物理专业理论课程教学中学生科学实验能力的培养

2022-09-12

1 物理理论课程教学与科学实验

物理学是实验科学，实验是物理学的基础。培养学生的科学实验的基本素质，使学生掌握基本的科学实验技能、实验的设计思想和基本的物理实验方法，是培养与提高学生的科学研究能力，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神的极其重要的教学任务。物理实验的装备及进行物理学实验的环境是物理学现象得以呈现的条件。理论课程中的物理学现象、定理、定义及其物理学定律，是人们对天然的或人造的物理学实验进行研究而发现的;脱离物理学实验而能有效地传授物理学知识是不可能的;认为理论课程的课堂教学不能培养学生的科学实验的基本素质、基本的科学实验技能、实验的设计思想和基本的物理实验方法，从而在理论课程中削弱实验的内容讲授是不正确的。

主要矛盾是事物发展变化的根本原因，决定着事物发展变化的规律和性质。物理实验的装备及进行物理学实验的环境是物理学现象得以呈现的条件，在物理学实验中要求科研工作者要有敏锐的洞察力，科学的思维方式方法，善于抓住物理过程中的主要矛盾或主要因素，建立起理想的物理实验——对实验理想化，才能去伪存真，发现新的物理学现象，揭示出现象中隐含的物理学规律。

很久以来，脱离或者削弱实验，借用数学工具，依赖逻辑演绎的方式向学生传授物理学知识，形成了物理专业理论课程教学的主要特征。这不利于培养学生的科学分析问题和解决问题的能力、进行创新的能力与实践的能力。在物理学理论课程的教学中，要重视物理学实验装置、实验方法的介绍，向学生灌输这样的思想：物理实验的装备及进行物理学实验的环境，既是物理学现象得以呈现的条件，也是科研工作者包括理论物理学家开展科学研究的重要条件。物理问题的提出及其解决，物理理论的正确性的检验无不依赖于物理实验。

2 理论课程教学中学生科学实验能力的培养

正确分析问题和解决问题的能力是从事科学研究、科学实验、创新知识、创新科技所应具备的基本素质之一，是否具备科学的分析问题和解决问题的方法是这一能力素质的重要体现。在物理学实验中，敏锐的洞察力，科学的思维方式方法，善于抓住物理过程中的主要因素从而建立起理想的物理实验或理想模型——对实验理想化，才能去伪存真，发现新的物理学现象，揭示出现象中隐含的物理学规律。在课程教学中，我们要着意于对具体实验的分析和处理，分析理想物理模型的建立对科学研究的重要性，使学生逐步掌握这一分析问题、处理问题的方法，从而提高学生科学实验的能力。

例1.力学中，为了研究物体在力作用下，其整体运动状态的改变与力的关系，建立起了质点模型;为了研究力矩对物体运动状态的影响，建立起了刚体模型，如此等等。可以说牛顿力学整个体系就是研究实物物体被抽象化后的对应体-理想模型的机械运动及其所遵循的动力学规律。

例2.原子物理学中，康普顿效应及康普顿对此效应的理论解析一直被认为是光的微粒性的有力证据之一，对支持近代物理学的建立方面有重大的贡献。从康普顿对此效应的实验的理论分析中，可以欣赏其处理实验、建立理想模型的智慧之光。康普顿效应被解析为X射线的光子同电子(原子核外的电子)碰撞的结果。氢原子核外的第一玻尔轨道上电子绕核运动的速度为2.19×106，以这一速度运行的物体远可以摆脱太阳系的束缚.但康普顿在处理和分析实验时，却把核外电子看成是静止的!抽象成X射线的光子同静止电子碰撞的这一理想实验模型，从而得以利用理论进行数学推演，成功地揭示出了康普顿效应的物理学机制.这一模型是建立在电子绕核运动的速度相比光速，是小得多的，并且在原子序数较低的原子中，电子的速度比碰撞后的速度小得多这个基础上的!

例3.原子物理学中，我们对卢瑟福在建立α粒子散射的具体实验与α粒子的一次散射理论的联系上，惊叹其处理问题的高超技艺，也可领略到对具体实验进行理想化的重要性。建立在原子核式结构的理论推导下的α粒子的一次散射理论，即卢瑟福的散射公式为

其中dσ是α粒子被一个原子核散射时，处于θ与θ+dθ之间那么一个立体角dΩ内的有效的微分截面。实际的α粒子散射的实验是α粒子受金属铂薄膜的散射，即α粒子的运动受大量铂原子的影响，这样的影响体现在α粒子受金属铂薄膜的散射是多次散射。无疑，理论处理多次散射是复杂的，也难以从α粒子多次散射中证明原子核式结构这一猜想的正确性。因此，卢瑟福对α粒子受金属铂薄膜的散射的这一具体实验进行理想化：设面积为A，厚度为t的金属铂薄膜中的原子对入射的α粒子前后不遮蔽，即α粒子穿过铂薄膜时只经过一次散射——理想化后的实验!由此得到理想化的实验与卢瑟福的散射公式相结合的结果

这一结果与实际的α粒子受金属铂薄膜的散射实验得到的结果，在大角散射上是相互符合的，从而证明了原子的核式结构.从此开始了原子物理学乃至近代物理学的新篇章。因为α粒子受金属铂薄膜的散射时，在有大角散射存在的情况下，小角散射可以忽略不计，故可认为α粒子只经过一次散射。理想化的实验正是这一实验现实的正确反映!

3 结语

在物理专业理论课程的教学中是能够培养学生的科学实验能力的，也应该引起物理理论课程教师的重视。在教学中详细地介绍实验装置或设备、实验条件或环境就是在介绍实验的设计思想;详细地介绍或分析科学家处理实验、分析实验得出结论的方法和过程，就是在使学生掌握基本科学实验技能和基本物理实验方法;现有教材中的习题，几乎都是已模型化的物理对象及已模型化的物理过程——已模型化了物理实验。改革教材中的习题，让习题来自具体的、现实的物理过程——现实的物理实验或生活中的实践事例，就是在培养学生的科学实验能力、创新知识、创新科技与实践的能力。

物理专业理论课程中，处处都能培养学生的科学实验能力，处处都是事例，在此不一一列举。作为物理学的教育工作者，我们应承担起培养学生不仅具有专业知识、专业技能，而且要具有创新知识、创新科技及其实践的能力的重任。

摘要：在物理专业理论课程的教学中, 要重视学生科学实验能力的培养, 使学生掌握基本科学实验技能、实验的设计思想和基本物理实验方法, 激发学生学习与探索的兴趣, 为创新科技、创新知识打下良好的基础.

关键词：物理专业,科学实验能力,理论课程教学,培养