理想实验在高中物理教学中的应用探索与思考

曹燕

【摘 要】理想实验是一种高阶的思维模式，在物理发展过程中起着独特而重要的作用。与实物实验相比，理想实验有着明显的差别和不可代替性，本文分析了高中物理教学中理想实验与实物实验的差别，并对教学实践的视角进行了探讨。

【关键词】理想实验；物理教学；教学实践

“理想实验”亦称作思想实验或假想实验，它是研究者发挥想象力，在最理想或极端的条件下，采用想象中最理想的器材，通过最理想化的实验操作来完成的。理想实验是一种高级的思维模式，在物理发展过程中有着独特而重要的作用，在高中物理教学中也有不可忽视的价值。

一、理想实验与实物实验的比较及其不可代替性

作为一种重要的科研方法，理想实验的本质在于它是物理思想、一般性实验以及数学演绎巧妙融合的产物，是链接个体经验知识与抽象逻辑思维的枢纽。与实物实验相比，理想实验有着明显的区别和不可代替性。

1.实物实验侧重于实践，理想实验侧重于思维

实物实验是一种经过物化过程而形成的实验，是一种具有可操作性的实践活动，各类物理器材、设备都可以成为它的操作对象。理想实验则是人类创造性思维活动中所设想出的，是一种思维活动，是在现实中无法进行物化的实验，它的操作对象应该是立足于真实实验的延伸。比如伽利略的“理想斜面实验”就是实验事实与抽象思维的有效结合，将研究事物和过程进行了理想化处理，突出了事物的主要本质，化繁为简，对事物实际运动进行了更为本质的探索，由此则更容易发现其内在规律。

2.理想试验的不可代替性

理想实验能够克服客观上无法摆脱的物质因素的制约，对观测对象以及相关过程进行高度简化和纯化的抽象，在揭示事物规律的同时彰显出巨大的创新性和科学的预见性，对科学假说的形成和提出有关键性作用，这是物化实验所无法比拟的。

理想实验不受空间和时间的限制，只需要实验者通过想象和思维，及时捕捉头脑中闪现的“灵感”，展开“实验”；理想实验能够摆脱实物实验的不确定因素，实验者只需对研究对象进行“理想化”处理（如质点、刚体、理想气体、光滑水平面等等），即可完成实验，因此它没有任何误差；理想实验是实验者物理探索和哲学修养的完美统一，通过不断地思考与尝试，实验者能够达到收获物理结论，又提升哲学修养的双重目标；随着科技的发展，物理仪器与设备不断改进与更新，实验手段与方法不断进步与提升，有些理想实验成为真实实验的先导，从而让科学发展少走了很多弯路。例如证实量子概率波的单电子衍射实验最先就是以理想实验的方式提出，1949年科学家在实验室具体完成了这项工作，并成功观察到预想中的现象。

二、高中物理理想实验的教学实践

通过上述分析可以发现，理想实验蕴含着较强的思想性和方法性，将其运用于学生的高中物理学习，需要物理教师有策略地进行教学实践和探索。

1.利用理想实验，发展逻辑思维能力

高中物理的教学内容都是前人的研究成果，教师研究物理学史，从中搜集经典的理想实验案例，并呈现于课堂，让学生对知识的形成过程进行体会，并从中感悟思维方法和物理思想。这样的教学既有助于学生认知并理解知识，更有助于学生逻辑思维能力的发展。

例如必修2“宇宙航行”一节，教师可以利用牛顿最早的卫星模型——抛体理想实验来培养学生的逻辑思维能力。在具体教学中，教师要指导学生在建构理想实验时关注以下几个细节：（1）牛顿所设想的空间是理想化的，没有空气阻力，没有任何障碍；（2）在高山顶端抛石头的人是一个超级“大力士”，能够让石头获得足够大的初速度；（3）抛体运动轨迹随速度增大而改变，当速度达到某一数值时，石头将进入圆周轨道而不落地；（4）越抛越远，并最终由平抛运动过渡为圆周运动，这是一种“外推”的思维方法，也正是由此实现了物理过程的质变；（5）如果这座山的高度达到了月球的轨道高度，那么抛体运动的初速度达到多少，才能使其进行匀速圆周运动呢？这一问题能将学生由纯粹的理性思维拉回到物理实在，将抛体运动和宇宙航行有机地联系起来。

2.利用理想实验，丰富想象能力

想象是个体头脑对事物感性认知进行加工且创造出新形象的心理過程，这不是对事物表象的简单重现，而是一种拓展、夸张和升华，对事物表象的理想化改造。这一过程脱离现象，却又以现象为基础，并贯穿理想实验的始终。我们在教学中加强理想实验，就意味着要带领学生进入“想象的意境”，充分激活学生思维，丰富他们的想象力，并借此发展其创新意识。

比如选修3-5“概率波”一节，“波动性是光子相互作用的结果，还是光子本身所具有的性质”，有关这个问题，高中阶段的实验室是不具备验证条件的，教师只能引导学生构建如下理想实验：进行光的双缝干涉实验时，在光屏处放置照相底片，设想用非常微弱的光源进行实验，即每次只发射一个光子，当前一个光子到达底片后，第二个光子再发射。如果上述实验的曝光时间很短，则光屏上只有杂乱无章的点，这表明少数光子表现为粒子性；曝光时间如果足够长，则底片上即可出现明暗相间的条纹，这表明大量光子表现为波动性，同时也说明波动性不是光子相互作用的结果，是其自身的固有属性。

【参考文献】

[1]马书民，吴兴龙.物理学史上的著名理想实验[J].物理通报，2013（1）：116

[2]侯新杰.思想实验及其在物理学中的应用[J].河南师范大学学报（自然科学版），1996（2）：23-25

[3]张明声.利用理想实验的教学培养学生的科学思维[J].物理教师，2010（7）：9endprint