朱 琴

一、問(wèn)題的提出

物理學(xué)和中學(xué)物理教學(xué)中都十分重視實(shí)驗(yàn)。丁肇中先生說(shuō)：“實(shí)驗(yàn)可以推翻理論，而理論永遠(yuǎn)無(wú)法推翻實(shí)驗(yàn)。”閻金鐸先生提出：“在物理教學(xué)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)按照觀察—實(shí)驗(yàn)—思維和應(yīng)用的順序展開(kāi)?！眱烧哒劦健皩?shí)驗(yàn)”的含義完全相同嗎？顯然前者談到的“實(shí)驗(yàn)”屬于物理學(xué)科領(lǐng)域，后者屬于中學(xué)物理教學(xué)領(lǐng)域，在這兩個(gè)領(lǐng)域中“實(shí)驗(yàn)”的作用是不一樣的。筆者通過(guò)“實(shí)驗(yàn)”在這兩個(gè)領(lǐng)域中的不同作用來(lái)詮釋它的含義，以期對(duì)中學(xué)物理教師有所啟發(fā)和幫助。

二、物理學(xué)建立過(guò)程中“實(shí)驗(yàn)”的作用

1.研究背景

了解物理學(xué)是如何發(fā)展起來(lái)的，以及物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)兩者之間的關(guān)系、物理學(xué)家做實(shí)驗(yàn)的目的。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中對(duì)物理學(xué)的表述：物理學(xué)是自然科學(xué)領(lǐng)域的一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，研究自然界物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)、相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。物理學(xué)基于觀察與實(shí)驗(yàn)，建構(gòu)理想模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證，形成系統(tǒng)的理論體系和研究方法。

因此，可以認(rèn)為物理學(xué)包括兩部分，一是通過(guò)科學(xué)思維，利用數(shù)學(xué)語(yǔ)言建立起具有邏輯關(guān)系的理論體系，二是理論體系必須接受實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。理論通過(guò)演繹推理得到更多的推論進(jìn)行預(yù)言，通過(guò)實(shí)驗(yàn)“證實(shí)”預(yù)言，也就間接“證實(shí)”了新理論，同時(shí)舊理論就被“證偽”，需要根據(jù)新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象修正原來(lái)的理論或者創(chuàng)立新的理論，原來(lái)的理論會(huì)被擯棄或者成為新理論的一個(gè)極限情況存在，如圖1所示。

圖1 物理學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的關(guān)系

物理學(xué)理論是在一定范圍內(nèi)被證實(shí)，并不是一成不變的，隨著人們對(duì)客觀世界的深入認(rèn)識(shí)而不斷地得到發(fā)展和完善，使得物理學(xué)理論的表述更精準(zhǔn)、更清晰時(shí)，也可能被否認(rèn)，也越來(lái)越科學(xué)、越來(lái)越接近真理，當(dāng)然真理是相對(duì)的。

可見(jiàn)，物理學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”主要是用來(lái)支撐和檢驗(yàn)物理學(xué)理論體系，這些“物理實(shí)驗(yàn)”很關(guān)鍵且在數(shù)量上是力求少而精，它被稱(chēng)之為物理學(xué)“實(shí)驗(yàn)”，舉例說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 支撐和檢驗(yàn)物理學(xué)理論體系的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)

2.觀點(diǎn)

理論體系不是在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)歸納得出的，理論體系只需要幾個(gè)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)支撐和檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)是理論的試金石。

實(shí)例：牛頓第二定律

牛頓第二定律是理論假說(shuō)，不是由實(shí)驗(yàn)歸納總結(jié)得出的定律，其推論需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)和支撐。牛頓第二定律與其推論之間滿(mǎn)足理論自洽，環(huán)環(huán)相扣，一旦推論被確證，牛頓第二定律就被間接證實(shí)。

《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)的構(gòu)思，主要是為了解決天體問(wèn)題。牛頓從牛頓第二定律出發(fā)，結(jié)合萬(wàn)有引力定律和微積分成功解釋了開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律。要驗(yàn)證萬(wàn)有引力定律是否正確，測(cè)萬(wàn)有引力常量實(shí)驗(yàn)就成了支撐整個(gè)牛頓力學(xué)體系的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工作者對(duì)該定律提出一系列的問(wèn)題，例如：G的精確值是多大？它是一個(gè)常量還是會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)而變化？引力是嚴(yán)格地與距離的平方成反比嗎？它與兩物體的組成相關(guān)嗎？引力與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)嗎？對(duì)萬(wàn)有引力常量G的精確測(cè)量不僅具有計(jì)量學(xué)上的意義，更關(guān)鍵是對(duì)于檢驗(yàn)牛頓萬(wàn)有引力定律及深入研究引力相互作用規(guī)律具有重要意義，是牛頓力學(xué)體系建立的基石。

