实验方法的方法性，本文主要内容关键词为：方法论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 引言
实验是研究物理的基本方法，重视实验教学已成为广大物理教师的共识。但在实验教学中存在着重内容、轻方法的倾向，表现为对实验方法本身挖掘不深，重点把握不准，归纳总结不全。由于缺乏对实验方法本身方法性的系统思考，影响了实验教学整体功能的发挥。物理实验的基本程序一般包括实验课题的选择、实验的构思与设计、实验的实施、实验的观测与记录、实验数据的处理和实验结果的理论解释等步骤，在整个过程中都蕴涵着丰富的方法论因素。从广义的方法（即不涉及某个实验的具体方法）角度来看，就中学物理实验教学而言，笔者认为实验方法的方法性主要体现在实验的设计方法和控制方法，下面结合初中物理实验教学作一具体阐述。
2 实验的设计方法
著名科学家贝弗里奇指出：“最有成就的实验家常常是这样的人：他们事先对课题加以周密思考，并将课题分成若干关键的问题。然后，精心设计为这些问题提供实验的答案[1]。”其中， 周密思考和精心设计是实验成功与否的关键。历史上的著名实验如测光速实验、迈克耳孙－莫雷实验，都是实验设计的成功典范。中学物理实验设计方法主要体现在以下两方面。
2.1 系统设计方法
如果把实验本身作为一个系统来考察，实验系统中包含着3 个有互相联系的基本要素，即实验源、实验对象和实验效果显示器。实验源是实验的“信号”发生器，实验对象是实验源信号所作用的对象，实验效果显示器用以呈现实验对象接受实验源信号作用后所产生效应的部分，以便通过直接或间接的方式进行效果的观察。原则上讲，任何一个物理实验都是由这3个要素组成的。如压缩空气引火实验，实验源是活塞， 实验对象是气室中的气体，实验效果显示器是燃烧的棉花。因此，系统设计方法是我们分析和设计任何一个实验都必须首先考虑的方法。
2.2 常用设计方法
涉及到具体的实验，由于侧重点不同，还有一些具体的设计方法，常用方法如下：
1）转换法
许多物理特征、过程或物理量进行直接观测有困难，可以进行间接的观察和测量。如在焦耳定律实验中，把电流产生的热量多少转换为细玻璃管中煤油的升降程度。不规则长度、面积、体积的测量，变力的测量（如排球击在地面上时对地面作用力的大小），用的都是转换法。微小压强计、弹簧秤、电流表、电压表，还有握力计、牵引测力计、速度计、电能表、油量表等都用了转换法的设计思想。
2）比较法
通过对一些物理现象或物理量的比较，达到认识异同的目的。比较的形式是灵活多样的，可以是比较某一物理现象在实验时间内前后的变化情况，如晶体的熔化现象；可以是同时对几个物理对象的现象、变化过程的比较，如研究密度、比热、电阻等物质的特性，研究影响蒸发快慢的因素；也可以是比较同一对象在不同条件下的变化情况，如演示声音靠空气传播、研究电磁感应现象等。
3）平衡法
根据平衡的原理，用已知的物理量去检测未知的物理量。如托里拆利实验测大气压（力的平衡），等臂天平测质量（力矩的平衡），温度计测温度（热平衡）等。
4）放大法
在实验观测过程中，有些物理量太小而不能直接观测，就要借助一些方法将待测量放大后再观测。一些微小量的测量，如纸的厚度、金属丝的直径等，常用迭加放大法；固体热膨胀实验采用力学放大（杠杆原理），光点灵敏电流计、磁偏角观测仪采用光学放大（光杠杆原理），常用体温计刻度部分中的圆弧形玻璃作用相当于凸透镜，起放大作用，以便读数。
5）模拟法
模拟自然现象发生的条件，在实验室里重现自然物理现象的方法。如水的低压沸腾实验十分生动地将水的沸点随气压的降低而降低的自然现象在课堂上再现。可把一块大的天然磁石磨制成一个大磁石球，把小磁针放在磁石球上面，用此来模拟地磁场。还可用模拟油膜法测分子直径的方法测量黄豆的直径，其它还有跨步电压的模拟、马德堡半球实验的模拟、潜水艇原理的模拟、链式反应的模拟等。
