物理理想实验及其教学功效探微

马利明　鲁鹏飞

摘 要：理想实验是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法，它在推动物理学发展上起着很重要的作用。理想实验较之实物实验有其明显的不可替代性；物理教学中运用理想实验对学生掌握物理知识和规律，提升逻辑思维能力，掌握科学研究方法，培养创新能力等具有重要的帮助作用。

关键词：理想实验；物理教学；功效

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2015）7-0042-3

众所周知，物理学是一门实证科学，它以观察、实验为基础，但就此认定它与思辨的哲学毫不相干，那是一种误解。因为物理学的每一次重大进步，都会带来哲学的巨大变革，如伴随着牛顿推理力学的巨大成功而产生的机械论哲学就是很好的实例。当然，哲学对物理学研究起到的指导作用，即作为构建物理学大厦必不可少的脚手架功效，更有理由让我们改变实验态度。我们既要重视利用现有技术可以实现的实验对科学发现的作用，也要认识到那些只具有原则上的可检验性，而在技术上尚无法实现的理想实验的价值。理想实验同样是获取知识的来源，在物理教学中必须得到重视。

1 理想实验概念界定及其哲学启示

“理想实验”又称思想实验、抽象实验等，它是人们在头脑中进行的一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法。在物理学发展史上，作为经典力学基础的惯性定律就是理想实验的一个重要结论；爱因斯坦建立狭义相对论，也曾作了关于同时性的相对性理想实验；量子论的建立也与理想实验密切相关，海森堡用来推导测不准关系的所谓电子束的单缝衍射实验就是一种理想实验。倘若我们细细去品味大师们的理想实验，就会更加深刻地体会到哲学与科学的相互依存，理想实验并非“胡想实验”，它带给了我们很多哲学启示。

1.1 科学观察是理想实验的根本

理想实验是物理学家追寻事物本源，揭示事物发展与变化的思维结晶。在这追寻与揭示的过程中，对事物的观察至关重要，因为观察会影响到通过观察所得出的结论是否正确。在观察过程中，人的主观因素往往决定着观察者对观察对象本质的理解，这种情形对于物理学家来说也不例外。

1.2 思维辨析是理想实验的基础

观察者遵循唯物主义完成对事物的观察后，接着就该对观察结果进行科学的思维辨析了，否则观察便失去了在理想实验中所必须具备的全部科学内涵，自然地就失去了科学观察的意义和作用。由此可见，思维辨析作为构成理想实验的基础，显然是由理想实验的属性所决定的。

爱因斯坦曾在《自述》中说：“像我这种类型的人，一生中主要的东西，正是在于他想的是什么和他是怎样想的，而不在于他所做的或者所经受的是什么。”这种极富哲理、内涵精深的著名论述，我们完全可以把它作为思维辨析的科学诠释。所谓“思维”就是“想什么”，而“辨析”则是“怎样想”。爱因斯坦是这样说的，也是这样做的。可见，思维辨析不仅仅是理想实验的基础，更应该是广大物理学研究者的思维基础。

1.3 创新精神是理想实验的精髓

纵观一个个理想实验，无不浸透着大师们独特的创新精神。这种精神用爱因斯坦的话来说就是“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，新的可能性，从新的角度去看问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。这段至理名言，不仅为我们揭示出了创新就是理想实验的精髓所在，更为我们深刻地指出了理想实验在整个物理学发展过程中的重要作用。理想实验本身就是为了解决新问题而设计出来的实验方案，在这个实验方案中，关键是设计出实验所需要的理想化了的条件，并在这个理想条件下去演绎实验，以便验证或解决所提出来的新问题。那么，如何设计出实验所需要的理想化了的条件呢？我们运用牛顿的话来说便是“自然界喜欢简单”。我们完全可以把牛顿的“简单化法则”运用到理想实验的条件设置当中，使我们设置的条件更加理想、更为简单，当然也就更有利于实验的演绎。实际上，这一实验条件简单化的过程本身就是一个完整的创新过程，它自然也是一种创新精神的体现。

2 理想实验与实物实验的区别和它的不可替代性

理想实验作为一种重要的科学研究方法，其精髓在于它是物理思想、数学演绎与一般性实验的巧妙结合，是连接抽象的逻辑思维和经验知识的枢纽。理想实验较之实物实验是有区别和明显的不可替代性的。

2.1 实物实验是一种实践活动，理想实验是一种思维活动

可操作性的实物实验是一种实践活动，是人们通过物化过程而进行的实验，它操作对象是真实的物理仪器和设备。理想实验则是一种思维活动，是人们在创造性思维活动中设想出来的，是现实中无条件物化的实验，它的操作对象一般是在真实科学实验基础上的延伸。例如，伽利略的“斜面实验”就是把实验事实和抽象思维结合起来，把研究的事物加以理想化，突出事物的主要特性，化繁为简，对客观对象的实际运动过程进行本质探究，从而更容易地认识其规律性。

2.2 理想实验较之实物实验的不可替代性

理想实验不受时空限制，不受客观条件制约，无需任何经费投入。实验者可以通过丰富的想象和严密的逻辑思维，随时在头脑中捕捉“灵感”，进行“实验”；理想实验能摆脱实物实验不确定性的影响，实验者可以通过对模型的“理想化”处理（如光滑表面、刚体、点电荷、理想气体等等）而完成实验，它没有误差，无需数据处理；理想实验是实验者的物理知识和哲学修养的完美统一，实验者通过不断地尝试和实践，可以达到既精通专业知识，又提升哲学修养的目的；随着科学技术的发展，物理实验仪器、设备的不断改进和更新，实验方法、手段的不断进步和提高，有的理想实验可以成为真实物理实验的前导，使得科学发展少走弯路。例如，说明量子几率波的单电子衍射实验最先就是作为理想实验提出来的，1949年前苏联科学家就具体地完成了这个实验，并观察到单电子的衍射。

