物理理想實(shí)驗(yàn)及其教學(xué)功效探微

馬利明　魯鵬飛

摘 要：理想實(shí)驗(yàn)是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法，它在推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展上起著很重要的作用。理想實(shí)驗(yàn)較之實(shí)物實(shí)驗(yàn)有其明顯的不可替代性；物理教學(xué)中運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生掌握物理知識(shí)和規(guī)律，提升邏輯思維能力，掌握科學(xué)研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力等具有重要的幫助作用。

關(guān)鍵詞：理想實(shí)驗(yàn)；物理教學(xué)；功效

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2015）7-0042-3

眾所周知，物理學(xué)是一門(mén)實(shí)證科學(xué)，它以觀察、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，但就此認(rèn)定它與思辨的哲學(xué)毫不相干，那是一種誤解。因?yàn)槲锢韺W(xué)的每一次重大進(jìn)步，都會(huì)帶來(lái)哲學(xué)的巨大變革，如伴隨著牛頓推理力學(xué)的巨大成功而產(chǎn)生的機(jī)械論哲學(xué)就是很好的實(shí)例。當(dāng)然，哲學(xué)對(duì)物理學(xué)研究起到的指導(dǎo)作用，即作為構(gòu)建物理學(xué)大廈必不可少的腳手架功效，更有理由讓我們改變實(shí)驗(yàn)態(tài)度。我們既要重視利用現(xiàn)有技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)對(duì)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的作用，也要認(rèn)識(shí)到那些只具有原則上的可檢驗(yàn)性，而在技術(shù)上尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)的理想實(shí)驗(yàn)的價(jià)值。理想實(shí)驗(yàn)同樣是獲取知識(shí)的來(lái)源，在物理教學(xué)中必須得到重視。

1 理想實(shí)驗(yàn)概念界定及其哲學(xué)啟示

“理想實(shí)驗(yàn)”又稱(chēng)思想實(shí)驗(yàn)、抽象實(shí)驗(yàn)等，它是人們?cè)陬^腦中進(jìn)行的一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法。在物理學(xué)發(fā)展史上，作為經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ)的慣性定律就是理想實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要結(jié)論；愛(ài)因斯坦建立狹義相對(duì)論，也曾作了關(guān)于同時(shí)性的相對(duì)性理想實(shí)驗(yàn)；量子論的建立也與理想實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)，海森堡用來(lái)推導(dǎo)測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的所謂電子束的單縫衍射實(shí)驗(yàn)就是一種理想實(shí)驗(yàn)。倘若我們細(xì)細(xì)去品味大師們的理想實(shí)驗(yàn)，就會(huì)更加深刻地體會(huì)到哲學(xué)與科學(xué)的相互依存，理想實(shí)驗(yàn)并非“胡想實(shí)驗(yàn)”，它帶給了我們很多哲學(xué)啟示。

1.1 科學(xué)觀察是理想實(shí)驗(yàn)的根本

理想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)家追尋事物本源，揭示事物發(fā)展與變化的思維結(jié)晶。在這追尋與揭示的過(guò)程中，對(duì)事物的觀察至關(guān)重要，因?yàn)橛^察會(huì)影響到通過(guò)觀察所得出的結(jié)論是否正確。在觀察過(guò)程中，人的主觀因素往往決定著觀察者對(duì)觀察對(duì)象本質(zhì)的理解，這種情形對(duì)于物理學(xué)家來(lái)說(shuō)也不例外。

1.2 思維辨析是理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)

觀察者遵循唯物主義完成對(duì)事物的觀察后，接著就該對(duì)觀察結(jié)果進(jìn)行科學(xué)的思維辨析了，否則觀察便失去了在理想實(shí)驗(yàn)中所必須具備的全部科學(xué)內(nèi)涵，自然地就失去了科學(xué)觀察的意義和作用。由此可見(jiàn)，思維辨析作為構(gòu)成理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，顯然是由理想實(shí)驗(yàn)的屬性所決定的。