由于引力相互作用極其微弱且不可屏蔽，因此，萬(wàn)有引力常量G是最難測(cè)定常量之一。G是歷史上最早被認(rèn)識(shí)和測(cè)量的物理常量，但G的測(cè)量精度仍然是物理學(xué)基本常量中最差的。300多年來(lái)，不少科學(xué)家在努力測(cè)量G值并讓它更精確。2018年8月，《自然》雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)家測(cè)量萬(wàn)有引力常量的研究，測(cè)出了截至目前最精確的G值。

3.評(píng)論

經(jīng)典電磁學(xué)和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論亦是由獨(dú)立的幾個(gè)原理和推論構(gòu)成的理論體系，不是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的歸納，也無(wú)法做到完全歸納。理論的正確性需無(wú)數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)“證實(shí)”，理論的錯(cuò)誤卻只需要一個(gè)實(shí)驗(yàn)“證偽”，實(shí)驗(yàn)的功能是“證偽”。因此物理學(xué)理論只需要很少的幾個(gè)關(guān)鍵性物理實(shí)驗(yàn)支撐和檢驗(yàn)。

三、在中學(xué)物理教學(xué)中“實(shí)驗(yàn)”的作用

中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”除了有物理學(xué)發(fā)展中的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)和物性實(shí)驗(yàn)(如探究胡克定律)外，還有大量的在物理學(xué)研究?jī)?nèi)容中都不存在的自制實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)是用來(lái)有效補(bǔ)充學(xué)生直觀經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰陀?xùn)練實(shí)驗(yàn)技能的，是教師發(fā)揮自己的聰明才智創(chuàng)造出來(lái)的，不限數(shù)量，其目的是促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成和終身學(xué)習(xí)能力的發(fā)展，不是物理學(xué)研究的需要，與物理學(xué)“實(shí)驗(yàn)”作用不一樣，它被稱(chēng)之為中學(xué)物理教學(xué)“實(shí)驗(yàn)”，舉例說(shuō)明見(jiàn)表2。

表2 同一“物理實(shí)驗(yàn)”在中學(xué)物理教學(xué)中的作用與物理學(xué)發(fā)展中的作用不同

表2 (續(xù))

下面通過(guò)實(shí)例談?wù)勊谥袑W(xué)物理教學(xué)中的作用。

觀點(diǎn)1：體會(huì)“物理實(shí)驗(yàn)”是物理學(xué)理論的基礎(chǔ)、試金石，增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)。

實(shí)例：庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)

庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)既是支撐和檢驗(yàn)物理學(xué)理論體系的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)也是中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容，但作用卻不一樣。

就物理學(xué)的發(fā)展而言，庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)使得電學(xué)研究從定性進(jìn)入定量階段，并且在庫(kù)侖定律基礎(chǔ)上證明了高斯定律和環(huán)路定律，由此得到了靜電場(chǎng)的性質(zhì)是有源無(wú)旋場(chǎng)，因此庫(kù)侖定律是靜電場(chǎng)的基礎(chǔ)。進(jìn)而麥克斯韋在庫(kù)侖定律、安培-畢奧-薩伐爾定律和法拉第電磁感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上，得到了電磁場(chǎng)所遵循的規(guī)律—麥克斯韋方程組，這表明，庫(kù)侖定律是整個(gè)經(jīng)典電磁理論的基礎(chǔ)，它確保了麥克斯韋方程組的精度與適用范圍。因此，庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)是支撐和檢驗(yàn)經(jīng)典電磁學(xué)的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)，精確測(cè)量靜電力常量k是關(guān)鍵。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中對(duì)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求是體會(huì)探究庫(kù)侖定律過(guò)程中的科學(xué)思想和方法，以庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)為載體，讓學(xué)生體會(huì)庫(kù)侖定律建立過(guò)程中的物理學(xué)思想和方法，以及庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙之處，而不是定量精確測(cè)定靜電力常量k的大小，況且在中學(xué)物理教學(xué)中也很難復(fù)現(xiàn)庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)。

觀點(diǎn)2：中學(xué)物理教學(xué)中大量“實(shí)驗(yàn)”是對(duì)學(xué)生直觀經(jīng)驗(yàn)的有效補(bǔ)充。

