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摘 要：理想实验作为一种科学方法是物理教学中的重要内容，在物理课程的发展中有独特的优势，让学生理解掌握物理实验并应用它能够有效启迪学生智慧，开拓思维，提高想象力和创造力，本文探讨了理想实验在高校物理教学中的运用。
关键词：理想实验；物理教学；作用
G633.7
物理学的授课中除了理想模型之外，为了顺利开展物理教学，通常也会用到理想实验。理想实验其实就是思维中塑造实验的过程，通过理性的分析揭秘物理学中内在的联系，并不需要实际的操作过程，人们可以假设实验装置，并且以假设作为基礎，根据相关的理论进行推论，但是理想实验并不是不切实际的主观臆想，它以科学的实验作为基础，在思维中塑造理想，本文通过对理想实验应用的研究，唤醒广大师生对这一方法的重视，并作用于物理教学和学习。
一、理想实验在高校物理教学中的应用
1. 在总结物理规律方面的应用
首先，用来研究物理规律的类型。物理规律反应物理概念之间的内在联系，代表着物理现象发展的趋势，包含定理、假说、法则等，主要类型有：第一，运用实验归纳物理规律，例如，库伦定律，安培定则、光的反射、热力学定律等。第二，运用逻辑推理得到的物理定理例如，动能定理及理想气体的状态方程等等。第三，将一些定理作为基础，抽象出某个领域的宏观规律，例如，分子动理论、光的波动说等。第四，将普遍认可的物理规律作为别的规律的基础，通常使用定律或者方程等来命名，例如，热平衡方程、牛顿第一定律等。这些规律都是透过现象看本质，经过实践检验的，但是随着科技的发展，这些理论也只是相对真理。
其次，用来归纳物理规律的方法。概念及规律是物理学的主干部分，规律的总结过程需要在教师的引导下，结合学生的认知规律，常用的总结方法有：假说法，逻辑推演法、理想实验法等等。理想实验作为总结物理学规律的重要方法之一，是建立在事实基础上的发挥思维的重要作用，揭示规律的内在联系。例如，伽利略就是运用理想实验总结出规律，将两个质量不同的物体，在忽略空气阻力的情况下，让其下落，那么这一运动的加速度是重力加速度，也是匀变速直线运动。虽然这一假设的情况并不存在于现实中，是理想情况下进行的思维实验，但是这是合乎实际的想象。通过运用理想实验，伽利略归纳出，力的作用主要在于改变物体运动状态和速度，物体的运动并不需要依靠力来维持，也就是惯性定律。牛顿在总结前人基础上指出牛顿三大定律：所有物体都是保持匀速直线运动或者静止的状态，直到有力作用于其上迫使改变，也就是牛顿的惯性定律。
2. 在建立物理概念方面
皮亚杰的认知发展阶段论研究表明，初中学生的物理思维方式主要以形式运算为主。但是根据相关研究证实，美国初中生只有13.2%，即便是高中生也只有15%的人能够真正意义上达到形式运算阶段。研究甚至表明大学生中能够达到形式思维运算的也只有22%。根据我国的调查显示，我国大学生生中大概还有一半的学生仍然处于具体思维运算阶段。在目前大学扩招的情况下，特别在专科类学校的学生中，学生在理化等基础普遍较弱，此类学校的几乎大部分的学生都还是处在具体运算阶段，思维的片面性和想象能力相对缺乏。学生思维能力比较肤浅，大多数时候都需要具体的事物来辅助想象，认知能力有限，所以物理教师应该结合不同阶段学生的思维方式的特点，增强物理概念的直观性和形象性。而理想实验恰恰是建立在学生对真实实验感知的基础上的合乎逻辑的想象，在进行物理知识授课时，可以借助理想实验的实践性，有效结合形象和具体思维，让学生建立物理概念，激发学生对物理课堂的热爱。
