物理方法的實際應用特征及其教學問題的分析*

陳 華

*浙江省社會科學界聯(lián)合會社科普及立項課題,課題編號：11ZC09

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物理方法的實際應用特征及其教學問題的分析*

陳 華

*浙江省社會科學界聯(lián)合會社科普及立項課題,課題編號：11ZC09

摘 要：物理方法已成為物理教學中的重要環(huán)節(jié)．然而盡管物理教師想盡辦法，提高物理方法的教學效果，但是實際效果并不理想．究其原因，常規(guī)的物理方法教學忽視了物理方法在實際應用時所具有的可錯性、局限性、潛在性、不確定性和個體性等特征．受以知識傳授為本位的物理教學影響，目前的物理方法教學存在知識化物理方法、在物理知識與物理方法之間建立因果關系、喜歡學生照著做等問題．物理方法教學的本質是提高學生的能力，而能力主要是靠培養(yǎng)而不是灌輸．因此需要物理教師深刻理解物理方法的實際應用特征并在教學中采取相應措施，以豐富和完善物理方法教學．

關鍵詞：物理方法來源應用特征教學問題分析

物理方法在物理學發(fā)展中的重要作用，使其本身成為了研究對象，成為方法論的重要組成部分，自然也成為了物理教學中的重中之重．古人云：“授人以魚，不如授之以漁”，因此物理教師普遍認為只要教會學生物理方法，學生就會做物理題目，進行物理問題的思考．然而，盡管物理教師想盡辦法研究、歸納和提煉物理方法，甚至學習方法論學者關于方法的理論，以加強物理方法的教學，提高物理方法的教學效果，但是實際效果并不理想．他們“經常會遇到這樣的現(xiàn)象，教師關于某種解決問題的方法，講授得很清楚，學生也聽得很明白，甚至于還做了專門練習，但以后碰到真正要用到這種方法的時候，學生卻不能自覺地去提取和應用這個方法．”[1]類似這種學生面對物理問題，表現(xiàn)出束手無策的情況，可以說是長期困擾著各個學段物理教師的教學問題．本文嘗試通過對歷史上物理學家應用物理方法解決物理問題表現(xiàn)出來的特征的討論，分析在常規(guī)物理教學中物理方法教學存在的問題，為解決物理方法的教學問題提供可供參考的視角．

1關于物理方法的來源

關于什么是物理方法，只從一些定義中去認識是不夠的，實際上不同的學者，從自己的知識、經驗和偏好等出發(fā)也并不能給出完全一致的定義．歷史地看，“思想家信任科學方法已經有2 500年的歷史，卻從未在細節(jié)上就什么是科學方法達成過任何共識．”[2]因此，回到物理方法的來源去看待物理方法，以促使對物理方法的反思，這無疑有利于對物理方法的理解和把握．物理方法作為探索物理世界的工具，它主要來自：人類共同的認識實踐、從其他方面借鑒、物理學自身的研究實踐和關于自然的觀念．

首先，源于人類實踐的共同認知方法．主要是從感覺、知覺、表象等經驗認識方式中，產生想象、聯(lián)想和類比等形象的思維方法，表征物理問題，提出假設，形成解決問題的思路；從概念、判斷、推理等理性認識方式中，形成分析、歸納和演繹等抽象的思維方法，揭示問題成因，論證假設，嘗試構建問題解決的理論．并在運用形象和抽象思維方法的過程中，物理學家通過自覺地把握直覺、頓悟等或然性的思維方法，超越常規(guī)思維，使物理問題的解決出現(xiàn)突破性的進展．

其次，源于不同學科、領域或文化中的思想方法．物理學從哲學中吸取關于自然的思辨方法，對物理學的基本問題進行思考和反省；從數(shù)學中吸取嚴謹?shù)男问竭壿嬻w系，使物理學具有“簡單性的美和必然性的美”[3]、“存在一種邏輯的剛性”[3]，精確地揭示物質最基本的結構、相互作用和運動規(guī)律；湯川秀樹曾說過，在他建立介子理論的過程中，受到過中國道家文化的啟發(fā)，等等．因此，物理學家看起來像個“機會主義者”，所以愛因斯坦說，與認識論者相比，“科學家對認識論體系的追求沒有可能走得那么遠……經驗事實給他規(guī)定的外部條件，不容許他在構造他的概念世界時過分拘泥于一種認識論體系．”[4]這也就規(guī)定了物理學家需具有從方方面面吸取方法的自覺和能力，這使物理學家不僅不是只會擺弄儀器將白光分解為各種色光等的枯燥無味的人，而且是視野寬闊且思想深刻的人．

