物理學(xué)教育-物理教育專業(yè)課程

物理學(xué)研究雖然要從研究一個(gè)個(gè)自然現(xiàn)象，進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)“集郵”開始，但追求的是“思維經(jīng)濟(jì)”，追求利用簡(jiǎn)單的規(guī)律來描述復(fù)雜的世界。學(xué)習(xí)物理雖亦始于“集郵”但不能終于“集郵”，而要重視思維方式的訓(xùn)練與建構(gòu)。

撰文 | 陳征 (北京交通大學(xué)理學(xué)院) 、張玉峰 (北京教育科學(xué)研究院)、魏紅祥 (中國(guó)科學(xué)院物理研究所)

來源 | 選自《物理》2021年第1期

01 引言：一切自然科學(xué)都始于“集郵”

坊間相傳歐內(nèi)斯特·盧瑟福有句名言——“All Science is either physics or stamp collecting”1）。物理學(xué)者拿來和其他學(xué)科的朋友們開玩笑時(shí)，有時(shí)會(huì)帶著調(diào)侃翻譯成“自然科學(xué)除了物理，其他只不過是集郵”，以試圖在餐桌上的“鄙視鏈”中贏得一個(gè)優(yōu)勢(shì)位置。不過細(xì)細(xì)品味，不難發(fā)現(xiàn)似乎所有的自然科學(xué)研究也確實(shí)均始于觀察紛繁復(fù)雜的自然現(xiàn)象，是從“集郵”入手的； 在“集郵”的基礎(chǔ)上經(jīng)歷抽象、概括、歸納形成能反映自然界規(guī)律的知識(shí)。這一過程也正如美國(guó)認(rèn)知結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)理論創(chuàng)始人布魯納 (Bruner) 所說，知覺過程就是在習(xí)得新信息的基礎(chǔ)上對(duì)客體加以歸類的過程[1]。

探索自然必然要從一個(gè)個(gè)自然現(xiàn)象的細(xì)節(jié)入手，盡可能多地掌握每個(gè)自然現(xiàn)象在不同條件下的各種情況。比如當(dāng)一束光從空氣射入水中時(shí)，在空氣與水的界面會(huì)發(fā)生偏折，對(duì)于許多不同的入射角度，偏折程度也各自不同；如果把水換成油、透明的玻璃或是其他東西，偏折的情況又會(huì)有所不同。在各種界面上，關(guān)于每個(gè)入射角與折射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系就形成一些關(guān)于實(shí)驗(yàn)事實(shí)的“知識(shí)”。物理學(xué)家需要做成百上千組實(shí)驗(yàn)來測(cè)定這些角度以收集這些“知識(shí)”，此過程類似于“集郵”。

千百年來煉金術(shù)士對(duì)物質(zhì)變化的“集郵”，為近代化學(xué)奠定了基礎(chǔ)；而博物學(xué)家采集的大量標(biāo)本則是近代生物學(xué)萌生的沃土。物理學(xué)也不例外，第谷詳盡的觀星數(shù)據(jù)為開普勒行星運(yùn)動(dòng)三定律的建立提供了可能，進(jìn)而促進(jìn)了經(jīng)典力學(xué)的發(fā)展；熱力學(xué)的興起也得益于蒸汽機(jī)的廣泛應(yīng)用和不斷革新……

02 “思維經(jīng)濟(jì)”是物理學(xué)的目標(biāo)和指導(dǎo)原則

物理學(xué)追求的目標(biāo)之一是簡(jiǎn)潔。物理學(xué)家的任務(wù)絕不是把每一個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)編成表格讓人們記住，這是不可能完成的任務(wù)。正如皮埃爾·迪昂在《物理學(xué)理論的目的與結(jié)構(gòu)》中所述：“人的心智面對(duì)不計(jì)其數(shù)的具體事實(shí)，每一個(gè)事實(shí)因由大量各種各樣的細(xì)節(jié)構(gòu)成而錯(cuò)綜復(fù)雜，沒有一個(gè)人能夠囊括和保留所有這些事實(shí)性知識(shí)，也沒有一個(gè)人能夠把這些知識(shí)傳達(dá)給他的同胞”[2]。

物理學(xué)家的打開方式是用抽象的方法從大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)當(dāng)中歸納、總結(jié)，去尋找普遍、共有的東西，把一大堆復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)“壓縮”成簡(jiǎn)單的命題，形成物理定律，從而大大減少對(duì)人心智資源的占用。如同前面的例子，當(dāng)知道入射光線、折射光線和法線在同一平面內(nèi)，并且 n1? sin i = n2? sin r ，那么我們就不必牢記光折射中每個(gè)具體的實(shí)際案例，只需要記住這條法則和相應(yīng)折射率的數(shù)值，便能夠在心理上重構(gòu)所有現(xiàn)在的和未來的情況，而這是件比較容易的事[3]。

