科學(xué)思維方法教育在大學(xué)物理“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

樊娟娟　于秀玲　潘振東

摘要：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科學(xué)生必修的一門基礎(chǔ)課程。本文分析了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀，并介紹了科學(xué)思維方法教育在“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理實(shí)驗(yàn);科學(xué)思維方法;“牛頓環(huán)”

中圖分類號(hào)：G642.0???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號(hào)：1674-9324（2019）13-0163-02

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課是教育部確定的六門必修的基礎(chǔ)課程之一。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)大學(xué)生科學(xué)思維方法、實(shí)驗(yàn)技能、創(chuàng)新精神，提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、分析與研究能力等方面具有其他課程不能替代的作用[1]。

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的現(xiàn)狀

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是大學(xué)生本科階段的第一門實(shí)踐性課程，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力、學(xué)習(xí)科學(xué)思維方法的重要基礎(chǔ)課[2]。目前由于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程學(xué)時(shí)有限，通常在實(shí)驗(yàn)課堂上，教師首先將實(shí)驗(yàn)原理直接講授給學(xué)生，然后向?qū)W生演示實(shí)驗(yàn)操作過程。學(xué)生機(jī)械地重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后甚至都不明白此次實(shí)驗(yàn)的目的和意義[3]。面對枯燥的重復(fù)，學(xué)生感受不到實(shí)驗(yàn)的樂趣，更談不上科學(xué)思維方法的形成和科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)[4]。法國科學(xué)家笛卡爾說過：“最有價(jià)值的知識(shí)是關(guān)于方法的知識(shí)。”科學(xué)方法教育是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的有效途徑。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)分為基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)。基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本方法和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中最重要的一部分。我們以基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)“牛頓環(huán)”為例，介紹科學(xué)思維方法教育在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂上的具體應(yīng)用。

二、科學(xué)思維方法教育在“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)中的具體應(yīng)用

1.引入物理學(xué)史。任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)都有一定的歷史背景，教師可以從這個(gè)實(shí)驗(yàn)的歷史背景講起，抓住學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生的求知欲。雖然“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)原理并不復(fù)雜，但不少物理學(xué)家從不同角度進(jìn)行了大量深入的研究。“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了光學(xué)理論特別是波動(dòng)理論的確立和發(fā)展。牛頓首先發(fā)現(xiàn)了“牛頓環(huán)”現(xiàn)象，并且找出了環(huán)的直徑分布規(guī)律，但由于牛頓信奉微粒說，所以始終無法正確地解釋這個(gè)現(xiàn)象。楊氏利用“牛頓環(huán)”裝置提出了相位躍變理論，接著阿喇戈檢驗(yàn)了牛頓環(huán)的偏振狀態(tài)，對微粒說提出了質(zhì)疑。隨后斐索利用這個(gè)裝置測定了鈉黃雙線的波長差[5]。教師清楚明了地把實(shí)驗(yàn)的歷史背景和發(fā)展過程告訴學(xué)生，可以讓學(xué)生對這個(gè)實(shí)驗(yàn)有清楚的感性認(rèn)識(shí)[6]。同時(shí)，教師向?qū)W生展示科學(xué)研究的艱辛歷程和不同學(xué)派之間的爭論，可以使學(xué)生進(jìn)一步掌握科學(xué)方法，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題[7，8]。

2.數(shù)學(xué)方法。“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)的目的之一是測量平凸透鏡的曲率半徑。在實(shí)驗(yàn)操作之前，教師和學(xué)生一起推導(dǎo)凸透鏡曲率半徑和牛頓環(huán)直徑的定量關(guān)系。公式推導(dǎo)的過程可以鍛煉學(xué)生的數(shù)學(xué)邏輯思維，幫助學(xué)生深入理解物理概念。數(shù)學(xué)方法包括極限法、比值定義法、微積分法、分離變量法、旋轉(zhuǎn)矢量法等。教師引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)用數(shù)學(xué)的方法研究物理問題，利用數(shù)學(xué)工具從簡單的規(guī)律入手去解決復(fù)雜的實(shí)際問題。

3.放大測量法。“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)通過讀數(shù)顯微鏡將被測量的“牛頓環(huán)”形成放大的像以便觀察測量。這種方法叫放大測量法，它可以細(xì)分為累計(jì)放大法、機(jī)械放大法、電子學(xué)放大法和光學(xué)放大法。放大測量法在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用廣泛，其中讀數(shù)顯微鏡屬于光學(xué)放大法，而電學(xué)實(shí)驗(yàn)中常用的三極管電路則屬于電子學(xué)放大法。教師在引導(dǎo)學(xué)生理解讀數(shù)顯微鏡的原理，教會(huì)學(xué)生正確、快速掌握儀器使用規(guī)則的基礎(chǔ)上，介紹物理學(xué)中的“放大”思想。