第三，源于物理學自身研究形成的具體方法．如模型法和實驗法．有這樣一個案例，美國斯坦福直線加速器中心(簡稱SLAC)從1967年下半年開始做電子-質子散射實驗，在高能電子轟擊質子靶的深度非彈性散射實驗中，發(fā)現(xiàn)散射截面并沒像預期的急劇下降，顯示出衍射特征，反而繼續(xù)保持較大的散射截面，形狀與彈性散射截面粗略相同．對此，雖然理論物理學家布約肯運用流代數(shù)求和規(guī)則分析了實驗結果，提出“標度無關性”等對實驗結果進行了解釋．但由于流代數(shù)太抽象，因此他的工作未能使其他物理學家理解．這時恰好費曼來訪問SLAC，物理學家們就請他來解釋．費曼通過對電子與質子及其相互作用進行分析，提出“部分子模型”，即把質子看成是由近乎自由的點狀粒子——部分子組成的，把電子與質子的深度非彈性散射看成是電子與質子的部分子發(fā)生彈性散射．經過計算，費曼不僅成功地解釋了SLAC的實驗結果，證明了布約肯的標度無關性，而且還促進了夸克的證實以及對質子等重子內部結構的研究．由于部分子模型比較容易理解，因此很快為物理學家們所接受．

第四，源于關于自然的觀念．如簡單性、統(tǒng)一性和對稱性等．從組成物質的分子，一直還原下來，到電子、中微子和夸克等，就源自于復雜多樣的物質世界構成于為數(shù)不多，甚至單一的基本物質單元的簡單性的自然觀；在為電磁、弱、強力建立統(tǒng)一理論的過程中，始終貫穿著關于自然界具有統(tǒng)一性的自然觀；狄拉克提出正電子假設，就是從外爾等學者基于對稱性的自然觀對他負電子海的電子躍遷留下空穴的假設進行的批評中獲得啟發(fā)．這些關于自然的觀念并不是獨立的，而是相互聯(lián)系和相互作用的，所以愛因斯坦說：“物理上真實的東西一定是邏輯上簡單的東西，也就是說，它在基礎上具有統(tǒng)一性．”[4]溫伯格認為：“任何對稱性原理同時也是個簡單性原理．”[3]它們在很大程度上構成了物理學家關于自然界的信念，既是物理學家研究物理學的指導思想，也是物理學的研究方法．

綜上所述，物理方法有著廣泛的來源，這使得我們并不能將物理方法簡單的從與其他方法的區(qū)別中進行定義，所以庫恩說：“如果把那些過時的信念稱作神話，那么，神話也可以通過導致現(xiàn)有科學知識的同類方法產生……”[5]這樣關于物理方法，我們只能說物理學家用來研究物理問題的方法就是物理方法，只要有效就行．

2物理方法在實際應用中的特征

物理方法來源的豐富性，必然導致物理方法的豐富性．一方面是物理方法的豐富性，一方面是物理問題的發(fā)現(xiàn)常出乎人們的意料之外，這使得物理方法與物理問題之間并沒有顯然的相互關聯(lián)的線索，以致于物理方法的應用至于物理問題的解決時常出現(xiàn)“戲劇性”的情況，時而“山重水復疑無路”，時而“柳暗花明又一村”．通常將物理學歷史上與發(fā)現(xiàn)失之交臂的情況歸因于習慣性思維，似乎失之于簡單．因為習慣的思維方法來自成功的經驗，而成功的思維方法有時會轉化為物理學家的信念，如愛因斯坦由相對論建立起來對數(shù)學方法的信念，夸大了數(shù)學方法的作用，主觀地構造半矢量使狄拉克方程中的旋量一般化，結果遭遇失敗[6]．所以波普爾說：“在探索真理時，從批判我們所鐘愛的信念開始，這可能是我們最佳的方案．”[7]因此，我們需要對物理方法進行更為客觀的審視，了解它們在實際應用中的特征．從物理學史看，它們在應用時會表現(xiàn)出以下特征.

首先，可錯性．通常認為正確的方法可以極大地發(fā)揮人的聰明才智，探索和發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律，但實際情況要復雜得多．主要有：

(1)對錯的不可預知性．在物理學的研究中，不可能事先確定正確的物理方法．所以玻恩說：“在我們前進的道路上荊棘叢生，只有經歷了不斷試探、一再失敗，才能尋找合適的方法……”[7]

(2)對錯的相對性．受主客觀條件的制約，正確的物理方法可能因條件的不成熟，而不能獲得積極的結果，如伽利略早期的光速測量．反之不正確的物理方法，因其內在的合理因素，而可能獲得新的理論發(fā)現(xiàn)，如卡諾循環(huán)的發(fā)現(xiàn).