物理學(xué)的目標(biāo)是掌握世間萬物的規(guī)律。可自然如此紛繁復(fù)雜，即便只關(guān)注其中相對(duì)不那么復(fù)雜的“非生命體”[4]，面對(duì)的情形也足以讓人目眩。僅僅通過一次“壓縮”，從自然事實(shí)歸納為物理規(guī)律仍然是不夠的。仍以光的折射現(xiàn)象為例，當(dāng)光不是從空氣射入水或油這樣的各向同性介質(zhì)，而是射入一些特殊的晶體，這些晶體又可以是單軸晶體或雙軸晶體、正晶體或負(fù)晶體，再考慮到入射光和折射光、反射光之間的偏振狀態(tài)以及旋光效應(yīng)、顯色偏振等等，每種情況都對(duì)應(yīng)著一系列的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，經(jīng)過歸納“壓縮”形成物理規(guī)律后，數(shù)量依然可觀。并且折射還只是光現(xiàn)象中的一種，光的發(fā)射、吸收、反射、干涉、衍射、散射、偏振，每一種都還會(huì)有一大堆物理定律，對(duì)人有限的心智依然是難以承擔(dān)的負(fù)荷。因此物理學(xué)家還要進(jìn)行第二次“壓縮”，把所有這些定律濃縮成少數(shù)“原理”，只要掌握了這些原理，通過有規(guī)則和可靠的計(jì)算，就可以從原理中提取出需要的定律。比如掌握了費(fèi)馬原理，那么幾何光學(xué)中的各種反射、折射定律大都能夠從中獲得。

這種“壓縮”被恩斯特·馬赫稱為“思維經(jīng)濟(jì)”，是物理學(xué)的目標(biāo)和指導(dǎo)原則。自然界的復(fù)雜程度之高和人類認(rèn)知能力之有限之間的終極矛盾，使得人類的物理學(xué)必然是一種“思維經(jīng)濟(jì)”。物理學(xué)家的工作，就是從對(duì)一個(gè)個(gè)自然現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)事實(shí)進(jìn)行“集郵”開始，歸納總結(jié)為物理定律；再在對(duì)物理定律“集郵”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象成為理論體系，最終用少數(shù)的幾條原理，通過可靠的規(guī)則和計(jì)算就能夠描述、解釋或者預(yù)測(cè)大多數(shù)自然現(xiàn)象，到這里工作才算完成。

03 物理教育同樣始于“集郵”，但應(yīng)終于“思想”

朝夕之間傳授幾十年功力的事情只能出現(xiàn)在武俠小說中，現(xiàn)實(shí)中讓一個(gè)對(duì)自然知之甚少的新手從一開始就掌握整個(gè)物理學(xué)的全貌是不可能的。所以物理教育必須從力、熱、聲、光、電、磁等一個(gè)個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理定律開始進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)“集郵”，這是物理教育的“起手式”。

然而民間有句俗話“練拳不練功，到老一場(chǎng)空”，如果我們的物理教育只聚焦在物理知識(shí)點(diǎn)“集郵”，恐怕是有違“思維經(jīng)濟(jì)”這一物理學(xué)的目標(biāo)和指導(dǎo)原則的。

站在學(xué)生的角度，幾十條定律、若干不同條件參數(shù)的排列組合已經(jīng)足夠海量，再加上一個(gè)過程中涉及不同定律的情形，如有質(zhì)量又帶電的小球在變化的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，或是在楊氏雙縫干涉光路中加入偏振片或波晶片等等。老師們雖然總結(jié)出了十幾種巧妙的解題方法，然而這些“一題一法”解題方法如此之多，又如此之巧，除了少數(shù)驚才絕艷的人中龍鳳，又有多少人能把它們正確地與所要解決的問題相匹配呢？于是多數(shù)人難免生出望而卻步之感，是以在網(wǎng)上流傳一副對(duì)聯(lián)，上聯(lián)：“游西湖，提錫壺，錫壺墜西湖，惜乎錫壺”；下聯(lián)：“學(xué)物理，入霧里，霧里看物理，勿理物理”，更有人加了個(gè)橫批——“珍愛生命，遠(yuǎn)離物理”。管中窺豹，可見人們對(duì)物理的畏懼之甚。

