借助物理實驗深化素質教育的探討

張 巖 王素紅

（信息工程大學 河南 鄭州 450001）

實踐是檢驗真理的唯一標準.實驗是實踐的基本形式之一.作為物理學領域檢驗真理的唯一標準，物理實驗不僅在物理學的發展中發揮著極其重要的作用，而且在培養高素質、創新型人才方面也具有其他課程無法替代的優勢.如何利用現有設施，最大限度地發揮物理實驗在培養高素質人才方面的優勢，下面結合教學實踐淺談幾點看法.

1 滲透前沿部分知識培養學員自主學習的意識和能力

物理實驗前沿作為物理學領域最具活力的部分，不僅映射了物理學領域正在探索和研究的物理現象和規律，而且反映了物理學領域取得的最新進展.如果在實驗課教學過程中向學員介紹前沿部分知識，不僅可以激發學員的學習興趣，拓寬學員的知識面，而且可以培養學員自主學習的意識和能力.

電荷的測量是一個經典的古老實驗，實驗的目的是證明電荷電量的量子性，并求出電子電量的大小［1］.但由于實驗條件的限制，實驗目的從證明改為驗證，探索性實驗就變成了依據實驗指導書進行數據測量和數據處理的模仿性實驗，這就極大的挫傷了學員的學習興趣.為了激發學員的學習熱情和主觀能動性，在實驗課中向學員介紹這個實驗的最新進展：近年來，人們根據這個實驗的設計思想，利用磁漂浮的方法測量了夸克的電量.而后，讓學員在課下利用學校便利的圖書館和網絡等資源了解“磁漂浮方法”和“夸克”的相關知識，使學員意識到古老的物理實驗仍然具有強大的生命力，對物理學的發展仍具有啟發作用，激發他們學習的興趣和探索未知知識領域的熱情.在講授霍爾法測電磁感應強度時，可以介紹量子霍爾效應、量子自旋霍爾效應和量子反常霍爾效應［2］，使學員認識到物理學和物理實驗的發展沒有終結，從而激發他們獻身科學的熱情和信心.

實踐證明，這樣做不僅有利于培養學員自主學習的意識和能力，而且拓寬了學員的知識面，使學員的知識結構更具現代化，有利于學員科學素養的提高.

2 滲透物理理論與物理實驗的辯證關系培養學員的辯證思維能力

物理學的基本規律隱藏在自然界之中，隨著人們對自然界認識的不斷深入，人們對物理現象及其本質的認識也在不斷的發展和完善，而物理理論也在實踐不斷的否定舊假說和舊理論的過程中發展和完善起來［3］.在物理實驗教學過程中，向學員滲透物理理論與物理實驗的這種辯證關系，有助于培養學員的辯證思維能力，提升學員的科學素養.

1887年德國物理學家赫茲用實驗驗證電磁波的存在時發現了光電效應，此后很多人對這一現象進行了深入系統的研究，總結出實驗規律.而當人們嘗試在經典理論的范疇內對這個實驗做出合理的解釋時，各種嘗試都失敗了.舊理論的失敗往往預示著新理論的創立.1905年，愛因斯坦發展普朗克的能量子假設，提出光子假說，成功地解釋了光電效應，并給出光電效應方程.定量數學描述的建立意味著新理論的創立，而一個新的理論創建之后，它正確與否還需要實驗的驗證.從光電效應方程出發，美國物理學家密立根經過10年艱辛工作，終于在1915年用實驗驗證了愛因斯坦光子假說是正確的，于是光子假說上升為光子理論.從光子理論的創立過程可以看出物理理論與物理實驗互為驗證、互為促進、共同發展的辯證關系：新的物理實驗否定了舊理論，為新的物理理論的發展指明了方向；新的理論正確與否又需要新的實驗檢驗；于是在新理論的指導下，人們設計出新的物理實驗驗證新理論；而新的實驗正確與否又需要成熟理論體系的驗證.

實踐證明，在物理實驗課中向學員滲透物理理論與物理實驗之間的相互驗證、相互促進、共同發展的辯證關系，不僅可以培養學員的辯證思維能力，提升學員的科學素養，而且可以使學員意識到事物發展的曲折和復雜，激發他們克服困難的勇氣和信心.

3 滲透物理實驗的思想方法培養學員的科學思維能力

科學思維是科學活動中的思維，即科學活動中探求事物本質和規律性的理性認識活動［4］.物理實驗思想是人們在從事物理實驗時的思維活動，是科學思維在物理實驗中的具體體現.物理實驗方法是在物理實驗思想的指導下，從事物理實驗活動時采取的手段和行為方式.所以在物理實驗教學中向學生滲透物理實驗思想方法，有助于培養學生的科學思維能力，提升學生的科學素質.

密立根油滴實驗是基礎物理實驗中一個很重要的驗證性實驗，它的目標是精確測量電子電量.采取的物理實驗思想是將難以測量的量轉化為容易測量的量，采用的是間接測量法.根據實驗方法的發展歷程，可將電子電量的精確測量分為4個階段.首先愛爾蘭物理學家道孫德［5］利用統計求平均的思想，以云霧為觀測對象首創測量電子電量的云霧法.其后，英國物理學家威爾遜利用云室進行實驗，并將云室置于平行板電容器中，發明了改進云霧法.而后美國物理學家密立根將云室置于強電場中，將觀測對象從云霧改為單個水滴，發明了測電子電量的平衡水滴法，使電子電量的測量發生了質的飛躍，極大地提高了的測量精度.為達到精確測量的要求，密立根又利用鐘油代替水，發明了平衡油滴法，并最終實現了電子電量的精確測量.而拉伸法測量金屬的楊氏模量則是利用光杠桿將對微小形變量的測量轉化為對平面鏡反射光線轉角的測量，屬于放大法中的光放大法.

實踐證明，在實驗課教學中滲透物理實驗思想方法使學生認識到，物理實驗的發展也是物理實驗思想方法的發展，不僅有利于提升學生的科學思維能力，而且對其他課程的學習也大有裨益.

為了深化物理實驗的素質教育功能，培養出適應現代化和信息化建設的高素質創新型人才，物理實驗教學的改革應是一個持續不斷的課題，需要廣大物理實驗教師的全心投入和相關部門的大力支持.

1 王素紅.大學物理實驗.北京：國防工業出版社，2011

2 Seongshik Oh.The Complete Quantum Hall Trio.Science.2013.4

3 王素霞.哲學思想在物理教學中的滲透.科技信息，2007（16）：304

4 祁金剛，藍汛，高允鋒，等.科學思維與物理實驗思想.長春師范學院學報（自然科學版），2007，26（6）：131～133

5 史志強.油滴實驗方法的研究.物理實驗，2002，22（6）：29～32