在讲解爱因斯坦的狭义相对论的时候，首先要介绍相对性原理和光速不变性原理，相对性原理正是从理想实验中得出来的。理想实验应该是这样设计的，假设天空中的闪电同时下击东西方向铁路，第一位观察者在铁路旁边，同时也在闪电中间，那么他看到闪电同时发生，另外一个观察者在火车上，经过第一个人的对面，在他看来，闪电并非同时，东方闪电没有到达时，车已经过去，第二个人在远离东方闪电，也就是说对于静止的人来说，闪电是同时的，对于高速运动的人来说，闪电有先后，再进一步假设，火车是光速行使，那么第二个人根本看不到东方的闪电，这个理想实验能够得出同时是相对的，并不是绝对相对性。
3. 在创造性解答物理问题方面
很多的物理问题中的状态、过程都是多个要素和关系的交叉体，比较复杂，在分析相关问题时一方面要注意物理问题涉及到的各个要素和关系，另一方面还要考虑到他们之间的关系变化，在实际解决起来错综复杂。设计合理的理想实验能够结合问题的特点，将其关系到的状态及对象放置在绝对理想的环境下，那么就会让问题变得简单。
例如，假设桌子上有一个U型管，里面装着水银，将U型管的两端口封闭，同时，两边存有一段空气，最初，右端口的水银比左端口的水银高，设高出的高度的h，被封闭的两端的空气温度一样，那么如果使两边的空气温度同时下降，那么两端的高度差怎么变化？这里我们就可以根据器材帮助学生设计理想实验，因为下降的温度是不确定的，那么就可以假设都下降到绝对0度，这样，U型管两端的压强都会变成0Pa，因为0度的情况下，水银分子就不会运动，压强也就为0。既然压强为0，那么两端的水银也就不存在高度差了，h=0，所以利用这个理想实验能够得出结论。
再比如，有一质量是M的木杆静止不动地挂在房顶上，一只猫的质量是m跳起抓住杆子，这样导致木杆掉落，如果猫离着地面的高度不发生变化，怎么解释木杆下降的加速度？
这个问题中讲述的情况几乎在现实中不存在，这种情况下，物理老师需要帮助学生建立理想实验的思维模式，根据题目中的要求和画面，想象出类似的物理场景，结合牛顿的第二定律，做出判断，木杆下降的加速度肯定要比只承受重力的时候的加速度大，在此，使用物理实验能够帮助学生勾勒出物体运动的画面，提高他们建立模型的能力，发挥想象。 4. 在辅助真实实验方面
实验研究法是物理学很重要的研究方法，帮助学生掌握研究及实验方法，根据研究客体的分类可以将实验分为直接和间接两类，一般说的实验大多数都是指直接实验，间接试验主要指模拟实验和理想实验，在一定程度上来说，模拟和理想实验都是对真实实验的补充，在这里探究理想实验的辅助作用。
新課改后，高校物理实验课程中增加了探究性实验，由于其结果的未知性，增加了实验过程的难度，再者实验课堂时间有限，这对学生和老师的要求更高。学生在进行探究性实验之前需要预先设计实验过程，这就需要借助理想实验精心设计每个环节。
现实中的真实物理实验有时候受到实验器材、方法等方面的限制，容易出现误差，但是，理想实验正弥补了这点不足，它不需要真实的实验设备，操作的方法及环境要求都在完全理想状态下进行，这样就避免了误差的出现，这也为真实实验的误差弥补和分析提供了标准。比如，在验证机械能守恒时，多种方法的实验都会受到各种问题的限制，势能的减小总是大于动能的增加量，这就意味着出现机械能减小。但是，假设预先对物体的下落做一个理想实验，那么在理想实验的过程中，就能够及时察觉到，在真实的实验条件下，纸带和打点计时器中间会有摩擦，正是这个摩擦力导致机械能减少。除此之外，物体在下落的过程中，由于真实条件下空气阻力的存在，导致机械能被消耗，所以减少，根据理想实验的结论，就可以发现真实实验的误差原因，及时更改，完善实验，尽量减少误差。这样可以帮助学生深入思考，提高形象思维能力，从而得出结论。