站在物理教育的角度，基礎(chǔ)教育階段的物理知識(shí)，大都是一兩百年以前的知識(shí)，很多站在現(xiàn)代物理學(xué)的角度看是不準(zhǔn)確的，如計(jì)算摩擦力的F=μ·N，摩擦力只和正壓力有關(guān)而和接觸面積無關(guān)，和實(shí)際情況多是不相符的；又如解釋飛機(jī)升力是用伯努利原理的推論“流速大的地方壓強(qiáng)小”，在現(xiàn)代流體力學(xué)的觀點(diǎn)看來也并不準(zhǔn)確等等。

那么，我們?yōu)槭裁催€要教授這些呢？基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生認(rèn)知能力有限，學(xué)生能理解的也往往只是比較直觀，與生活經(jīng)驗(yàn)比較接近的知識(shí)。這些和日常生活中的經(jīng)驗(yàn)比較接近，在一般生活問題中也基本夠用的知識(shí)對(duì)物理教育而言不是目的而是手段，是以這些知識(shí)的獲取過程和應(yīng)用方法為舉例，來幫助學(xué)生建立從過去到現(xiàn)在以及未來的物理學(xué)中一以貫之的思維方式和研究方法。當(dāng)學(xué)生掌握了思維方式和研究方法，隨著年齡的增長(zhǎng)和認(rèn)知能力的提升，他可以應(yīng)用這些思維方式和研究方法迭代更新知識(shí)，甚至去探究未知，獲取新的知識(shí)。

物理教育的終極目標(biāo)是讓學(xué)生具備解決未知問題的能力，而這個(gè)能力的核心就是物理學(xué)的思維方式和研究方法。物理教育可以始于“集郵”，但最終應(yīng)該終于“思想”。

04 結(jié)語：讓物理思想和物理方法滲入課堂

在和許多物理學(xué)家、物理教師的交流中，大家或多或少都表達(dá)了前述的那些觀點(diǎn)。只是傳授看得見、摸得著的具體知識(shí)相對(duì)容易，而傳遞抽象的思維方式和方法卻知易行難，如何把理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，這一直是令人困擾的問題。中國(guó)物理學(xué)會(huì)科普委員會(huì)組織部分物理研究者、高校教授、中學(xué)物理教師以及教研員一起組成了一個(gè)團(tuán)隊(duì)，嘗試分別從物理學(xué)本身、物理學(xué)研究以及物理教育幾個(gè)維度相向而行，嘗試在中學(xué)課堂打通從知識(shí)點(diǎn)“集郵”到初步物理思想建構(gòu)的完整路徑。

在本系列隨后的探討中，團(tuán)隊(duì)將嘗試從最頂層物理學(xué)的研究對(duì)象、目的、結(jié)構(gòu)，物理學(xué)遵循的原則、范式、研究方法等方面；到具體的物理圖像構(gòu)建，物理量的定義和測(cè)量，物理規(guī)律的層次、構(gòu)建方法及共性，物理概念的縱向與橫向聯(lián)系，探究學(xué)習(xí)與創(chuàng)新實(shí)踐的思路方法等方面透過不同視角勾勒物理學(xué)的輪廓和脈絡(luò)，在基礎(chǔ)教育第一次“思維經(jīng)濟(jì)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次“濃縮”，并在此過程中總結(jié)和提煉物理學(xué)家的思維方式和解決問題的方法，以期幫助基礎(chǔ)物理教育工作者提升自己的物理理論素養(yǎng)和思維能力，在掌握了物理學(xué)“拼圖”的全貌之后，在一塊塊向?qū)W生傳遞“拼圖碎片”時(shí)，除了“拼圖碎片上的畫面”，同時(shí)傳遞碎片在全圖中的“坐標(biāo)”以及蘊(yùn)藏的思想，把思想和方法滲透進(jìn)教學(xué)工作中。也期望眾多從事物理學(xué)研究和物理教育研究的前輩賢達(dá)批評(píng)指點(diǎn)參與討論，以期未來的物理學(xué)界能夠培養(yǎng)出更多有智慧、能思考、會(huì)質(zhì)疑，具有創(chuàng)新精神的后備人才。

參考文獻(xiàn)

[1] 施良方. 學(xué)習(xí)論. 北京：人民教育出版社，2000

[2] 皮埃爾·迪昂. 物理學(xué)理論的目的與結(jié)構(gòu). 北京：商務(wù)印書館，2005. 39

[3] 恩斯特·馬赫. 通俗科學(xué)演講錄. 萊比錫，1903. 215

[4] 朝永振一郎. 物理是什么. 北京：人民郵電出版社，2017. 4

本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)“中國(guó)物理學(xué)會(huì)期刊網(wǎng)”，原題為《始于“集郵”，終于“思想”》。