物理实验思想和教学，本文主要内容关键词为：物理实验论文,思想论文，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。
人类在追求真理、探索未知世界的过程中，有许多经典的实验，完全超越了具体的实验本身，而蕴藏着带有普遍指导意义的实验思想和方法，被我们所继承下来，成为人类的精神财富。正是这些实验思想，使人类在战胜自然、改造自然的实验研究中得到了正确指引，避免了盲目性。可见，正确的实验思想是人类文明的基石。其实，每一个科学实验都是在一定的实验思想指导下进行的，即使暂时没有明确的实验思想总结出来，也必然凭借直觉和通过实验本身以及对实验结果的分析表现出来。因此，我们在教育学生学习物理实验的过程时，不要仅关注实验的过程和结果及技能，还要重视凝聚着物理学家智慧的物理实验思想，使学生感觉和欣赏到物理实验思想的力量，让物理实验思想能震撼学生的心灵，逐步渗透和掌握实验思想，开拓学生的思维，使其成为具有创新能力和科学素养的有用人才。
一、物理实验思想的特征
作为科学实验灵魂的实验思想，是客观事实在反映人的意识中经过思维活动而产生的结果。具体而言，物理实验思想是指根据实验目的，运用已有知识和科学思想方法来确定实验对象，对其进行分析，把握研究方向，形成初步的具体策略。因此，具有如下特征：
1.指导性。物理实验思想是实验行为的先导，有什么样的实验思想就会有什么样的实验行为。任何实验必须在一定的科学实验思想指导下才能顺利进行，才具有独立的价值。这也是保证实验成功的前提。科学上有很多事实佐证了这一点。当年法拉第宣布他发现了电磁感应之后，法国科学家安培和他的助手奥古斯特·德莱里弗声称，实际上安培在1822年就已经在实验中看到了一个电流能够感应出另一个电流的现象。事实确是如此，科学史家认为，安培未能发现电磁感应的原因是因为安培没有正确的实验思想来做指导和思维的缘故。为了延长灯泡的寿命，爱迪生在碳丝灯泡内另外再装入1根铜丝试验，发现灯泡内碳丝通电发热后，未与电源接通的铜丝里出现了微弱的电流，后来称为“爱迪生效应”。其实，这个实验实际上是世界上第1只电子二极管的实验。可惜爱迪生没有觉察到这一点，他只停留在发现的热电子发射现象上，而没有预感到这种现象可能带来的是科学技术上的重大突破。
2.简捷性。物理实验思想是人们在经历生产实践、事实观察、科学实验中，通过实践的体验与思维活动而探究出事物内在的本质的科学思维。它对物理实验提供一种简捷的思想，从而把复杂的物理现象和研究变为直观的可能。例如，威尔逊云雾室，现在看来是比较简单的，但它却是攻克现代科学堡垒的关键实验装置。它实现了观察带电基本粒子或离子的运动径迹，打开了洞察微观世界的窗户。而这个伟大实验装置的实验思想来自于威尔逊的类比直观的思想。后来他在回忆录中写道：“1894年9月的一天，我登上了苏格兰高地的最高峰——本奈维斯山顶，在山上的天文台逗留了数星期。在那里，我发现了山上阳光返照云朵的光学现象：山顶和人处于雾和云层中的影子周围，呈现出环状彩虹的异常美丽景观。后来我就考虑在实验室中再现这种奇观。”为了表彰其卓越的贡献，1927年他因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖。