在物理教学实验过程中，很多实验只能进行定性的研究和演示，很难进行定量观察。所以教学中会有这样的说法，大量精确实验表明，实际上这种说法不准确，物理老师也无奈，所以在教学中可以引导学生通过理想实验，推理各种物理量的联系，这样能够弥补演示实验的缺陷。
5. 理想实验可以调节课堂氛围，激发学生学习的兴趣
理想实验设置科学合理可以有效活跃课堂氛围，增进师生感情，激发学生的兴趣，提高情商和智商的可塑性，能够影响学生今后的学习甚至工作。还可以借助现代科技设计色彩动画，能够拓宽学生思维。对于很多难以理解的内容，借助理想实验可以出于简单归于深奥，比如，麦克斯韦进行的理想实验用鲜明的图像解释了热力学定律，作为信息论的先导。
二、结语
运用理想实验教学需要教师在教学中引领学生树立创新思维，一方面创造性使用教材中的理想实验，另一方面，大胆创造新的理想实验，活跃学生的思维，此外， 随着科学技术的发展，多媒体教学方式的应用，还可以使用三维动画的方式进行理想实验，但是注意理想实验设计要符合科学规律，帮助学生运用科学的思维方式。
参考文献：
[1] 束炳如等，物理学家传.长沙：湖南教育出版社，19855.67～73.
[2] 戴军，徐余春，漫谈理想实验[M].南宁：广西教育出版社.
[3] 孙海梅，张国文，物理学发展中的理想实验[M].北京：清华大学出版社.
[4] 梅森.自然科学史[M].上海：上海译文出版社，1980：40-41.
[5] 祝娅，物理发展中的哲学和创造性思维 [M].北京：知识产权出版社，2011：206，208-209.
[6] 曾志旺，徐立海.理想实验与中学物理教学[J].物理教学探讨，2005（5）：3-4.
作者简介：石应基 男 1986年6月15日出生 主要从事物理教学工作
关键词：理想实验；物理教学；作用
G633.7
物理学的授课中除了理想模型之外，为了顺利开展物理教学，通常也会用到理想实验。理想实验其实就是思维中塑造实验的过程，通过理性的分析揭秘物理学中内在的联系，并不需要实际的操作过程，人们可以假设实验装置，并且以假设作为基礎，根据相关的理论进行推论，但是理想实验并不是不切实际的主观臆想，它以科学的实验作为基础，在思维中塑造理想，本文通过对理想实验应用的研究，唤醒广大师生对这一方法的重视，并作用于物理教学和学习。
一、理想实验在高校物理教学中的应用
1. 在总结物理规律方面的应用
首先，用来研究物理规律的类型。物理规律反应物理概念之间的内在联系，代表着物理现象发展的趋势，包含定理、假说、法则等，主要类型有：第一，运用实验归纳物理规律，例如，库伦定律，安培定则、光的反射、热力学定律等。第二，运用逻辑推理得到的物理定理例如，动能定理及理想气体的状态方程等等。第三，将一些定理作为基础，抽象出某个领域的宏观规律，例如，分子动理论、光的波动说等。第四，将普遍认可的物理规律作为别的规律的基础，通常使用定律或者方程等来命名，例如，热平衡方程、牛顿第一定律等。这些规律都是透过现象看本质，经过实践检验的，但是随着科技的发展，这些理论也只是相对真理。
