科學思維方法教育在大學物理“牛頓環(huán)”實驗中的應用

樊娟娟　于秀玲　潘振東

摘要：大學物理實驗是理工科學生必修的一門基礎課程。本文分析了大學物理實驗課程的現(xiàn)狀，并介紹了科學思維方法教育在“牛頓環(huán)”實驗中的具體應用。

關鍵詞：大學物理實驗;科學思維方法;“牛頓環(huán)”

中圖分類號：G642.0???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2019）13-0163-02

大學物理實驗課是教育部確定的六門必修的基礎課程之一。大學物理實驗在培養(yǎng)大學生科學思維方法、實驗技能、創(chuàng)新精神，提高學生科學素養(yǎng)、分析與研究能力等方面具有其他課程不能替代的作用[1]。

一、大學物理實驗課程的現(xiàn)狀

大學物理實驗是大學生本科階段的第一門實踐性課程，是培養(yǎng)學生動手能力、學習科學思維方法的重要基礎課[2]。目前由于大學物理實驗課程學時有限，通常在實驗課堂上，教師首先將實驗原理直接講授給學生，然后向學生演示實驗操作過程。學生機械地重復實驗過程，實驗結束后甚至都不明白此次實驗的目的和意義[3]。面對枯燥的重復，學生感受不到實驗的樂趣，更談不上科學思維方法的形成和科學素養(yǎng)的培養(yǎng)[4]。法國科學家笛卡爾說過：“最有價值的知識是關于方法的知識。”科學方法教育是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的有效途徑。大學物理實驗分為基礎性實驗、綜合性實驗、設計性實驗和創(chuàng)新性實驗。基礎性實驗可以使學生掌握物理實驗的基本方法和實驗數(shù)據(jù)的處理方法，是大學物理實驗課程中最重要的一部分。我們以基礎性實驗“牛頓環(huán)”為例，介紹科學思維方法教育在大學物理實驗課堂上的具體應用。

二、科學思維方法教育在“牛頓環(huán)”實驗中的具體應用

1.引入物理學史。任何一個實驗都有一定的歷史背景，教師可以從這個實驗的歷史背景講起，抓住學生的好奇心，激發(fā)學生的求知欲。雖然“牛頓環(huán)”實驗原理并不復雜，但不少物理學家從不同角度進行了大量深入的研究。“牛頓環(huán)”實驗推動了光學理論特別是波動理論的確立和發(fā)展。牛頓首先發(fā)現(xiàn)了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，并且找出了環(huán)的直徑分布規(guī)律，但由于牛頓信奉微粒說，所以始終無法正確地解釋這個現(xiàn)象。楊氏利用“牛頓環(huán)”裝置提出了相位躍變理論，接著阿喇戈檢驗了牛頓環(huán)的偏振狀態(tài)，對微粒說提出了質疑。隨后斐索利用這個裝置測定了鈉黃雙線的波長差[5]。教師清楚明了地把實驗的歷史背景和發(fā)展過程告訴學生，可以讓學生對這個實驗有清楚的感性認識[6]。同時，教師向學生展示科學研究的艱辛歷程和不同學派之間的爭論，可以使學生進一步掌握科學方法，引導學生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題[7，8]。

2.數(shù)學方法。“牛頓環(huán)”實驗的目的之一是測量平凸透鏡的曲率半徑。在實驗操作之前，教師和學生一起推導凸透鏡曲率半徑和牛頓環(huán)直徑的定量關系。公式推導的過程可以鍛煉學生的數(shù)學邏輯思維，幫助學生深入理解物理概念。數(shù)學方法包括極限法、比值定義法、微積分法、分離變量法、旋轉矢量法等。教師引導學生學會用數(shù)學的方法研究物理問題，利用數(shù)學工具從簡單的規(guī)律入手去解決復雜的實際問題。

3.放大測量法。“牛頓環(huán)”實驗通過讀數(shù)顯微鏡將被測量的“牛頓環(huán)”形成放大的像以便觀察測量。這種方法叫放大測量法，它可以細分為累計放大法、機械放大法、電子學放大法和光學放大法。放大測量法在物理實驗中應用廣泛，其中讀數(shù)顯微鏡屬于光學放大法，而電學實驗中常用的三極管電路則屬于電子學放大法。教師在引導學生理解讀數(shù)顯微鏡的原理，教會學生正確、快速掌握儀器使用規(guī)則的基礎上，介紹物理學中的“放大”思想。

