丁建强

(江苏省昆山市第一中学,江苏 昆山 215300)



谈理想实验对于培养高中生思维能力的重要作用

丁建强

(江苏省昆山市第一中学,江苏 昆山 215300)

实验是高中物理课中必不可少的内容，它在物理教学中有着不可替代的重要地位.通过实验教学，不仅可以提高学生学习物理的积极性，培养他们的动手能力、协作能力、分析能力，还有助于形成他们严谨的、实事求是的世界观.本文从理想实验的介绍入手，结合自身的教学经验，依托苏教版高中物理教材，分析了理想实验对于培养学生思维能力的重要作用，旨在挖掘实验教学的意义，促进学生的全面发展.

高中物理；理想实验；思维能力

在高中物理教学大纲中，明确规定了把培养学生的实验技能作为新课程物理改革的目的之一.通过实验教学，不仅能让学生深刻地理解物理学的概念和定律，还可以掌握必要的实验技能，这些都是他们继续学习现代化的科学技术，并且在生活中进行科学实验和技术革新的重要基础.学生实验技能掌握的好坏是衡量新时期物理教学效果的重要因素.理想实验是高中物理教学中的重要内容，《普通高中物理课程标准(实验)》中特别指出：“突出物理学科的特点，发挥实验在物理教学中的重要作用”的教学建议，并对有关的要求作了比较详细的论述.因此，在教学中通过学习理想实验的科学方法，可以培养学生的思维能力、想象能力和分析推理能力.

一、理想化方法是一种科学抽象的方法

理想实验是理想化方法的一种形式.理想实验也叫假想实验、思想实验或抽象实验.它是一种形象思维与抽象思维相互作用的思维过程，它是以真实的科学实验为基础，以逻辑法则为依据，用思维展开实验的过程.

二、物理理想实验在物理教学中的作用

理想实验以确认的知识为前提，以逻辑规则为准绳，在物理学发展中起着主要作用.

1．理想实验在建立物理学理论的过程中发挥着重要作用.

如伽利略用理想实验的方法发现了惯性定律，爱因斯坦以同时的相对性理想实验为基础创立了狭义相对论等.爱因斯坦在创建广义相对论的过程中也应用了理想实验.爱因斯坦假想有一个理想电梯，里面装有各种实验用具，还有一位物理学家在进行各种测量.当电梯相对于地球静止时，物理学家将看到，物体受到一种力的作用，使它们滑向地板，而且所有物体在落向地板时的加速度都是一样的.由此他可以得出结论：这个电梯受到了外界引力的作用.爱因斯坦进一步分析指出：任何物理实验都不能使实验者看到引力的痕迹，即在这种电梯参考系中，引力全部消除了.因此，爱因斯坦得出：我们可以在任何一个局部范围(某点附近的一个小范围)找到一个参考系(如爱因斯坦电梯)，其中引力的作用可以完全被消除.引力的这一特性是物理学的其他力如电磁力、强相互作用、弱相互作用等所不具有的.在广义相对论中，把引力能在某种参考系中局部地被消除这一特性称为等效原理，它是广义相对论的两个基本原理之一，是运用理想实验的结果.

2．理想实验是物理学家有力的辩论和反驳方法

著名的物理学家马赫利用理想化实验对绝对时空观提出了反驳：如果设想水桶壁有几公里厚，乃至桶壁包括了整个宇宙，在这样的情况下，我们还能相信水的转动与桶壁的转动无关吗？很显然，人们永远不能制造出用宇宙作桶壁的水桶来，但是这并不妨碍反驳的正确性水的转动不是相对于绝对空间的转动，而是相对于宇宙中的物质在旋转，“一切运动都是相对的”，这就是马赫运用理想实验以明确、直观的形式给出的关于时空的正确结论.

3．借助理想实验能发现原有(已有)理论的错误或局限.

如伽利略关于惯性的理想实验，发现了亚里士多德理论的错误.又如麦克斯韦在其理想实验中认为：在微观世界里，当我们跟踪每一个分子时，有可能出现违反热力学第三定律的现象.麦克斯韦因此成为第一个发现经典定律局限的人.