愛(ài)因斯坦曾在《自述》中說(shuō)：“像我這種類(lèi)型的人，一生中主要的東西，正是在于他想的是什么和他是怎樣想的，而不在于他所做的或者所經(jīng)受的是什么?！边@種極富哲理、內(nèi)涵精深的著名論述，我們完全可以把它作為思維辨析的科學(xué)詮釋。所謂“思維”就是“想什么”，而“辨析”則是“怎樣想”。愛(ài)因斯坦是這樣說(shuō)的，也是這樣做的。可見(jiàn)，思維辨析不僅僅是理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，更應(yīng)該是廣大物理學(xué)研究者的思維基礎(chǔ)。

1.3 創(chuàng)新精神是理想實(shí)驗(yàn)的精髓

縱觀一個(gè)個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，無(wú)不浸透著大師們獨(dú)特的創(chuàng)新精神。這種精神用愛(ài)因斯坦的話來(lái)說(shuō)就是“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q一個(gè)問(wèn)題也許僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技能而已，而提出新的問(wèn)題，新的可能性，從新的角度去看問(wèn)題，都需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步”。這段至理名言，不僅為我們揭示出了創(chuàng)新就是理想實(shí)驗(yàn)的精髓所在，更為我們深刻地指出了理想實(shí)驗(yàn)在整個(gè)物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中的重要作用。理想實(shí)驗(yàn)本身就是為了解決新問(wèn)題而設(shè)計(jì)出來(lái)的實(shí)驗(yàn)方案，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案中，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)所需要的理想化了的條件，并在這個(gè)理想條件下去演繹實(shí)驗(yàn)，以便驗(yàn)證或解決所提出來(lái)的新問(wèn)題。那么，如何設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)所需要的理想化了的條件呢？我們運(yùn)用牛頓的話來(lái)說(shuō)便是“自然界喜歡簡(jiǎn)單”。我們完全可以把牛頓的“簡(jiǎn)單化法則”運(yùn)用到理想實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)置當(dāng)中，使我們?cè)O(shè)置的條件更加理想、更為簡(jiǎn)單，當(dāng)然也就更有利于實(shí)驗(yàn)的演繹。實(shí)際上，這一實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)單化的過(guò)程本身就是一個(gè)完整的創(chuàng)新過(guò)程，它自然也是一種創(chuàng)新精神的體現(xiàn)。

2 理想實(shí)驗(yàn)與實(shí)物實(shí)驗(yàn)的區(qū)別和它的不可替代性

理想實(shí)驗(yàn)作為一種重要的科學(xué)研究方法，其精髓在于它是物理思想、數(shù)學(xué)演繹與一般性實(shí)驗(yàn)的巧妙結(jié)合，是連接抽象的邏輯思維和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的樞紐。理想實(shí)驗(yàn)較之實(shí)物實(shí)驗(yàn)是有區(qū)別和明顯的不可替代性的。

2.1 實(shí)物實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐活動(dòng)，理想實(shí)驗(yàn)是一種思維活動(dòng)

可操作性的實(shí)物實(shí)驗(yàn)是一種實(shí)踐活動(dòng)，是人們通過(guò)物化過(guò)程而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，它操作對(duì)象是真實(shí)的物理儀器和設(shè)備。理想實(shí)驗(yàn)則是一種思維活動(dòng)，是人們?cè)趧?chuàng)造性思維活動(dòng)中設(shè)想出來(lái)的，是現(xiàn)實(shí)中無(wú)條件物化的實(shí)驗(yàn)，它的操作對(duì)象一般是在真實(shí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的延伸。例如，伽利略的“斜面實(shí)驗(yàn)”就是把實(shí)驗(yàn)事實(shí)和抽象思維結(jié)合起來(lái)，把研究的事物加以理想化，突出事物的主要特性，化繁為簡(jiǎn)，對(duì)客觀對(duì)象的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行本質(zhì)探究，從而更容易地認(rèn)識(shí)其規(guī)律性。