4.觀察法。觀察是人類生活學習的主要活動之一，一切科學研究都始于觀察。教師首先引導學生觀察實驗設備的組成及“牛頓環(huán)”實驗現(xiàn)象，然后教師引導學生有目的地觀察干涉條紋的特點，觀察“牛頓環(huán)”中心的暗斑，觀察之后引導學生思考為什么干涉圖樣是明暗相間的同心圓環(huán)？為什么環(huán)的中心不是一個點？為什么中心不是亮斑？教師引導學生在觀察中思考，培養(yǎng)學生的觀察能力，推動學生主動學習。

5.探究法。學生在熟悉實驗儀器操作之后，要自主探究完成整個實驗過程。教師進行指導時，不能動手去幫學生操作實驗，不能僅簡單地解決學生當前的困難，而是要注意對學生進行物理方法的引導，鼓勵學生自主探究。在實驗過程中，一部分學生調不出清晰的同心圓環(huán)，還有一些學生雖然能調出來，但操作盲目。教師不能只幫助學生調出干涉條紋，還需要引導學生思考如何調出最清晰的、大小適中、位置正中的“牛頓環(huán)”。學生自主探究，通過思考、實踐，有計劃、有目的地研究探索，逐步找到問題所在。在學生自主探究的實驗過程中，潛移默化地提高了分析問題和解決問題的能力，增強了對實驗課程的興趣。

6.列表法、逐差法。為了減少誤差，我們至少記錄了十個環(huán)的位置。實驗操作時要求學生緩慢轉動測微鼓輪，使目鏡中的十字叉絲依次與第30，29，28，…，16級環(huán)外側相切，順次記下讀數(shù)[9]。在數(shù)據(jù)記錄時，我們采用列表法。將數(shù)據(jù)列成表，可以簡單明確地表示物理量之間的對應關系，同時易于檢查數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)問題。在處理數(shù)據(jù)時，我們采用逐差法將表中測量及計算得到的環(huán)直徑兩兩一組，得出五組數(shù)值，利用公式計算曲率半徑的平均值。逐差法可以將測量的全部數(shù)據(jù)信息充分使用，更能反映多次測量對減少誤差的作用。除了列表法和逐差法，大學物理實驗數(shù)據(jù)處理還常用到作圖法和最小二乘法。

7.分析歸納法。實驗結束后，教師要引導學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析。實際凸透鏡的曲率半徑與實驗測量計算得到的數(shù)據(jù)相比較肯定會存在差異，學生要如實記錄數(shù)據(jù)和分析結果，教師要引導學生思考誤差到底在哪里，歸納實驗環(huán)節(jié)的重點和難點。學生通過認真思考，歸納整理，提高分析能力。

三、結語

綜上所述，我們把培養(yǎng)科學思維方法貫穿于大學物理實驗教學之中。教師在實驗教學中加入科學方法的內(nèi)容，加強物理科學思維方法的教育，引導學生科學思考，使學生對大學物理實驗更有興趣，培養(yǎng)學生獨立分析和解決問題的能力。

參考文獻：

[1]張欣，牟中飛.加強大學物理實驗教學中的物理科學方法教育[J].科技創(chuàng)新導報，2009，（25）：148-149.

[2]張杰.大學物理實驗教學的有效性措施探討[J].現(xiàn)代企業(yè)教育，2015，（1）：461.

[3]陳中鈞，俞眉孫.大學物理實驗教學的思考與建議[J].實驗技術與管理，2014，（4）：186-188.

[4]張春玲.基于物理規(guī)律探索的大學物理實驗教學方法初探[D].武漢：華中師范大學碩士學位論文，2014.

[5]肖枚英，劉戰(zhàn)存.牛頓環(huán)實驗及其歷史作用[J].物理實驗，1997，（1）：44-45.

[6]肖立娟.大學物理實驗教學的現(xiàn)狀與教學改革的探究[J].大學物理實驗，2015，（6）：114-116.

[7]張德啟，錢懿華，吳永熙.大學物理教學中科學素質的培養(yǎng)[J].高等理科教育，2001，（5）：56-60.

[8]宋麗影.物理學史在工科大學物理實驗中的教育功能研究[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文，2015.

[9]李士軍.大學物理實驗[M].中國農(nóng)業(yè)出版社，2011.

The Application of Scientific Thinking Method Education in the "Newton's Rings" Experiment of University Physics

FAN Juan-juan1，YU Xiu-ling1，PAN Zhen-dong2

（1.College of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130118，China;

2.High School Attached to Northeast Normal University，Changchun，Jilin 130022，China）

Abstract：University physics experiment is a compulsory basic course for science-engineering students.This paper analyzes the current situation of the university physics experiment course，and introduces the specific application of the scientific thinking method education in the "Newton's rings" experiment of university physics.

Key words：university physics experiment;scientific thinking method;"Newton's rings"