談理想實驗對于培養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,江蘇 昆山 215300)

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談理想實驗對于培養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,江蘇 昆山 215300)

實驗是高中物理課中必不可少的內容，它在物理教學中有著不可替代的重要地位.通過實驗教學，不僅可以提高學生學習物理的積極性，培養他們的動手能力、協作能力、分析能力，還有助于形成他們嚴謹的、實事求是的世界觀.本文從理想實驗的介紹入手，結合自身的教學經驗，依托蘇教版高中物理教材，分析了理想實驗對于培養學生思維能力的重要作用，旨在挖掘實驗教學的意義，促進學生的全面發展.

高中物理；理想實驗；思維能力

在高中物理教學大綱中，明確規定了把培養學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，不僅能讓學生深刻地理解物理學的概念和定律，還可以掌握必要的實驗技能，這些都是他們繼續學習現代化的科學技術，并且在生活中進行科學實驗和技術革新的重要基礎.學生實驗技能掌握的好壞是衡量新時期物理教學效果的重要因素.理想實驗是高中物理教學中的重要內容，《普通高中物理課程標準(實驗)》中特別指出：“突出物理學科的特點，發揮實驗在物理教學中的重要作用”的教學建議，并對有關的要求作了比較詳細的論述.因此，在教學中通過學習理想實驗的科學方法，可以培養學生的思維能力、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，它是以真實的科學實驗為基礎，以邏輯法則為依據，用思維展開實驗的過程.

二、物理理想實驗在物理教學中的作用

理想實驗以確認的知識為前提，以邏輯規則為準繩，在物理學發展中起著主要作用.

1．理想實驗在建立物理學理論的過程中發揮著重要作用.

如伽利略用理想實驗的方法發現了慣性定律，愛因斯坦以同時的相對性理想實驗為基礎創立了狹義相對論等.愛因斯坦在創建廣義相對論的過程中也應用了理想實驗.愛因斯坦假想有一個理想電梯，里面裝有各種實驗用具，還有一位物理學家在進行各種測量.當電梯相對于地球靜止時，物理學家將看到，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果.

2．理想實驗是物理學家有力的辯論和反駁方法

著名的物理學家馬赫利用理想化實驗對絕對時空觀提出了反駁：如果設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動與桶壁的轉動無關嗎？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動不是相對于絕對空間的轉動，而是相對于宇宙中的物質在旋轉，“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于時空的正確結論.

3．借助理想實驗能發現原有(已有)理論的錯誤或局限.

如伽利略關于慣性的理想實驗，發現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，有可能出現違反熱力學第三定律的現象.麥克斯韋因此成為第一個發現經典定律局限的人.

三、理想實驗對于學生思維能力的重要性

1．培養學生的抽象思維能力.

如圖1所示的“斜面理想實驗”，實驗設想的步驟有：

(1)兩個對接的斜面，讓靜止的小球沿一個斜面滾下，小球將滾上另一個斜面.(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)繼續減小第二個斜面的傾角，最后使它成水平面，小球將沿水平面做永久的勻速運動.(4)如果沒有一切摩擦，小球將上升到原來釋放時的高度.

教師通過介紹該實驗的設計和方法，讓學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，再通過學生解決具體問題時分析處理的抽象思維體驗，培養他們的抽象思維能力.

2.培養學生的逆向思維能力.

在學習物體的超重和失重現象時，給學生介紹“愛因斯坦電梯”的理想實驗.當時愛因斯坦設想讓電梯自由下落，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，從而激發學生積極思維，大膽科學的想象，設想理想的過程或情景，培養學生的逆向思維能力.

3.培養學生的發散思維能力.

牛頓在研究萬有引力定律時設想，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，鉛球將繞地球做圓周運動，從而解決了天體運動與引力的問題，同時也為現代發射人造地球衛星提供了依據.物理規律、原理來源于自然，抓住物質運動的本質規律，就可以觸類旁通，培養學生的發散性思維能力.教學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(結合超導現象)，世界又是怎樣的：如果萬有引力消失，世界又是怎樣的：地球的質量如何測量等等，通過學生的思考、猜測、想象等，激勵啟發學生的發散思維能力.

教師在實驗過程中還可以設計一些問題，通過情景問題來啟發學生的發散思維能力.如教師引導學生仔細觀察圖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律.

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

教學中不斷培養學生的發散性思維，靈活應用多種方法分析解決問題——如假設法、等效法、替代法、取消法、極端法等，就可以更好地培養學生的思維能力、創造能力.

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

[1]徐衛兵. 高中物理教學中滲透數學思想方法的價值研究[J]. 物理教師,2014(11).

[2]吳政. 物理方法教學的現狀與思考[J]. 中學物理教學參考,2014(06).

[責任編輯：閆久毅]

2017-05-01

丁建強 (1978.6-)，男，江蘇昆山，中學一級教師，本科，從事高中物理教學研究.

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