3 理想实验在物理教学中的重要作用

物理教学不仅是传授知识的过程，更重要的是教会学生学会思考。理想实验作为一种重要的逻辑思维方式，它对学生掌握物理知识和规律，提升思维能力，掌握科学研究方法，培养创新能力，锻炼学生的怀疑与批判精神具有重要的帮助作用，因此理应在教学中加以运用。

3.1 运用理想实验巧妙呈现物理知识和规律

物理学知识的呈现大多较为理论化，学生接受不是十分容易，同时又会被实时实验条件所限致使知识具体化不太可能，但理想实验就可以很好地解决这些困难。例如，讲解“人造地球卫星上天”的若干知识时，倘若教师采用播放卫星上天的视频片段来辅助教学，最终学生了解的可能是卫星上天的几个过程，但对卫星在天上飞行为何“不坠落”或“不被甩掉”等问题就不能理解了。此时，进行理想实验就可以解决以上问题。先让学生设想空间是理想化的，无任何障碍的；然后把高山顶抛球的那个人理想化成“大力士”；再结合平抛运动规律想象轨道随速度改变逐渐变化，当速度达到某一定值时，此球将沿某个轨道运动而不坠落；最后想象当球的运动由非圆轨道转化成圆轨道时发生了质的变化，既不会坠落也不会被甩掉。

理想实验具有其深刻的思想性，蕴含着与“实际实验”对应的诸多物理规律。有的物理规律运用常规方法推导不仅繁杂且无必要，理想实验则可以很好地解决这些问题。例如，关于凸透镜成像中物像移动的速度关系问题，应用数学运算比较繁琐且不易发现规律。我们可以帮助学生设计这样的理想实验：一个人从无限远处沿主轴向凸透镜匀速走来，开始成像在焦点附近，是个小点，然后这个小点逐渐变大，但因为小点的脚步频率与人走动的频率是一样的，所以在成缩小实像时，像移动的速度始终小于人的运动速度；当成放大的实像时，实像如同巨人一般，人和这巨人的脚步频率仍然一样，但这时像移动的速度大于人移动的速度，由此可见：实像移动速度和人的移动速度满足v'=mv（m为像相对物的放大倍数）。巧妙设计理想实验还可以巩固一些物理规律，或让学生认识到某些规律的局限性。

3.2 运用理想实验激发学生的学习兴趣，培养学生的想象力与逻辑思维能力

课堂教学中巧妙设计一些具有情感色彩的理想实验可以活跃气氛，融洽师生感情，从而激发学生的学习积极性和主动性。

理想实验是一种创造性的思维活动，其构思过程是想象与逻辑思维相互作用的结果，是在逻辑的“规范”下，头脑中形成有条理的思维图景，想象并做出科学创造的前奏。任何一个新理论的产生，新思想的提出都是运用想象来对已有知识进行合理猜想与推测的结果；缺乏想象，纵然有大量的事实，也只能永远徘徊在事实的“海洋”中，不能超越现有的事实和理论束缚，不能产生创新思想和创新行为。因此，丰富的想象力和逻辑思维能力是进行理想实验的前提。物理教学中适时引入理想实验，透彻地分析理想实验案例，研究大师们设计理想实验的逻辑思维方法，教学生在头脑中“想象”理想实验的进行过程，帮助学生冲破已有理论对自己思维的影响，保持思维的深刻性、灵活性、敏捷性，从而使学生通过符合逻辑的想象，对物理理论和实验 （实际） 事实有深刻的理解，想象力与逻辑思维能力得以提升。

3.3 运用理想实验培养学生的创新能力，锻炼学生的怀疑与批判精神

理想实验是实验者在对现有理论和实验透彻理解与熟练掌握的基础上借助思维的主观能动性进行的科学命题，是实验者对现有理论的怀疑、批判和继承，反映的是创新思维的成果。在物理教学中引入理想实验，就是要学生通过学习和研究科学家设计理想实验的构思与推理过程，在大脑中形成求异的新思路。但众所周知，新思路的形成不能一蹴而就，必须进行学习、研究、思索，必须用怀疑的态度和批判的精神审视现有的理论，对现有理论的质疑越多，大脑的信息储备也就越多，出现“闪光”点的机会也就越多。因此，在教学中运用理想实验，对培养学生的创新能力，锻炼学生的怀疑与批判精神是非常有效的举措。

4 结束语

理想实验在物理学发展中的作用确实很大，有效地推动物理学向前发展。理想实验在丰富物理教学内容的同时，不仅培养了学生的想象力与逻辑思维能力，更培养了他们的创新能力，锻炼了他们的怀疑与批判精神。

但理想实验也有一定的局限性。在教学中我们必须使学生明白理想实验并不是检验物理学理论真理性的标准，它只是物理学理论研究的一种思维方法，只有在一定的条件下被转化为真实实验之后，才能作为检验理论正确与否的标准。

参考文献：

[1]陈明胜.理想实验及其在物理学发展中的巨大作用[J].黄冈师范学院学报，2008，（S1）：55.

[2]马书民，吴兴龙. 物理学史上的著名理想实验[J]. 物理通报，2013，（01）：116.

[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，（07）：9.

（栏目编辑 罗琬华）