4.觀察法。觀察是人類生活學(xué)習(xí)的主要活動(dòng)之一，一切科學(xué)研究都始于觀察。教師首先引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)設(shè)備的組成及“牛頓環(huán)”實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，然后教師引導(dǎo)學(xué)生有目的地觀察干涉條紋的特點(diǎn)，觀察“牛頓環(huán)”中心的暗斑，觀察之后引導(dǎo)學(xué)生思考為什么干涉圖樣是明暗相間的同心圓環(huán)？為什么環(huán)的中心不是一個(gè)點(diǎn)？為什么中心不是亮斑？教師引導(dǎo)學(xué)生在觀察中思考，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，推動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)。

5.探究法。學(xué)生在熟悉實(shí)驗(yàn)儀器操作之后，要自主探究完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。教師進(jìn)行指導(dǎo)時(shí)，不能動(dòng)手去幫學(xué)生操作實(shí)驗(yàn)，不能僅簡單地解決學(xué)生當(dāng)前的困難，而是要注意對學(xué)生進(jìn)行物理方法的引導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究。在實(shí)驗(yàn)過程中，一部分學(xué)生調(diào)不出清晰的同心圓環(huán)，還有一些學(xué)生雖然能調(diào)出來，但操作盲目。教師不能只幫助學(xué)生調(diào)出干涉條紋，還需要引導(dǎo)學(xué)生思考如何調(diào)出最清晰的、大小適中、位置正中的“牛頓環(huán)”。學(xué)生自主探究，通過思考、實(shí)踐，有計(jì)劃、有目的地研究探索，逐步找到問題所在。在學(xué)生自主探究的實(shí)驗(yàn)過程中，潛移默化地提高了分析問題和解決問題的能力，增強(qiáng)了對實(shí)驗(yàn)課程的興趣。

6.列表法、逐差法。為了減少誤差，我們至少記錄了十個(gè)環(huán)的位置。實(shí)驗(yàn)操作時(shí)要求學(xué)生緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)測微鼓輪，使目鏡中的十字叉絲依次與第30，29，28，…，16級(jí)環(huán)外側(cè)相切，順次記下讀數(shù)[9]。在數(shù)據(jù)記錄時(shí)，我們采用列表法。將數(shù)據(jù)列成表，可以簡單明確地表示物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，同時(shí)易于檢查數(shù)據(jù)和發(fā)現(xiàn)問題。在處理數(shù)據(jù)時(shí)，我們采用逐差法將表中測量及計(jì)算得到的環(huán)直徑兩兩一組，得出五組數(shù)值，利用公式計(jì)算曲率半徑的平均值。逐差法可以將測量的全部數(shù)據(jù)信息充分使用，更能反映多次測量對減少誤差的作用。除了列表法和逐差法，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理還常用到作圖法和最小二乘法。

7.分析歸納法。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師要引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。實(shí)際凸透鏡的曲率半徑與實(shí)驗(yàn)測量計(jì)算得到的數(shù)據(jù)相比較肯定會(huì)存在差異，學(xué)生要如實(shí)記錄數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考誤差到底在哪里，歸納實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)生通過認(rèn)真思考，歸納整理，提高分析能力。

三、結(jié)語

綜上所述，我們把培養(yǎng)科學(xué)思維方法貫穿于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)之中。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中加入科學(xué)方法的內(nèi)容，加強(qiáng)物理科學(xué)思維方法的教育，引導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思考，使學(xué)生對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)更有興趣，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析和解決問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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The Application of Scientific Thinking Method Education in the "Newton's Rings" Experiment of University Physics

FAN Juan-juan1，YU Xiu-ling1，PAN Zhen-dong2

（1.College of Information Technology，Jilin Agricultural University，Changchun，Jilin 130118，China;

2.High School Attached to Northeast Normal University，Changchun，Jilin 130022，China）

Abstract：University physics experiment is a compulsory basic course for science-engineering students.This paper analyzes the current situation of the university physics experiment course，and introduces the specific application of the scientific thinking method education in the "Newton's rings" experiment of university physics.

Key words：university physics experiment;scientific thinking method;"Newton's rings"