其次，用来归纳物理规律的方法。概念及规律是物理学的主干部分，规律的总结过程需要在教师的引导下，结合学生的认知规律，常用的总结方法有：假说法，逻辑推演法、理想实验法等等。理想实验作为总结物理学规律的重要方法之一，是建立在事实基础上的发挥思维的重要作用，揭示规律的内在联系。例如，伽利略就是运用理想实验总结出规律，将两个质量不同的物体，在忽略空气阻力的情况下，让其下落，那么这一运动的加速度是重力加速度，也是匀变速直线运动。虽然这一假设的情况并不存在于现实中，是理想情况下进行的思维实验，但是这是合乎实际的想象。通过运用理想实验，伽利略归纳出，力的作用主要在于改变物体运动状态和速度，物体的运动并不需要依靠力来维持，也就是惯性定律。牛顿在总结前人基础上指出牛顿三大定律：所有物体都是保持匀速直线运动或者静止的状态，直到有力作用于其上迫使改变，也就是牛顿的惯性定律。
2. 在建立物理概念方面
皮亚杰的认知发展阶段论研究表明，初中学生的物理思维方式主要以形式运算为主。但是根据相关研究证实，美国初中生只有13.2%，即便是高中生也只有15%的人能够真正意义上达到形式运算阶段。研究甚至表明大学生中能够达到形式思维运算的也只有22%。根据我国的调查显示，我国大学生生中大概还有一半的学生仍然处于具体思维运算阶段。在目前大学扩招的情况下，特别在专科类学校的学生中，学生在理化等基础普遍较弱，此类学校的几乎大部分的学生都还是处在具体运算阶段，思维的片面性和想象能力相对缺乏。学生思维能力比较肤浅，大多数时候都需要具体的事物来辅助想象，认知能力有限，所以物理教师应该结合不同阶段学生的思维方式的特点，增强物理概念的直观性和形象性。而理想实验恰恰是建立在学生对真实实验感知的基础上的合乎逻辑的想象，在进行物理知识授课时，可以借助理想实验的实践性，有效结合形象和具体思维，让学生建立物理概念，激发学生对物理课堂的热爱。
在讲解爱因斯坦的狭义相对论的时候，首先要介绍相对性原理和光速不变性原理，相对性原理正是从理想实验中得出来的。理想实验应该是这样设计的，假设天空中的闪电同时下击东西方向铁路，第一位观察者在铁路旁边，同时也在闪电中间，那么他看到闪电同时发生，另外一个观察者在火车上，经过第一个人的对面，在他看来，闪电并非同时，东方闪电没有到达时，车已经过去，第二个人在远离东方闪电，也就是说对于静止的人来说，闪电是同时的，对于高速运动的人来说，闪电有先后，再进一步假设，火车是光速行使，那么第二个人根本看不到东方的闪电，这个理想实验能够得出同时是相对的，并不是绝对相对性。
3. 在创造性解答物理问题方面
很多的物理问题中的状态、过程都是多个要素和关系的交叉体，比较复杂，在分析相关问题时一方面要注意物理问题涉及到的各个要素和关系，另一方面还要考虑到他们之间的关系变化，在实际解决起来错综复杂。设计合理的理想实验能够结合问题的特点，将其关系到的状态及对象放置在绝对理想的环境下，那么就会让问题变得简单。
例如，假设桌子上有一个U型管，里面装着水银，将U型管的两端口封闭，同时，两边存有一段空气，最初，右端口的水银比左端口的水银高，设高出的高度的h，被封闭的两端的空气温度一样，那么如果使两边的空气温度同时下降，那么两端的高度差怎么变化？这里我们就可以根据器材帮助学生设计理想实验，因为下降的温度是不确定的，那么就可以假设都下降到绝对0度，这样，U型管两端的压强都会变成0Pa，因为0度的情况下，水银分子就不会运动，压强也就为0。既然压强为0，那么两端的水银也就不存在高度差了，h=0，所以利用这个理想实验能够得出结论。
再比如，有一质量是M的木杆静止不动地挂在房顶上，一只猫的质量是m跳起抓住杆子，这样导致木杆掉落，如果猫离着地面的高度不发生变化，怎么解释木杆下降的加速度？
