物理新課程標(biāo)準(zhǔn)下的理想實(shí)驗(yàn)及教學(xué)策略

張耀寶

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院 浙江 溫州 325035)

高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求物理課堂教學(xué)要加強(qiáng)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，了解科學(xué)研究方法，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力.在物理課堂教學(xué)中，理想實(shí)驗(yàn)對(duì)啟迪學(xué)生的智慧,培養(yǎng)學(xué)生的想象力和科學(xué)思維能力起著非常重要的作用.因此，我們有必要對(duì)理想實(shí)驗(yàn)在物理新課程標(biāo)準(zhǔn)下的教學(xué)策略進(jìn)行研討.

1 理想實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵和特征

理想實(shí)驗(yàn)，又稱為思想實(shí)驗(yàn)或假想實(shí)驗(yàn)，是一種在高度理想化的條件下，在科學(xué)想象之中進(jìn)行的特殊的“實(shí)驗(yàn)”.它是科學(xué)實(shí)驗(yàn)、形象思維與邏輯推理有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是科學(xué)發(fā)現(xiàn)這種創(chuàng)造性活動(dòng)中最有啟發(fā)性的方法之一.在理想實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者使用理想化的儀器設(shè)備(如伽利略的絕對(duì)光滑的斜面、平面，愛(ài)因斯坦的理想列車和理想升降機(jī))，在極端理想化的條件下(如無(wú)摩擦、無(wú)空氣阻力，或者完全擺脫引力影響處在“自由空間”之中)對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象(各種理想客體)進(jìn)行“操作”和“觀察”[1].理想實(shí)驗(yàn)并非脫離實(shí)際的主觀臆想，而是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的.理想實(shí)驗(yàn)的邏輯推理方法和理論依據(jù)是從長(zhǎng)期的社會(huì)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)并為實(shí)踐所證實(shí)了的.因此,“理想實(shí)驗(yàn)的方法并不意味著脫離實(shí)際, 相反, 它恰恰是以抽象的形式更正確地反映了具體的客觀實(shí)際.”[2]

理想實(shí)驗(yàn)是按真實(shí)實(shí)驗(yàn)的格式展開(kāi)的一種復(fù)雜的思維推理活動(dòng)，它具有以下特征.

1.1 實(shí)驗(yàn)的可操作性

理想實(shí)驗(yàn)是在頭腦中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它之所以被稱為“實(shí)驗(yàn)”，是因?yàn)檫@種思維活動(dòng)按照真實(shí)實(shí)驗(yàn)的要求展開(kāi)，是可操作的.英國(guó)的科學(xué)家哈雷(R.Harre)指出：“所謂思想實(shí)驗(yàn)是在想象中操作模型時(shí)形成的”.在理想實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)的觀測(cè)者運(yùn)用假想儀器對(duì)假想客體進(jìn)行操作，這種操作是在想象中進(jìn)行的.操作者主要根據(jù)自己的認(rèn)識(shí)和思考，使用儲(chǔ)存于頭腦中的經(jīng)驗(yàn)表象、語(yǔ)言材料，在頭腦中通過(guò)自己的分析、想象、和邏輯推理，進(jìn)行類似實(shí)驗(yàn)的操作.

1.2 嚴(yán)密的邏輯性

科學(xué)家在設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)時(shí)，會(huì)根據(jù)自己掌握的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)對(duì)被研究的客體進(jìn)行充分的聯(lián)想.在這個(gè)過(guò)程中，邏輯推理起著主導(dǎo)作用，它引導(dǎo)和控制著科學(xué)家的想象，保證想象既是豐富的，又是理性的，起到了組合實(shí)際對(duì)象與儀器、工具，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，為實(shí)驗(yàn)提供理性保障的作用.例如，伽利略在落體理想實(shí)驗(yàn)中，他用令人信服的邏輯推理,按照亞里士多德的觀點(diǎn)得出兩個(gè)相互矛盾的結(jié)論, 巧妙地否定了“重物自由下落比輕物快”的觀念.

1.3 高度的創(chuàng)造性

科學(xué)家做理想實(shí)驗(yàn)的目的，是為了揭示事物內(nèi)部的規(guī)律性，因此其探索具有高度的創(chuàng)造性[3].愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》中指出：“任何一個(gè)理論的目的是指導(dǎo)我們理解新的情況，啟發(fā)我們做新的實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象和定律.”理想實(shí)驗(yàn)也是如此，理想實(shí)驗(yàn)本身就包含著創(chuàng)造性思維活動(dòng)過(guò)程.法國(guó)物理學(xué)家卡諾在研究熱機(jī)效率時(shí)，把熱機(jī)和水車進(jìn)行類比，設(shè)計(jì)了“卡諾循環(huán)”的理想實(shí)驗(yàn).他巧妙地用兩個(gè)理想的等溫過(guò)程和兩個(gè)理想的絕熱過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)，創(chuàng)造性地解決了熱機(jī)效率問(wèn)題，并為熱力學(xué)第二定律的確立起到了奠基性的作用.

2 高中物理課堂中理想實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略

2.1 利用理想實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力

高中物理學(xué)知識(shí)是前人科學(xué)研究的成果,通過(guò)科學(xué)史中對(duì)一些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)和邏輯推理過(guò)程的再現(xiàn),可以讓學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)知識(shí)的形成過(guò)程,從中學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方法和理解物理學(xué)概念、原理的來(lái)龍去脈.這樣的教學(xué)既傳授了知識(shí),更培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維.教師要充分利用課本中的理想實(shí)驗(yàn)，如課本中的哥白尼提出日心說(shuō)、牛頓的拋體實(shí)驗(yàn)、伽利略的理想斜面實(shí)驗(yàn)、開(kāi)普勒提出的天體交通規(guī)則——開(kāi)普勒三大運(yùn)動(dòng)定律、安培分子電流假說(shuō)等，再現(xiàn)知識(shí)的發(fā)生過(guò)程,變結(jié)論式教學(xué)為過(guò)程式教學(xué).