(3)對錯的可修正性．某種不合適的物理方法經過有限修正，可以使其合適于當前的物理問題研究，如洛倫茲坐標變換的建立．物理方法的可錯性，使得拘泥于“正確”的想法，只能是一種幻想．

其次，局限性．方法論的研究表明，方法總是有局限性的，物理方法也不例外．如在經典物理學上形成的機械決定論的思想方法，不僅不適用于在三體問題研究時發(fā)現(xiàn)的“混沌”現(xiàn)象，也不適合于研究量子現(xiàn)象．物理方法的局限性，使得它不僅需要不斷創(chuàng)新，而且需要各種方法的綜合運用，互為補充．所以愛因斯坦在回答獲得相對論的思想方法時曾說：“存在著各種激發(fā)人類思想的隱藏的復雜性，而且它們起著大小不同的作用．”[8]因此，過分相信某種成功的物理方法，錢德拉塞卡認為是“對大自然滋長的一種傲慢態(tài)度”[9]，由此陷入研究誤區(qū)的事例并不少見，有些還演化為對年輕學者的壓制，阻礙物理學的發(fā)展．如愛丁頓反對錢德拉塞卡關于白矮星的結構和變化的正確預言．

第三，不確定性．物理方法的不確定性表現(xiàn)在物理方法的不可邏輯的導致發(fā)現(xiàn)和物理方法運用的結果不可完全預知等方面．前者如普朗克運用數(shù)學內插法“猜”出黑體輻射公式，后者如倫琴在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)X光．另外，不相容的物理方法之間存在著交集，它們在沒有任何附加假設和近似的情況下，可得到相同的結果．如用經典物理和量子力學推出相同的盧瑟福散射公式

第四，潛在性．物理方法總是處于不斷地被認識之中，有些物理方法在“銷聲匿跡”一段時間之后，因獲得新的認識，又重新被人們運用．如為基本粒子標準模型提供數(shù)學框架的規(guī)范變換，原先是外爾在1918年試圖為統(tǒng)一電磁場和引力場而引入的，但未能成功，因此沒有引起物理學家們的注意；1954年楊振寧和米爾斯將外爾提出的時空坐標的定域規(guī)范變換推廣為同位旋空間的定域規(guī)范變換，建立著名的楊-米爾斯場論，但因為質量問題和處理強相互作用的失敗，也沒有引起多少物理學家的注意；直到特·霍夫特證明楊-米爾斯場論的可重正性，溫伯格等人通過引入希格斯機制，解決了質量問題并建立弱電統(tǒng)一理論，規(guī)范變換才成為物理學家探索亞原子世界的重要工具，這時已到了20世紀70年代．自然界中的物質結構與運動的相似性，因此不存在什么過時的物理方法，它們在一定的條件下可能引起物理學的“蝴蝶效應”．

第五，個體性．黑格爾曾經說過，在探索的認識中，方法也就是工具，是在主觀方面的手段，主觀方面通過這個手段和客體相聯(lián)系[11]．因此，物理方法不可避免地染上應用者的個體特征，其中包括物理學家的偶然際遇、知識結構、先前經驗和個人偏好等因素．它們主要表現(xiàn)在：

(1)解決物理問題的方法不同．如海森伯、薛定諤和費曼分別用不同的物理模型和數(shù)學方法，得到彼此等效而形式不同的量子力學數(shù)學程式.

(2)對物理方法的認識不同．如海森伯認為量子力學原則上應建立在可觀測量之上，對于這個有著實證主義傾向的思想方法，玻恩認為“這個原理是毫無益處的，甚至是錯誤的”[12].