这个问题中讲述的情况几乎在现实中不存在，这种情况下，物理老师需要帮助学生建立理想实验的思维模式，根据题目中的要求和画面，想象出类似的物理场景，结合牛顿的第二定律，做出判断，木杆下降的加速度肯定要比只承受重力的时候的加速度大，在此，使用物理实验能够帮助学生勾勒出物体运动的画面，提高他们建立模型的能力，发挥想象。 4. 在辅助真实实验方面
实验研究法是物理学很重要的研究方法，帮助学生掌握研究及实验方法，根据研究客体的分类可以将实验分为直接和间接两类，一般说的实验大多数都是指直接实验，间接试验主要指模拟实验和理想实验，在一定程度上来说，模拟和理想实验都是对真实实验的补充，在这里探究理想实验的辅助作用。
新課改后，高校物理实验课程中增加了探究性实验，由于其结果的未知性，增加了实验过程的难度，再者实验课堂时间有限，这对学生和老师的要求更高。学生在进行探究性实验之前需要预先设计实验过程，这就需要借助理想实验精心设计每个环节。
现实中的真实物理实验有时候受到实验器材、方法等方面的限制，容易出现误差，但是，理想实验正弥补了这点不足，它不需要真实的实验设备，操作的方法及环境要求都在完全理想状态下进行，这样就避免了误差的出现，这也为真实实验的误差弥补和分析提供了标准。比如，在验证机械能守恒时，多种方法的实验都会受到各种问题的限制，势能的减小总是大于动能的增加量，这就意味着出现机械能减小。但是，假设预先对物体的下落做一个理想实验，那么在理想实验的过程中，就能够及时察觉到，在真实的实验条件下，纸带和打点计时器中间会有摩擦，正是这个摩擦力导致机械能减少。除此之外，物体在下落的过程中，由于真实条件下空气阻力的存在，导致机械能被消耗，所以减少，根据理想实验的结论，就可以发现真实实验的误差原因，及时更改，完善实验，尽量减少误差。这样可以帮助学生深入思考，提高形象思维能力，从而得出结论。
在物理教学实验过程中，很多实验只能进行定性的研究和演示，很难进行定量观察。所以教学中会有这样的说法，大量精确实验表明，实际上这种说法不准确，物理老师也无奈，所以在教学中可以引导学生通过理想实验，推理各种物理量的联系，这样能够弥补演示实验的缺陷。
5. 理想实验可以调节课堂氛围，激发学生学习的兴趣
理想实验设置科学合理可以有效活跃课堂氛围，增进师生感情，激发学生的兴趣，提高情商和智商的可塑性，能够影响学生今后的学习甚至工作。还可以借助现代科技设计色彩动画，能够拓宽学生思维。对于很多难以理解的内容，借助理想实验可以出于简单归于深奥，比如，麦克斯韦进行的理想实验用鲜明的图像解释了热力学定律，作为信息论的先导。
二、结语
运用理想实验教学需要教师在教学中引领学生树立创新思维，一方面创造性使用教材中的理想实验，另一方面，大胆创造新的理想实验，活跃学生的思维，此外， 随着科学技术的发展，多媒体教学方式的应用，还可以使用三维动画的方式进行理想实验，但是注意理想实验设计要符合科学规律，帮助学生运用科学的思维方式。
参考文献：
[1] 束炳如等，物理学家传.长沙：湖南教育出版社，19855.67～73.
[2] 戴军，徐余春，漫谈理想实验[M].南宁：广西教育出版社.
[3] 孙海梅，张国文，物理学发展中的理想实验[M].北京：清华大学出版社.
[4] 梅森.自然科学史[M].上海：上海译文出版社，1980：40-41.
[5] 祝娅，物理发展中的哲学和创造性思维 [M].北京：知识产权出版社，2011：206，208-209.
[6] 曾志旺，徐立海.理想实验与中学物理教学[J].物理教学探讨，2005（5）：3-4.
作者简介：石应基 男 1986年6月15日出生 主要从事物理教学工作