實(shí)例：判斷滑動(dòng)摩擦力的方向

教師可以通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)把物體的運(yùn)動(dòng)方向和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向分離出來(lái)，讓學(xué)生充分感知物體的運(yùn)動(dòng)方向和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向不一樣，在具體的物理情境中學(xué)生很容易判斷出滑動(dòng)摩擦力的方向是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向而不是阻礙物體的運(yùn)動(dòng)方向。教師創(chuàng)造性地開(kāi)發(fā)演示實(shí)驗(yàn)使抽象知識(shí)可視化，帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷從具體的物理事實(shí)和現(xiàn)象中抽象出物理概念和物理規(guī)律的過(guò)程，深入學(xué)習(xí)物理知識(shí)，在長(zhǎng)期的示范過(guò)程中激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。

觀點(diǎn)3：中學(xué)物理教學(xué)中的“實(shí)驗(yàn)”是物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε囵B(yǎng)和技能訓(xùn)練的有效手段。

實(shí)例：探究牛頓第二定律

人教版《高中物理(必修1)》(2019年版)中安排了一個(gè)探究牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn)，目的是為了學(xué)生更好地理解和掌握牛頓第二定律而設(shè)計(jì)。同時(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮骷寄芏允呛芎玫妮d體。本實(shí)驗(yàn)的原理、方案設(shè)計(jì)、裝置選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)表格設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)記錄、利用化曲為直的圖像法處理數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論等一些系列科學(xué)探究環(huán)節(jié)能很好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰筒僮骷寄埽墙處熗ㄟ^(guò)講授等其他途徑?jīng)]法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)技能的熟練有利于知識(shí)的掌握，也是聯(lián)系物理知識(shí)與物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ臉蛄骸?/p>

過(guò)分地強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的作用也會(huì)帶來(lái)一些負(fù)面的影響：首先，這會(huì)帶給學(xué)生一種誤解，認(rèn)為牛頓第二定律是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納總結(jié)得出的，實(shí)際上在物理學(xué)的發(fā)展史上不存在探究牛頓第二定律這個(gè)實(shí)驗(yàn)。其次，由于引進(jìn)了探究牛頓第二定律這個(gè)實(shí)驗(yàn)，忽視了牛頓力學(xué)理論體系的建構(gòu)過(guò)程，學(xué)生體會(huì)不到牛頓三大運(yùn)動(dòng)定律在牛頓力學(xué)體系中的基礎(chǔ)性地位，不能正確理解實(shí)驗(yàn)與物理學(xué)理論體系之間的關(guān)系，不利于學(xué)生物理觀念的形成。對(duì)于學(xué)生而言，要理解到這一點(diǎn)是有困難的，但作為教師，這關(guān)乎學(xué)科核心素養(yǎng)問(wèn)題，不能含糊。

觀點(diǎn)4：實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究方法的不可或缺的一部分。

實(shí)例：探究滑動(dòng)摩擦力的大小

在初中學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素，但是高中要在定性的基礎(chǔ)上得出定量計(jì)算式。雖然，本節(jié)內(nèi)容在教材上沒(méi)有明確指出是演示實(shí)驗(yàn)還是分組實(shí)驗(yàn)，但就物理學(xué)本質(zhì)而言，重要的不只是掌握物理規(guī)律及其應(yīng)用，而是還要讓學(xué)生在經(jīng)歷物理規(guī)律的科學(xué)探究過(guò)程中，掌握物理學(xué)研究方法與思想，這才是學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

由于高中物理內(nèi)容涉及很多的物理規(guī)律，這些是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的很好的知識(shí)載體，因此每一次探究物理規(guī)律的過(guò)程都是教師榜樣示范、學(xué)生親身經(jīng)歷和體驗(yàn)物理學(xué)研究方法難得的機(jī)會(huì)。

四、結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)的“實(shí)驗(yàn)”是理論的試金石，物理學(xué)理論體系僅需要幾個(gè)關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)來(lái)支撐和檢驗(yàn)。中學(xué)物理中的“實(shí)驗(yàn)”既有物理實(shí)驗(yàn)又有教師創(chuàng)造性的“實(shí)驗(yàn)”，其作用是圍繞物理教學(xué)。

教師只有明確“物理實(shí)驗(yàn)”的真正含義，才能更好地發(fā)揮“物理實(shí)驗(yàn)”在中學(xué)物理教學(xué)中的重要作用，促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。