例如，在《必修-2》“宇宙航行”這節(jié)課中,教師可以利用牛頓的拋體理想實(shí)驗(yàn)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維能力.教師在講解時(shí)要向?qū)W生強(qiáng)調(diào)以下問(wèn)題：牛頓設(shè)想的空間是理想化的；高山頂上拋鉛球的那個(gè)人是理想化的“大力神”；軌道隨速度改變是逐漸變化的過(guò)程；當(dāng)速度達(dá)到某一值時(shí)，此球?qū)⒀貓A軌道而永遠(yuǎn)不落；當(dāng)球由(落地的)非圓軌道轉(zhuǎn)化成(不落地的)圓軌跡時(shí), 發(fā)生了“質(zhì)”的飛躍——物理過(guò)程的“質(zhì)變”；設(shè)想有座山的高度恰好等于月球軌道的高度, 那么“ 大力神”拋出的物體的速度至少為多大才能繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)？教師在利用理想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)時(shí),要仔細(xì)分析,挖掘其內(nèi)在的隱性課程資源.使學(xué)生的思維能力、思想情感得到有效的提升.

2.2 利用理想實(shí)驗(yàn)，豐富學(xué)生的想象能力

想象是人們?cè)陬^腦中對(duì)已有事物的表象進(jìn)行加工創(chuàng)造新形象的心理過(guò)程,它不是表象的簡(jiǎn)單再現(xiàn),而是對(duì)表象的夸張、拓寬和升華,是對(duì)表象理想化的改造；它可以脫離現(xiàn)象,但卻以現(xiàn)象為基礎(chǔ)[4].想象貫穿于理想實(shí)驗(yàn)的始終.在物理教學(xué)中加強(qiáng)理想實(shí)驗(yàn)的教學(xué), 意味著把學(xué)生引進(jìn)了“想象的境界”，在需要想象的情境中喚起想象, 豐富想象力, 從而獲得創(chuàng)造力.

在《必修-3》“氣體熱現(xiàn)象的微觀意義”一節(jié)里，教師為了幫助學(xué)生理解理想氣體壓強(qiáng)的概念，可以利用“彈性小球碰撞器壁”的理想實(shí)驗(yàn).對(duì)學(xué)生而言彈性小球是力學(xué)中早已認(rèn)識(shí)的理想模型, 從一個(gè)個(gè)彈性小球到組成理想氣體的一個(gè)個(gè)分子則要通過(guò)想象來(lái)認(rèn)識(shí), 在這一理想實(shí)驗(yàn)所提供的對(duì)象中，打開(kāi)從已知走向未知通道的正是學(xué)生的想象.

再如，“光具有波粒二象性”，在一般實(shí)驗(yàn)室中是無(wú)法驗(yàn)證的.在課堂教學(xué)中，教師可以設(shè)計(jì)這樣一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)[5]：在光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，在屏處放上照相底片,設(shè)想有一個(gè)每次只發(fā)射一個(gè)光子的儀器, 發(fā)射的光子一個(gè)一個(gè)地通過(guò)狹縫.如果曝光時(shí)間很短,底片上只出現(xiàn)一些無(wú)規(guī)則分布的點(diǎn)子, 那些點(diǎn)子是光子打在底片上形成的, 表現(xiàn)出光的粒子性；如果曝光時(shí)間足夠長(zhǎng), 底片上則出現(xiàn)規(guī)則的干涉條紋, 這就證明了大量光子表現(xiàn)為波動(dòng)性.在課堂教學(xué)中，教師通過(guò)這樣的理想實(shí)驗(yàn)，可以充分地培養(yǎng)學(xué)生的想象力，增加學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣.

2.3 利用理想實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

物理新課程標(biāo)準(zhǔn)要求教師通過(guò)多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神.理想實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力中可以起到非常重要的作用.在相當(dāng)多高中物理內(nèi)容的探究式教學(xué)中，我們可從一定的科學(xué)事實(shí)和經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)而得到關(guān)于事物性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律的結(jié)論(假說(shuō))，然后或指出這個(gè)結(jié)論得到了大量實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，或設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行直接或間接驗(yàn)證.如“閉合電路歐姆定律”教學(xué)中，通過(guò)測(cè)量電池兩端電壓和通過(guò)電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出U—I圖像,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)[6]：將圖線延長(zhǎng)并與縱軸、橫軸相交，建立函數(shù)關(guān)系式U=a-bI，再進(jìn)行物理意義分析， 定義a為電源電動(dòng)勢(shì)、b為電源內(nèi)阻、bI為電源內(nèi)電壓，得到“閉合電路的內(nèi)電壓與外電壓之和等于電源的電動(dòng)勢(shì)”結(jié)論，然后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證.

在高中物理的課堂教學(xué)中，教師充分挖掘課本中的理想實(shí)驗(yàn),對(duì)訓(xùn)練學(xué)生的思維,提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)有很大的促進(jìn)作用，可以讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程，了解科學(xué)研究方法，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造能力，為學(xué)生的終身發(fā)展和形成科學(xué)世界觀和科學(xué)價(jià)值觀打下良好的基礎(chǔ).

參考文獻(xiàn)

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3 王榮德.思想實(shí)驗(yàn)及其在科學(xué)發(fā)展中的作用.科學(xué)學(xué)研究,2001,19(1):14～21

4 陶忠華.思想實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.生物學(xué)教學(xué),2007,32(9):44～45

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