6）黑箱法
“黑箱”意思是瞧不见里面元器件的箱子，需要从输入和输出信号来判断黑箱内部的结构。α粒子散射试验是一个典型的黑箱法设计的实验。如用黑箱法可设计这样一个实验：把黑箱放在桌面上，将一根绳子穿过黑箱，其中绳子的另一端连接一辆玩具小车，当用手拉动绳子一端走过一小段距离时，小车会前进很长一端距离。还有“挡不住的光线”等，“幻杯”实验也体现了黑箱法的设计思想。
7）虚拟法
虚拟法设计的实验实际上是思想实验，它既不受时空的制约，又不受实验手段、对象和条件（如绝对光滑的平面、以光速运行的火车等）的限制，是“零成本”实验，既能节省人力、财力，又能锻炼脑力，是人类“智力水平更高的实验”。如惯性实验。
概括起来，转换法、比较法、平衡法、放大法主要体现了实验效果显示器的设计方法，黑箱法体现了实验对象的设计方法，模拟法体现了对实验系统的功能模拟，虚拟法则是对实物形态实验的超越。
3 实验的控制方法
实验结果是否精确、可靠，在很大程度上取决于对实验条件的控制。所谓控制实验条件，就是要尽最大可能排除实验过程中各种偶然的、次要的因素干扰，使需要研究和认识的某种现象或联系以比较纯粹的形态呈现出来。历史上戴维宣判“热质说”死刑的著名实验就是一例。可以这样说，控制是实验的灵魂[2]。 控制并不局限于对无关变量的控制，还包括对有关变量的控制和关键条件的把握。因此，控制方法主要体现在以下几方面。
3.1 控制实验的有关变量
实验的重要作用之一是为了总结客观规律，而客观事物所遵循的物理规律往往涉及许多因素，如影响蒸发快慢的因素有3个， 影响通电螺线管磁性强弱的因素有3个，影响电阻大小的因素有4个，物体吸收热量与3个因素有关等。所谓控制实验的有关变量就是进行单因子实验。在决定事物规律的多个因素中，先固定一些因素不变，只改变其中的一个因素，进行观察实验，如此多次反复，最后再归纳总结出物理规律。如在惯性定律实验中，影响小车在平面上运动距离的因素主要有4个：小车质量、斜面的倾角，小车下滑时的高度、平面的光滑程度，实验时只改变第4个因素，而其它3个因素均保持不变。
3.2 把握实验的关键条件
控制了实验的有关变量后，在寻找因果关系时，需要把握影响实验的关键条件。如水的低压沸腾实验，原因是抽气，结果是沸腾，但抽气不一定出现沸腾，关键条件是：水温要高于被降低的那个沸点，这就要求瓶子里的水不能太少（否则减压不够，沸点降不到水温以下），水温不能太低（否则水温超不过被降低的沸点）。又如磁场对电流的作用实验，原因是磁场中的导体棒通电，结果是导体棒受力运动，这里影响实验的关键条件是通过导体棒的电流要足够大，导体棒在磁场中要有足够的有效长度，要用较强的磁场（可选用两只同型号的蹄形磁铁并列使用），要有合适的导体棒（导体棒受力后滚动，为提高滚动效果，应用空心棒代替实心棒）。
3.3 排除实验的无关变量
在控制了实验的有关变量，把握了实验的关键条件以后，还要尽可能地排除一切对实验可能有影响的干扰因素即无关变量。伽利略在做斜面实验时，为了减少摩擦，把小球做得尽量的圆，在木槽上铺上羊皮纸。历史上奥斯特实验是这样做的：用一根白金丝把伏打电池的两极连起来，当导线通电时，旁边的小磁针就转动了，并在垂直于导线的方向上停了下来。如果把伏打电池转动180°，则磁针也会转动180°。尤其巧妙的是，奥斯特在导线与磁针之间放了一块硬纸板后，发现磁针仍然转动，说明磁针的转动并不是由于导线变热而产生的空气流动所引起的[3]。这样也就排除了电流热效应这一干扰因素。又如在“水的低压沸腾”实验中，要使橡皮管不能太长、太软，瓶塞等处不能漏气；在研究比热的实验中，要用两个相同的热源（如“热得快”、酒精灯等）。
4 结束语
对实验方法进行系统研究应是中学物理实验研究的重要内容，还有待于广大同行作更深入的探讨，以真正提高实验教学的质量。