理想實驗在高中物理教學中的應用探索與思考

曹燕

【摘 要】理想實驗是一種高階的思維模式，在物理發展過程中起著獨特而重要的作用。與實物實驗相比，理想實驗有著明顯的差別和不可代替性，本文分析了高中物理教學中理想實驗與實物實驗的差別，并對教學實踐的視角進行了探討。

【關鍵詞】理想實驗；物理教學；教學實踐

“理想實驗”亦稱作思想實驗或假想實驗，它是研究者發揮想象力，在最理想或極端的條件下，采用想象中最理想的器材，通過最理想化的實驗操作來完成的。理想實驗是一種高級的思維模式，在物理發展過程中有著獨特而重要的作用，在高中物理教學中也有不可忽視的價值。

一、理想實驗與實物實驗的比較及其不可代替性

作為一種重要的科研方法，理想實驗的本質在于它是物理思想、一般性實驗以及數學演繹巧妙融合的產物，是鏈接個體經驗知識與抽象邏輯思維的樞紐。與實物實驗相比，理想實驗有著明顯的區別和不可代替性。

1.實物實驗側重于實踐，理想實驗側重于思維

實物實驗是一種經過物化過程而形成的實驗，是一種具有可操作性的實踐活動，各類物理器材、設備都可以成為它的操作對象。理想實驗則是人類創造性思維活動中所設想出的，是一種思維活動，是在現實中無法進行物化的實驗，它的操作對象應該是立足于真實實驗的延伸。比如伽利略的“理想斜面實驗”就是實驗事實與抽象思維的有效結合，將研究事物和過程進行了理想化處理，突出了事物的主要本質，化繁為簡，對事物實際運動進行了更為本質的探索，由此則更容易發現其內在規律。

2.理想試驗的不可代替性

理想實驗能夠克服客觀上無法擺脫的物質因素的制約，對觀測對象以及相關過程進行高度簡化和純化的抽象，在揭示事物規律的同時彰顯出巨大的創新性和科學的預見性，對科學假說的形成和提出有關鍵性作用，這是物化實驗所無法比擬的。

理想實驗不受空間和時間的限制，只需要實驗者通過想象和思維，及時捕捉頭腦中閃現的“靈感”，展開“實驗”；理想實驗能夠擺脫實物實驗的不確定因素，實驗者只需對研究對象進行“理想化”處理（如質點、剛體、理想氣體、光滑水平面等等），即可完成實驗，因此它沒有任何誤差；理想實驗是實驗者物理探索和哲學修養的完美統一，通過不斷地思考與嘗試，實驗者能夠達到收獲物理結論，又提升哲學修養的雙重目標；隨著科技的發展，物理儀器與設備不斷改進與更新，實驗手段與方法不斷進步與提升，有些理想實驗成為真實實驗的先導，從而讓科學發展少走了很多彎路。例如證實量子概率波的單電子衍射實驗最先就是以理想實驗的方式提出，1949年科學家在實驗室具體完成了這項工作，并成功觀察到預想中的現象。

二、高中物理理想實驗的教學實踐

通過上述分析可以發現，理想實驗蘊含著較強的思想性和方法性，將其運用于學生的高中物理學習，需要物理教師有策略地進行教學實踐和探索。

1.利用理想實驗，發展邏輯思維能力

高中物理的教學內容都是前人的研究成果，教師研究物理學史，從中搜集經典的理想實驗案例，并呈現于課堂，讓學生對知識的形成過程進行體會，并從中感悟思維方法和物理思想。這樣的教學既有助于學生認知并理解知識，更有助于學生邏輯思維能力的發展。

例如必修2“宇宙航行”一節，教師可以利用牛頓最早的衛星模型——拋體理想實驗來培養學生的邏輯思維能力。在具體教學中，教師要指導學生在建構理想實驗時關注以下幾個細節：（1）牛頓所設想的空間是理想化的，沒有空氣阻力，沒有任何障礙；（2）在高山頂端拋石頭的人是一個超級“大力士”，能夠讓石頭獲得足夠大的初速度；（3）拋體運動軌跡隨速度增大而改變，當速度達到某一數值時，石頭將進入圓周軌道而不落地；（4）越拋越遠，并最終由平拋運動過渡為圓周運動，這是一種“外推”的思維方法，也正是由此實現了物理過程的質變；（5）如果這座山的高度達到了月球的軌道高度，那么拋體運動的初速度達到多少，才能使其進行勻速圓周運動呢？這一問題能將學生由純粹的理性思維拉回到物理實在，將拋體運動和宇宙航行有機地聯系起來。

2.利用理想實驗，豐富想象能力

想象是個體頭腦對事物感性認知進行加工且創造出新形象的心理過程，這不是對事物表象的簡單重現，而是一種拓展、夸張和升華，對事物表象的理想化改造。這一過程脫離現象，卻又以現象為基礎，并貫穿理想實驗的始終。我們在教學中加強理想實驗，就意味著要帶領學生進入“想象的意境”，充分激活學生思維，豐富他們的想象力，并借此發展其創新意識。

比如選修3-5“概率波”一節，“波動性是光子相互作用的結果，還是光子本身所具有的性質”，有關這個問題，高中階段的實驗室是不具備驗證條件的，教師只能引導學生構建如下理想實驗：進行光的雙縫干涉實驗時，在光屏處放置照相底片，設想用非常微弱的光源進行實驗，即每次只發射一個光子，當前一個光子到達底片后，第二個光子再發射。如果上述實驗的曝光時間很短，則光屏上只有雜亂無章的點，這表明少數光子表現為粒子性；曝光時間如果足夠長，則底片上即可出現明暗相間的條紋，這表明大量光子表現為波動性，同時也說明波動性不是光子相互作用的結果，是其自身的固有屬性。

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