丁建強(qiáng)

(江蘇省昆山市第一中學(xué),江蘇 昆山 215300)

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談理想實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)高中生思維能力的重要作用

丁建強(qiáng)

(江蘇省昆山市第一中學(xué),江蘇 昆山 215300)

實(shí)驗(yàn)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(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的積極性，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力、協(xié)作能力、分析能力，還有助于形成他們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、?shí)事求是的世界觀.本文從理想實(shí)驗(yàn)的介紹入手，結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，依托蘇教版高中物理教材，分析了理想實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生思維能力的重要作用，旨在挖掘?qū)嶒?yàn)教學(xué)的意義，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展.

高中物理；理想實(shí)驗(yàn)；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(shí)驗(yàn)技能作為新課程物理改革的目的之一.通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技能，這些都是他們繼續(xù)學(xué)習(xí)現(xiàn)代化的科學(xué)技術(shù)，并且在生活中進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)革新的重要基礎(chǔ).學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能掌握的好壞是衡量新時(shí)期物理教學(xué)效果的重要因素.理想實(shí)驗(yàn)是高中物理教學(xué)中的重要內(nèi)容，《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))》中特別指出：“突出物理學(xué)科的特點(diǎn)，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用”的教學(xué)建議，并對(duì)有關(guān)的要求作了比較詳細(xì)的論述.因此，在教學(xué)中通過(guò)學(xué)習(xí)理想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是理想化方法的一種形式.理想實(shí)驗(yàn)也叫假想實(shí)驗(yàn)、思想實(shí)驗(yàn)或抽象實(shí)驗(yàn).它是一種形象思維與抽象思維相互作用的思維過(guò)程，它是以真實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以邏輯法則為依據(jù)，用思維展開(kāi)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程.

二、物理理想實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的作用

理想實(shí)驗(yàn)以確認(rèn)的知識(shí)為前提，以邏輯規(guī)則為準(zhǔn)繩，在物理學(xué)發(fā)展中起著主要作用.

1．理想實(shí)驗(yàn)在建立物理學(xué)理論的過(guò)程中發(fā)揮著重要作用.

如伽利略用理想實(shí)驗(yàn)的方法發(fā)現(xiàn)了慣性定律，愛(ài)因斯坦以同時(shí)的相對(duì)性理想實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)創(chuàng)立了狹義相對(duì)論等.愛(ài)因斯坦在創(chuàng)建廣義相對(duì)論的過(guò)程中也應(yīng)用了理想實(shí)驗(yàn).愛(ài)因斯坦假想有一個(gè)理想電梯，里面裝有各種實(shí)驗(yàn)用具，還有一位物理學(xué)家在進(jìn)行各種測(cè)量.當(dāng)電梯相對(duì)于地球靜止時(shí)，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(shí)的加速度都是一樣的.由此他可以得出結(jié)論：這個(gè)電梯受到了外界引力的作用.愛(ài)因斯坦進(jìn)一步分析指出：任何物理實(shí)驗(yàn)都不能使實(shí)驗(yàn)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(ài)因斯坦得出：我們可以在任何一個(gè)局部范圍(某點(diǎn)附近的一個(gè)小范圍)找到一個(gè)參考系(如愛(ài)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(qiáng)相互作用、弱相互作用等所不具有的.在廣義相對(duì)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(duì)論的兩個(gè)基本原理之一，是運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

2．理想實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)對(duì)絕對(duì)時(shí)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(gè)宇宙，在這樣的情況下，我們還能相信水的轉(zhuǎn)動(dòng)與桶壁的轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)關(guān)嗎？很顯然，人們永遠(yuǎn)不能制造出用宇宙作桶壁的水桶來(lái)，但是這并不妨礙反駁的正確性水的轉(zhuǎn)動(dòng)不是相對(duì)于絕對(duì)空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，而是相對(duì)于宇宙中的物質(zhì)在旋轉(zhuǎn)，“一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的”，這就是馬赫運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)以明確、直觀的形式給出的關(guān)于時(shí)空的正確結(jié)論.

3．借助理想實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)現(xiàn)原有(已有)理論的錯(cuò)誤或局限.

如伽利略關(guān)于慣性的理想實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了亞里士多德理論的錯(cuò)誤.又如麥克斯韋在其理想實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為：在微觀世界里，當(dāng)我們跟蹤每一個(gè)分子時(shí)，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(gè)發(fā)現(xiàn)經(jīng)典定律局限的人.

三、理想實(shí)驗(yàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)設(shè)想的步驟有：

(1)兩個(gè)對(duì)接的斜面，讓靜止的小球沿一個(gè)斜面滾下，小球?qū)L上另一個(gè)斜面.(2)減小第二個(gè)斜面的傾角，小球在該斜面上仍然會(huì)達(dá)到原來(lái)的高度.(3)繼續(xù)減小第二個(gè)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\(yùn)動(dòng).(4)如果沒(méi)有一切摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉?lái)釋放時(shí)的高度.

教師通過(guò)介紹該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和方法，讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)理想實(shí)驗(yàn)在建立物理理論中的重要作用，認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的抽象性，再通過(guò)學(xué)生解決具體問(wèn)題時(shí)分析處理的抽象思維體驗(yàn)，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(xí)物體的超重和失重現(xiàn)象時(shí)，給學(xué)生介紹“愛(ài)因斯坦電梯”的理想實(shí)驗(yàn).當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦設(shè)想讓電梯自由下落，猜想到無(wú)論蘋(píng)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(guò)思維推理，建立了廣義相對(duì)論.當(dāng)時(shí)的思維的理想情景，現(xiàn)在已能體驗(yàn)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(guò)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(wàn)有引力定律時(shí)設(shè)想，從高山頂上平拋一個(gè)鉛球，速度越大，落到地面上越遠(yuǎn)，甚至到半個(gè)地球，如果速度足夠大，鉛球?qū)⒗@地球做圓周運(yùn)動(dòng)，從而解決了天體運(yùn)動(dòng)與引力的問(wèn)題，同時(shí)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(lái)源于自然，抓住物質(zhì)運(yùn)動(dòng)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(wèn)題如：假如沒(méi)有摩擦，世界將是怎樣的；如果沒(méi)有電阻(結(jié)合超導(dǎo)現(xiàn)象)，世界又是怎樣的：如果萬(wàn)有引力消失，世界又是怎樣的：地球的質(zhì)量如何測(cè)量等等，通過(guò)學(xué)生的思考、猜測(cè)、想象等，激勵(lì)啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維能力.

教師在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還可以設(shè)計(jì)一些問(wèn)題，通過(guò)情景問(wèn)題來(lái)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(xì)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(wèn)題.這時(shí)，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(xí)平面幾何時(shí)，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(guò)添加輔助線的方法構(gòu)成一些簡(jiǎn)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(guò)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(diǎn)，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(wèn)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(diǎn)、點(diǎn)電荷、單擺、力線、簡(jiǎn)諧振動(dòng)等)，處理和研究問(wèn)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(shí)驗(yàn)，透徹分析各章節(jié)的實(shí)際情況，堅(jiān)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(wèn)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(jià)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(zé)任編輯：閆久毅]

2017-05-01

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

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