了大量实验的证实，或设计实验对其进行直接或间接验证.如“闭合电路欧姆定律”教学中，通过测量电池两端电压和通过电流的实验数据，画出U—I图像,引导学生进行理想实验[6]：将图线延长并与纵轴、横轴相交，建立函数关系式U=a-bI，再进行物理意义分析， 定义a为电源电动势、b为电源内阻、bI为电源内电压，得到“闭合电路的内电压与外电压之和等于电源的电动势”结论，然后设计实验予以验证.

在高中物理的课堂教学中，教师充分挖掘课本中的理想实验,对训练学生的思维,提高学生的科学素养有很大的促进作用，可以让学生体验科学探究过程，了解科学研究方法，增强学生的创新意识和创造能力，为学生的终身发展和形成科学世界观和科学价值观打下良好的基础.

参考文献

1 单美贤,李艺.虚拟实验原理与教学应用.北京：科学教育出版社，2004.7

2 侯新杰.思想实验及其在物理学中的应用.河南师范大学学报(自然科学版),1996,24(2):23～25

3 王荣德.思想实验及其在科学发展中的作用.科学学研究,2001,19(1):14～21

4 陶忠华.思想实验在生物学教学中的应用.生物学教学,2007,32(9):44～45

5 陈功.理想实验及其功能探讨.物理教学探讨,2002,20(12):44～45

6 曾志旺,徐立海.理想实验与中学物理教学.物理教学探讨,2005,23(5):3～4