2.2 理想實(shí)驗(yàn)較之實(shí)物實(shí)驗(yàn)的不可替代性

理想實(shí)驗(yàn)不受時(shí)空限制，不受客觀條件制約，無(wú)需任何經(jīng)費(fèi)投入。實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)豐富的想象和嚴(yán)密的邏輯思維，隨時(shí)在頭腦中捕捉“靈感”，進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”；理想實(shí)驗(yàn)?zāi)軘[脫實(shí)物實(shí)驗(yàn)不確定性的影響，實(shí)驗(yàn)者可以通過(guò)對(duì)模型的“理想化”處理（如光滑表面、剛體、點(diǎn)電荷、理想氣體等等）而完成實(shí)驗(yàn)，它沒(méi)有誤差，無(wú)需數(shù)據(jù)處理；理想實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者的物理知識(shí)和哲學(xué)修養(yǎng)的完美統(tǒng)一，實(shí)驗(yàn)者通過(guò)不斷地嘗試和實(shí)踐，可以達(dá)到既精通專(zhuān)業(yè)知識(shí)，又提升哲學(xué)修養(yǎng)的目的；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備的不斷改進(jìn)和更新，實(shí)驗(yàn)方法、手段的不斷進(jìn)步和提高，有的理想實(shí)驗(yàn)可以成為真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的前導(dǎo)，使得科學(xué)發(fā)展少走彎路。例如，說(shuō)明量子幾率波的單電子衍射實(shí)驗(yàn)最先就是作為理想實(shí)驗(yàn)提出來(lái)的，1949年前蘇聯(lián)科學(xué)家就具體地完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，并觀察到單電子的衍射。

3 理想實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要作用

物理教學(xué)不僅是傳授知識(shí)的過(guò)程，更重要的是教會(huì)學(xué)生學(xué)會(huì)思考。理想實(shí)驗(yàn)作為一種重要的邏輯思維方式，它對(duì)學(xué)生掌握物理知識(shí)和規(guī)律，提升思維能力，掌握科學(xué)研究方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的懷疑與批判精神具有重要的幫助作用，因此理應(yīng)在教學(xué)中加以運(yùn)用。

3.1 運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)巧妙呈現(xiàn)物理知識(shí)和規(guī)律

物理學(xué)知識(shí)的呈現(xiàn)大多較為理論化，學(xué)生接受不是十分容易，同時(shí)又會(huì)被實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)條件所限致使知識(shí)具體化不太可能，但理想實(shí)驗(yàn)就可以很好地解決這些困難。例如，講解“人造地球衛(wèi)星上天”的若干知識(shí)時(shí)，倘若教師采用播放衛(wèi)星上天的視頻片段來(lái)輔助教學(xué)，最終學(xué)生了解的可能是衛(wèi)星上天的幾個(gè)過(guò)程，但對(duì)衛(wèi)星在天上飛行為何“不墜落”或“不被甩掉”等問(wèn)題就不能理解了。此時(shí)，進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)就可以解決以上問(wèn)題。先讓學(xué)生設(shè)想空間是理想化的，無(wú)任何障礙的；然后把高山頂拋球的那個(gè)人理想化成“大力士”；再結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律想象軌道隨速度改變逐漸變化，當(dāng)速度達(dá)到某一定值時(shí)，此球?qū)⒀啬硞€(gè)軌道運(yùn)動(dòng)而不墜落；最后想象當(dāng)球的運(yùn)動(dòng)由非圓軌道轉(zhuǎn)化成圓軌道時(shí)發(fā)生了質(zhì)的變化，既不會(huì)墜落也不會(huì)被甩掉。

理想實(shí)驗(yàn)具有其深刻的思想性，蘊(yùn)含著與“實(shí)際實(shí)驗(yàn)”對(duì)應(yīng)的諸多物理規(guī)律。有的物理規(guī)律運(yùn)用常規(guī)方法推導(dǎo)不僅繁雜且無(wú)必要，理想實(shí)驗(yàn)則可以很好地解決這些問(wèn)題。例如，關(guān)于凸透鏡成像中物像移動(dòng)的速度關(guān)系問(wèn)題，應(yīng)用數(shù)學(xué)運(yùn)算比較繁瑣且不易發(fā)現(xiàn)規(guī)律。我們可以幫助學(xué)生設(shè)計(jì)這樣的理想實(shí)驗(yàn)：一個(gè)人從無(wú)限遠(yuǎn)處沿主軸向凸透鏡勻速走來(lái)，開(kāi)始成像在焦點(diǎn)附近，是個(gè)小點(diǎn)，然后這個(gè)小點(diǎn)逐漸變大，但因?yàn)樾↑c(diǎn)的腳步頻率與人走動(dòng)的頻率是一樣的，所以在成縮小實(shí)像時(shí)，像移動(dòng)的速度始終小于人的運(yùn)動(dòng)速度；當(dāng)成放大的實(shí)像時(shí)，實(shí)像如同巨人一般，人和這巨人的腳步頻率仍然一樣，但這時(shí)像移動(dòng)的速度大于人移動(dòng)的速度，由此可見(jiàn)：實(shí)像移動(dòng)速度和人的移動(dòng)速度滿足v'=mv（m為像相對(duì)物的放大倍數(shù)）。巧妙設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)還可以鞏固一些物理規(guī)律，或讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到某些規(guī)律的局限性。