3.确证性。人类在认识自然界的过程中，通过观察得到初步的规律和认识，然而这些直接通过感官能观察到的现象，有的正确，也有的不正确。例如，物体施力时才动，这些现象与本质不同的观察都要用实验来确证。而这种用来“正确验证观测事实”的实验思想是中国古代已经就有的典型的哲学思想之一。早在秦汉之前，人们通过感官发现“同声相应，同气相求”这一观察事实。北宋著名科学家沈括设计了1个用纸人置于琴弦上进行声共振的实验，证明了声音共振现象是一个观测事实，这个实验比英国人W.诺而乐等人做的类似实验要早6个世纪（罗长海：试论中国古代的科学实验思想，《大自然探索》，1990（9）4：119）。伽利略认为科学规律应当用实验来证明，他曾经说过：“只要一次实验就可以推翻所有的理由。”爱因斯坦曾高度评价了他的功绩：“伽利略的发现以及所用的实验推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，他标志着物理学的开端。”
4.创造性。物理思想的形成要经过多次抽象与概括，要对物理现象和过程进行创造性的认识，特别是那些重大的物理思想，往往要经过几代科学家的思考和创新才能形成。我们在教学中要使学生形成一些简单的物理思想或领会一些复杂的物理思想，也必须有学生自己的深入思考和顿悟，而物理思想不能由公式推导出来，只能是创造性思维的结果。
5.科学性。做实验往往是为了更好地去分析，去论证，去实证。我们所观察的事实，要能够证明自己的假设。实验作为科学研究的重要组成手段和学习内容，在进行方案设计、材料选择、步骤确定、数据修订、结论评估时，特别是在决定实验能否成功的关键时刻，必须运用科学的实验思想来进行科学准确的判断，只有这样，才能做出正确的决策。在这里，清醒的头脑，理性的思维是不可或缺的。这是因为物理思想虽然是思维创造的结果，但它是以科学的物理概念、规律、方法、理论为依据，并被反复证明具有广泛的适应性的。物理思想的科学性并不意味着它是绝对的真理，而是表明它的形成具有科学的依据。
二、物理实验思想的内容与分类
物理实验思想包括实验的方法、实验的精神、实验的构想与设计。按照具体的物理思想所概括内容的特点，可以把物理思想分成概念性物理思想、规律性物理思想、方法性物理思想及综合性物理思想。概念性物理思想是对某类物理概念深刻理解，进一步概括而形成的认识。例如，对各种力的深入认识，可以概括出力的思想；对各种形式的能的深入认识，可以概括出场的思想等等。规律性物理思想是对某个或某类物理规律的深刻理解，进一步概括而形成的认识。例如，由牛顿第二定律产生力学因果论思想；由热力学第二定律产生自然过程不可逆思想；由各种守恒定律产生守恒思想等等。方法性物理思想是对物理概念、规律形成过程中的思维方法或对物理理论构建方法的进一步概括而形成的认识。例如，理想化思想、数学表述思想、科学假说思想、公理化思想、实验验证思想等。归纳思想、演绎思想、类比思想等也可归入其中。综合性物理思想是对物理理论的深刻理解，进一步概括而形成的，具有概念性、规律性或方法性的认识特点。例如，基元性思想、对称思想、简单性思想、统一性思想、科学审美思想等。综合性物理思想是最高层次的物理思想。对物理思想作以上分类，主要是为了在物理教学中能够把物理思想与物理知识和方法联系起来，使物理思想容易被理解，使物理思想的培养更具体一些。
三、物理实验思想的教学
虞福春先生曾提出：“设想我们能够总结出来一套可以遵循的程序，按照这套程序进行实验教学并行之有效，那么培养物理实验人才的原则、方法和形式，将发展成为专门的学问。”物理实验思想教学也具有其规律性。
1.要遵循物理实验思想教学的原则。一是渗透性原则。实验思想是思维的抽象产物，不是一个具体的事物，有时很难顺应学生的认知结构。因此，可以将物理实验思想融合到具体的概念、规律、事实的教学、课堂演示实验和实验教学中，甚至结合到习题教学中和物理学史等方面。二是渐进性原则。在平时教学中应挖掘实验思想，注重量的积累，在教学过程中阐明每个实验所运用的思想方法进而及时归纳总结，在教学中不断应用、印证，从感性认识升华到理性认识。三是趣味性原则。