(3)物理方法時常被別人讀懂．如馬赫哲學啟發(fā)愛因斯坦創(chuàng)立相對論，但馬赫并不承認相對論．

方法的個體性，使方法不具有簡單的或直接的可復制性，即便是將相同的思想方法，應用于相同的物理問題，仍會因某個細節(jié)，而使其結果或效果顯示出顯著的差異．

物理方法的上述應用特征表明，物理方法應用的有效性并不是自明的，其作用與意義時常為物理學家的能動作用所闡明，用它們解決物理問題可能會有某些原則，但很難說得上有什么固定的模式．因此，美國科學哲學家費耶阿本德說：“認為科學能夠并且應當按照固定的普適的法則進行的思想，既不切實際，又是有害的．”[13]并提出在科學研究上“唯一不禁止進步的原則是怎么都行”的極端觀點．

3物理方法教學問題的分析

常規(guī)的物理教學以知識傳授為本位，使高效地傳授物理知識成為其主要目的．這既有應試教育的原因，也有受文化傳統(tǒng)中功利性因素的影響，從而忽略了物理方法在實際應用中的特征，使物理教師下意識地把物理方法教學當作物理知識來教學，對物理方法進行提練和精致化，通過“精選”的概念化物理題目進行反復訓練．這樣的結果是將解題技巧等同于全部或大部分的物理方法的教學內容，從而把物理方法與實際割裂，具體表現(xiàn)為以下幾方面問題：

首先，對神化了的物理方法案例習以為常．在物理學史中，不乏物理方法應用的經典案例，這些案例因其所具有的啟發(fā)性，而為物理教師在物理方法教學時經常采用．但是，在這些案例中，有不少存在因編造、簡化和神化等問題，而“遮蔽了科學的真實過程”[14]，不注意便會給學生帶來認為發(fā)現(xiàn)即是機遇或天才的工作等不良影響．然而在教學時，對此物理教師多習以為常并不為意，缺少批判性地運用．盧瑟福說過：“在學術界沒有適當?shù)乃枷霚蕚涞那闆r下而能夠做出自然科學的發(fā)現(xiàn)，這是十分罕見的情況．”[15]因此，教學時有必要批判地運用這些案例，盡可能地“還原”物理學家在解決物理問題的主要過程中，所使用的物理方法的來源、影響，及其他們自身的創(chuàng)造性活動等，以使學生了解物理方法在應用時可能表現(xiàn)出來的那些特征，傳遞物理學的探究精神．

其次，對物理方法的知識化．將物理方法知識化，容易在教學時落入教條化的泥沼．其主要表現(xiàn)在給物理方法進行歸納與分類，對物理方法施行集約化的教學．其結果使物理教師在物理方法教學時本末倒置，淡化對物理問題的分析，把物理方法教學演化為解題技巧．這導致有些物理教師甚至將定性分析與定量分析的方法對立起來，誤導了物理學與數(shù)學的關系，把解決物理問題的繁簡歸因于數(shù)學，而不是對物理問題的認識與分析的深刻程度[16]．其實，物理方法作為物理學的探索性工具，不僅滲透著物理學家的個人特征，更滲透著他們對物理問題的理解及其把握的角度和程度．因此，對物理方法的教學，物理教師首要的是要引導學生深入分析物理問題，理解和把握物理問題的實質，從提出假設、建立模型、提取解決問題信息和選擇解決問題途徑等過程中，讓學生自己“體驗”和“生成”物理方法．

第三，在物理知識與物理方法之間建立因果關系．因物理教師通常非常熟悉教材體系，知曉教材中物理知識的前后關系，結果在無意中，忽視了教材是經過專家按知識邏輯重新編撰的體系，而非發(fā)現(xiàn)的邏輯，從而在物理知識與物理方法之間建立起因果關系．使物理知識看起來就象由數(shù)學方法推演出來的，是其中最為典型的情況．這樣物理教師便不自覺地將“決定論”的思想帶進了學生物理知識的建構過程，使學生形成關于方法與知識的單向度關系，給物理方法強加了某種“規(guī)定性”，從而抑制了學生對物理方法自主的和創(chuàng)造性的運用．事實上，如果物理知識可以這樣邏輯地推導出來，成為必然的結果，那么物理學也就不是費曼在其《物理學講義》的結束語中所說的，是人類心智早已開始了的最偉大的探險．為此，物理教師在教學時，有必要根據(jù)教學內容重構物理知識的探索過程，給學生創(chuàng)造物理方法應用的“實際”情境．