三、理想实验对于学生思维能力的重要性

1．培养学生的抽象思维能力.

如图1所示的“斜面理想实验”，实验设想的步骤有：

(1)两个对接的斜面，让静止的小球沿一个斜面滚下，小球将滚上另一个斜面.(2)减小第二个斜面的倾角，小球在该斜面上仍然会达到原来的高度.(3)继续减小第二个斜面的倾角，最后使它成水平面，小球将沿水平面做永久的匀速运动.(4)如果没有一切摩擦，小球将上升到原来释放时的高度.

教师通过介绍该实验的设计和方法，让学生进一步认识理想实验在建立物理理论中的重要作用，认识实验过程的抽象性，再通过学生解决具体问题时分析处理的抽象思维体验，培养他们的抽象思维能力.

2.培养学生的逆向思维能力.

在学习物体的超重和失重现象时，给学生介绍“爱因斯坦电梯”的理想实验.当时爱因斯坦设想让电梯自由下落，猜想到无论苹果、羽毛等都可以自由地停在空中，人也可在底部和顶部行走而不受引力的影响.从而再通过思维推理，建立了广义相对论.当时的思维的理想情景，现在已能体验到或在电影、电视上看到，如航天飞船中宇航员的失重情景，从而激发学生积极思维，大胆科学的想象，设想理想的过程或情景，培养学生的逆向思维能力.

3.培养学生的发散思维能力.

牛顿在研究万有引力定律时设想，从高山顶上平抛一个铅球，速度越大，落到地面上越远，甚至到半个地球，如果速度足够大，铅球将绕地球做圆周运动，从而解决了天体运动与引力的问题，同时也为现代发射人造地球卫星提供了依据.物理规律、原理来源于自然，抓住物质运动的本质规律，就可以触类旁通，培养学生的发散性思维能力.教学中可以提出一些有趣的问题如：假如没有摩擦，世界将是怎样的；如果没有电阻(结合超导现象)，世界又是怎样的：如果万有引力消失，世界又是怎样的：地球的质量如何测量等等，通过学生的思考、猜测、想象等，激励启发学生的发散思维能力.

教师在实验过程中还可以设计一些问题，通过情景问题来启发学生的发散思维能力.如教师引导学生仔细观察图2中的F1、F2及F的大小和方向，分析F1、F2之和与F之间可能遵守什么样的规律.

可能有些同学的猜想不着边际，还有一些同学感到困惑，不知道如何解决问题.这时，教师要善于参与学生的猜想和讨论，可以试着给学生一些提示：“在学习平面几何时，可以利用添加辅助线的方法，重新构建几何图形，使得已知量和未知量之间建立联系.那我们能否通过添加辅助线的方法构成一些简单图形，从而使得F1、F2与F之间建立某种联系呢？”这样在老师的引导下，学生积极思考，利用添加辅助线的方法，形成了如下的探究方案：

如图3所示，过F1和F2的末端A、B作力F的方向OE的垂线交OE于C、D两点，则OC+OD即为合力F的大小.

教学中不断培养学生的发散性思维，灵活应用多种方法分析解决问题——如假设法、等效法、替代法、取消法、极端法等，就可以更好地培养学生的思维能力、创造能力.

总之，高中物理教学中理想化的方法的应用还有很多，例如理想化模型(质点、点电荷、单摆、力线、简谐振动等)，处理和研究问题的方法(假设法、等效法、替代法)等，因此我们要结合物理的理想化实验，透彻分析各章节的实际情况，坚持贯彻科学方法的教育，引导启发学生应用科学方法分析解决问题，提高学生的综合素质，培养学生的思维能力.

[1]徐卫兵. 高中物理教学中渗透数学思想方法的价值研究[J]. 物理教师,2014(11).

[2]吴政. 物理方法教学的现状与思考[J]. 中学物理教学参考,2014(06).

[责任编辑：闫久毅]

2017-05-01

丁建强 (1978.6-)，男，江苏昆山，中学一级教师，本科，从事高中物理教学研究.

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