对物理实验的几点看法
清华大学物理系 郭奕玲 沈慧君
一 物理学是以实验为本的科学
"物理学是以实验为本的科学",这一精辟论述出自诺贝尔物理学奖获奖者,理论物理学家杨振宁教授的一则题词,它表达了物理学界的共同见解,抓住了物理学的根本特征,很多物理学先辈都有类似看法.在物理学的发展中,实验起过重要作用,现在正在起着,将来也还要起重要作用,这一点对于物理学家大概是没有争论的.但是在物理教育中是否贯彻了这个精神,学生在学了物理之后,是否都有比较正确的认识,却是很值得思考的问题.怎样使学生正确地认识科学实验,重视实验,以至于热爱实验工作,是一个很值得我们认真探讨的问题.
首先要说明提高认识的重要性.
物理学是不是以实验为本,它涉及到什么是物理学这一根本性问题.学习物理学,不了解物理学是什么:不懂得物理学的知识是从那里来的;不认识物理学仍是一门正在发展中的科学;不了解它的发展既要靠理论的研讨,更要靠实验的探索,我想这样很难达到学习物理的真正目的.要知道,物理学不仅要为后续课程准备必要的基础知识,也要为学生正确认识世界,建立正确的世界观,掌握正确的科学方法打好基础.物理学不仅是自然科学的基础,也是人类文化的重要组成部分.
物理概念,物理定律以及把概念和定律经数学逻辑联系在一起的理论体系无疑是物理学的主体.但是这些概念,定律和理论体系必须以大量客观事实为基础,必须正确反映客观规律,必须经受实践的检验,并且通过实践检验确定其适用范围.不仅在历史发展的过程中是这样,在教学中也应充分阐明.如果只是从概念到概念,一个理论接着一个理论,在学生面前,物理学只剩下一个空的骨架,他们就可能误认其为绝对真理,把物理的精华当作教条来背诵.更不要说,把物理看成"无理",只剩下成千上万道纸上谈兵的数学题.我们提倡用历史的观点来认识物理学,从历史的角度来讲授物理学,正是为了避免这样的后果.要全面阐述物理学发展的辩证过程,当然要把实验和理论之间的相辅相成,互相促进的关系充分加以揭示.做到这一点,对提高学生的认识,增进学生对物理学的理解必然大有益处.
怎样提高对实验的认识呢
物理教学中实验是重要的组成部分,从中学到大学都普遍设立物理实验室.国家花了很大力气生产制造实验仪器,装备各类实验室,定员定编,许多大学物理实验单独设课,考试评分,措施可谓得力矣.这些年来,实验教学的质量确也有所提高.但是有了措施,并不一定就能保证取得良好的教学效果,还需要做许多深入细致的工作.其中包括端正学生对实验的认识,提高学生对实验的兴趣,单独设课,有利也有弊,讲课与实验脱节,很可能使实验教学更趋向技术性,课堂则更理论化.作为基础教学,这样发展下去,恐怕会产生不良的副作用.大学是这样,中学似乎也应该注意这类问题.
在目前的条件下,只有讲课和实验课双方都重视全面地教育学生,才有利于学生的成长.换句话说,提高学生对实验的认识,不仅是实验教学的任务,也要在讲课中注意贯彻.
下面分几方面来探讨这个问题.
(1)在讲课中要讲清理论的基础是实验
科学理论是怎样建立的呢 不同的学科经过的途径有所不同,但也一些共同的地方,例如,首先要在实验和实践的基础上总结归纳出若干主要的定律或定理,然后通过假说把主要的定律或定理连接在一起,以形成一个统一的体系.这个体系就是该学科的理论体系.例如:开普勒以第谷的天文学观测作为依据,得到行星运动三定律.笛卡儿和伽利略从大量实践总结得到惯性定律,伽利略又根据实验和逻辑推理提出落体定律.牛顿在他们的基础上进一步提出万有引力定律和牛顿三定律,惯性和万有引力实际上都是以假说的形式提出的.经过一系列实践和实验的检验,这些假说和定律最后形成了牛顿力学体系.热学起源于人类对冷热现象的探索.通过观察和实践, 人们积累了大量有关热学的知识,后来发展了测温学和量热学, 并通过大量热学实验, 检验了若干关键性的假说,例如:热质说,运动说,阿佛加德罗假说等等,形成了相当于牛顿三定律的几个热力学定律,热学才逐渐成为一门完整的学科——热力学.
电磁学的发展也是一个极好的例子.麦克斯韦电磁场理论建立在库仓,安培,奥斯特,法拉第等人大量实验研究的基础上,并且得到了诸如赫兹电磁波实验的检验.
量子论的建立涉及到黑体辐射,光电效应,固体比热和原子光谱等等实验研究的成果.学生在学习过程中经常会提出这样一些问题,为什么是在19/20世纪之交发生物理学的这场革命 为什么量子概念是从热辐射这一特殊领域首先产生 有没有历史的必然性 如果适当地说明历史背景,必将有助于学生的理解.例如,说明当时实验已达到相当的水平,已经能够反映微观世界的特性,有的甚至反映得很精确.光谱学,包括紫外光谱,红外光谱和X射线谱的研究以及真空,低温,电磁测量等技术的发展,已经使人们有可能进行热辐射,光电效应,低温下固体比热,康普顿散射等方面的实验研究,从而得到一系列经典物理学无法解释的新结果.

下一页