第四，喜歡學生照著做．在我們的物理教學中，絕大多數(shù)是教師布置給學生做的“規(guī)定動作”，而缺乏學生自主想著要做的物理作業(yè)和實驗．究其原因，是因為我們喜歡學生照著做，而不喜歡學生“我要做”．其深層原因是：在認識上，我們認為學生照著做可以少走彎路，提高知識的學習效率；在習慣上，我們認為這樣學生可以把要學的學好，為今后的學習和工作打下扎實的基礎；在管理上，我們認為學生照著做，學校及教師管理簡單，不容易出意外．然而，實際上的這種封閉和亦步亦趨的做法，使學生喪失了真正的“探究”機會，從而也喪失了學習物理的激情，自然也就不存在有意義的物理方法教學作用．國外高校普遍重視學生物理學習的自主性及其探究性活動，特別在物理實驗方面，如德國奧爾登保大學，他們向學生開放物理實驗室[17]；美國伊利諾伊大學香檳分校的物理實驗，要求“實驗課上學生根據(jù)儀器說明書和具體實驗的簡要說明自己動手摸索做實驗……”[18]在美國的高校“有些實驗名稱與國內的相同，但實驗做得很深入，帶有研究性質……”[19]由此可見，改變我們的物理方法教學，可以借鑒國外的一些經驗．

需要說明的是，上述問題的分析并不是要排斥常規(guī)物理教學，包括物理方法的教學，且認為它們也是必要的．因為要讓學生在較短的時間里，學習日益豐富的物理知識，在時間上總是會捉襟見肘的，而常規(guī)物理教學的確在知識傳授方面有其優(yōu)勢．但我們也要正視其存在的問題，它在物理方法教學上，是沒有物理方法的實際應用特征的，因此需要我們做些改變，以豐富和完善我們的物理方法教學．

4結語

物理方法教學的本質是提高學生的能力，而能力主要是靠培養(yǎng)而不是靠灌輸．這樣，在教學時，我們就要重視物理方法在實際應用中的那些特征，克服當前物理方法教學中的問題．克服的有效辦法是使學生能夠注意身邊的物理現(xiàn)象，楊振寧先生曾經說過：“演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分．物理學最重要的部分是與現(xiàn)象有關的……我所認識的重要的物理學家都很重視實際的物理現(xiàn)象．”[20]為此，我們需要記住錢學森先生的一句話：“科學研究方法論要是真成了一門死學問……一門先生講學生聽的學問……諾貝爾獎金也就不稀罕了．”[7]

參 考 文 獻

1徐維.物理方法教學:重在喚醒提取意識.湖南中學物理,2014(4):21

2(澳)約翰·A·舒斯特.科學史與科學哲學.安維復譯.上海:上海科技教育出版社,2013.159,148

3S·溫伯格.終極理論之夢(第2版).李冰譯.長沙:湖南科學技術出版社,2007.119,225,111

4愛因斯坦.愛因斯坦文集(第一卷).許良英,范岱年譯.北京:商務印書館,1976.480,380

5(美)托馬斯·庫恩.科學革命的結構.金吾侖,胡新和譯.北京:北京大學出版社,2003.3,2

6韓來平,邢潤川.愛因斯坦的數(shù)學信仰.科學技術與辯證法，2006,23(3):93

7楊建鄴.傲慢與偏見——諾貝爾獎獲獎者的誤區(qū).武漢：武漢出版社,2000.1,2, 41～42

8亞伯拉罕·派斯.愛因斯坦傳(上冊).方在慶，等譯.北京:商務印書館,2006.190

9S·錢德拉塞卡.莎士比亞、牛頓和貝多芬—不同的創(chuàng)造模式.楊建鄴，等譯.長沙:湖南科學技術出版社,1995.189

10關洪.空間——從相對論到M理論的歷史.北京:清華大學出版社,2004.144

11黑格爾.邏輯學(下卷).楊一之譯.北京:商務印書館,1976.532

12M.玻恩.我的一生.陸浩，等譯.上海:東方出版中心,1998.306

13保羅·法伊爾阿本德.反對方法——無政府主義知識論綱要.周昌忠，譯.上海:上海譯文出版社,2007.1,271

14(澳)約翰·A·舒斯特.科學史與科學哲學.安維復譯.上海:上海科技教育出版社,2013.159,148

15(德)勞厄.物理學史.北京:商務印書館,1978.10

16陳華.關于“物理問題的物理解法”的幾點討論.物理通報,2010(2):90

17費金有,孟昭輝.德國物理教師的科學史教育及其啟示——以奧爾登保大學為例.外國教育研究,2009,36(5):88～89

18蘇亞鳳,徐忠鋒.從美國伊利諾伊大學香檳分校的大學物理課程教育特點淺談我國大學物理教學改革.大學物理,2011,30(11):50

19段家,曹惠賢，等.美國高校物理實驗教學和管理情況考察報告.大學物理,2004,23(3):43,44

20楊振寧.楊振寧文集.上海:華東師范大學出版社,1998.508

收稿日期：(2015-02-12)

作者簡介：(臺州廣播電視大學浙江 臺州318000)