适时介绍物理学发展过程中的经典实验，展示物理学家解决问题的背景及一切独特的想法，从而引发经久不衰、充满活力的思想突显。并突出这些实验思想的地位与作用，激发兴趣。丁肇中通过做实验证明了量子电动力学的正确后，曾经回忆说：“我当时想了一想，认为这个实验影响非常之大，有重复的必要，因为量子电动力学是所有物理学中最准确的，从法拉第（M.Faraday）到麦克斯韦（J.C.Max），再到狄拉克（P.A.M.Dirac），所有的实验和理论都是符合的。因此这个实验有重复的必要。”他对这个课题深入研究了几个月后，决定做这个实验。可当时的权威人士莱德曼教授等表示怀疑，莱德曼教授在听了丁肇中的想法后说：“我相信你不能做！”丁肇中得不到支持，于是去了德国。临行前，莱德曼以20美金与丁肇中打赌，量他不能取得成功。但丁肇中对自己充满了信心，他仅用了8个月就完成了实验，取得了成功。四是实践性原则。教师应设计一些简单易行的实验，让学生下意识地运用实验思想自行设计或改进实验方案，通过实践体验物理思想的作用，加深对物理实验思想的理解，提高运用物理实验思想的能力。只要我们能够做思想方法教育的有心人，一定会让学生通过物理实验学到更多的研究问题和解决问题的方法，并成为具有较高科学素养的人。
2.要用物理实验思想统领物理实验教学。德国著名的物理学家玻恩（1882-1970）说：“我荣获1954年的诺贝尔奖，与其说是因为所发表的著作里包括了一个片段现象的发现，倒不如说是因为那里面包括一个关于自然现象的新思想方法基础的发现。”其实，我们教学的任何一个看似极普通的物理实验内部都包含有非常丰富的物理实验思想，而这些物理实验思想正是教师得以从原则性的高度指导学生运用实验方法研究物理问题的源泉。这是物理知识承载的最有价值的内容，能使人受益终身。一是按照物理思想产生的逻辑设计教学。现在的教科书是从传授知识的角度来考虑设计的。由于科学思想并不是由学科的知识内容直接地表达，而往往隐藏在知识的背后，所以实验思想不易学习。如果按照实验思想所产生的路子去组织教材、安排教学程序，也就是把实验思想放在中心展开教学，那么情况就大相径庭。例如，初中物理“电阻大小因素”的教学可以这样设计：演示小灯亮度不同引发思考（创设产生问题的情境）——研究问题（思考解决问题引发实验设计，进而应用实验思想指导统领实验）——实验（具体落实到应用控制变量的思想，学习实验的方法）——分析实验数据（图像法）——得出结论（经验公式法）。显然，这样就可以把实验思想贯穿于整个教学过程。二是注重应用实验思想解决问题。实验思想是具体化的思维活动的结果。因此，只有在具体的探究实践活动中才能体现与掌握。这一点正是学习掌握物理知识与实验思想的不同之处。例如，如果做实验只是教给学生一种测量光波波长的方法，而忽略了其中丰富的物理思想，该实验的意义就不那么重要了。又例如，托马斯·杨让来自同一光源的光通过1个小孔后再通过另外2个小孔变成了两束。于是这2个小孔所通过的光波即等效成为理想的相干光源。他的贡献即在于他解决了研究光有干涉现象而必备的频率相同、相差恒定的2个相干光源。在实际生活中，任何独立发光的2个光源，都不可能使它们发出相同频率和相差恒定的光波。这种等效的思想同样指导着库仑扭秤实验。该实验的关键技术在于如何使2个球带上等量的电荷，而当时的技术是很难实现的，但库仑通过让2个小球相互接触得到了等量的电荷。三是教师要营造宽松的思维空间。在教学的过程中，教师要保护好学生的好奇心，不能泯灭学生的想象空间。因此，我们要保证做到运用实验思想的科学力量吸引学生的探究兴趣，要支持和鼓励学生的独立思考和大胆质疑。对脱离实际的实验思想要通过分析、实证、引导给予纠正。学生的思维有时是很活跃的，会产生预想不到的效果，教师应让这些思想能够自由地交换，产生共鸣，达成共识。