3.2 運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的想象力與邏輯思維能力

課堂教學(xué)中巧妙設(shè)計(jì)一些具有情感色彩的理想實(shí)驗(yàn)可以活躍氣氛，融洽師生感情，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性。

理想實(shí)驗(yàn)是一種創(chuàng)造性的思維活動(dòng)，其構(gòu)思過(guò)程是想象與邏輯思維相互作用的結(jié)果，是在邏輯的“規(guī)范”下，頭腦中形成有條理的思維圖景，想象并做出科學(xué)創(chuàng)造的前奏。任何一個(gè)新理論的產(chǎn)生，新思想的提出都是運(yùn)用想象來(lái)對(duì)已有知識(shí)進(jìn)行合理猜想與推測(cè)的結(jié)果；缺乏想象，縱然有大量的事實(shí)，也只能永遠(yuǎn)徘徊在事實(shí)的“海洋”中，不能超越現(xiàn)有的事實(shí)和理論束縛，不能產(chǎn)生創(chuàng)新思想和創(chuàng)新行為。因此，豐富的想象力和邏輯思維能力是進(jìn)行理想實(shí)驗(yàn)的前提。物理教學(xué)中適時(shí)引入理想實(shí)驗(yàn)，透徹地分析理想實(shí)驗(yàn)案例，研究大師們?cè)O(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)的邏輯思維方法，教學(xué)生在頭腦中“想象”理想實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程，幫助學(xué)生沖破已有理論對(duì)自己思維的影響，保持思維的深刻性、靈活性、敏捷性，從而使學(xué)生通過(guò)符合邏輯的想象，對(duì)物理理論和實(shí)驗(yàn) （實(shí)際） 事實(shí)有深刻的理解，想象力與邏輯思維能力得以提升。

3.3 運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的懷疑與批判精神

理想實(shí)驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)者在對(duì)現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)透徹理解與熟練掌握的基礎(chǔ)上借助思維的主觀能動(dòng)性進(jìn)行的科學(xué)命題，是實(shí)驗(yàn)者對(duì)現(xiàn)有理論的懷疑、批判和繼承，反映的是創(chuàng)新思維的成果。在物理教學(xué)中引入理想實(shí)驗(yàn)，就是要學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)和研究科學(xué)家設(shè)計(jì)理想實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思與推理過(guò)程，在大腦中形成求異的新思路。但眾所周知，新思路的形成不能一蹴而就，必須進(jìn)行學(xué)習(xí)、研究、思索，必須用懷疑的態(tài)度和批判的精神審視現(xiàn)有的理論，對(duì)現(xiàn)有理論的質(zhì)疑越多，大腦的信息儲(chǔ)備也就越多，出現(xiàn)“閃光”點(diǎn)的機(jī)會(huì)也就越多。因此，在教學(xué)中運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，鍛煉學(xué)生的懷疑與批判精神是非常有效的舉措。

4 結(jié)束語(yǔ)

理想實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)發(fā)展中的作用確實(shí)很大，有效地推動(dòng)物理學(xué)向前發(fā)展。理想實(shí)驗(yàn)在豐富物理教學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的想象力與邏輯思維能力，更培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新能力，鍛煉了他們的懷疑與批判精神。

但理想實(shí)驗(yàn)也有一定的局限性。在教學(xué)中我們必須使學(xué)生明白理想實(shí)驗(yàn)并不是檢驗(yàn)物理學(xué)理論真理性的標(biāo)準(zhǔn)，它只是物理學(xué)理論研究的一種思維方法，只有在一定的條件下被轉(zhuǎn)化為真實(shí)實(shí)驗(yàn)之后，才能作為檢驗(yàn)理論正確與否的標(biāo)準(zhǔn)。

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（欄目編輯 羅琬華）