物理教育：始於“集郵”，終於“思想”_風聞

物理學研究雖然要從研究一個個自然現象，進行知識點“集郵”開始，但追求的是“思維經濟”，追求利用簡單的規律來描述複雜的世界。學習物理雖亦始於“集郵”但不能終於“集郵”，而要重視思維方式的訓練與建構。

撰文 | 陳徵 (北京交通大學理學院) 、張玉峯 (北京教育科學研究院)、魏紅祥 (中國科學院物理研究所)

來源 | 選自《物理》2021年第1期

01 引言：一切自然科學都始於“集郵”

坊間相傳歐內斯特·盧瑟福有句名言——“All Science is either physics or stamp collecting”1）。物理學者拿來和其他學科的朋友們開玩笑時，有時會帶着調侃翻譯成“自然科學除了物理，其他只不過是集郵”，以試圖在餐桌上的“鄙視鏈”中贏得一個優勢位置。不過細細品味，不難發現似乎所有的自然科學研究也確實均始於觀察紛繁複雜的自然現象，是從“集郵”入手的； 在“集郵”的基礎上經歷抽象、概括、歸納形成能反映自然界規律的知識。這一過程也正如美國認知結構學習理論創始人布魯納 (Bruner) 所説，知覺過程就是在習得新信息的基礎上對客體加以歸類的過程[1]。

探索自然必然要從一個個自然現象的細節入手，儘可能多地掌握每個自然現象在不同條件下的各種情況。比如當一束光從空氣射入水中時，在空氣與水的界面會發生偏折，對於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，偏折的情況又會有所不同。在各種界面上，關於每個入射角與折射角的對應關係就形成一些關於實驗事實的“知識”。物理學家需要做成百上千組實驗來測定這些角度以收集這些“知識”，此過程類似於“集郵”。

千百年來鍊金術士對物質變化的“集郵”，為近代化學奠定了基礎；而博物學家採集的大量標本則是近代生物學萌生的沃土。物理學也不例外，第谷詳盡的觀星數據為開普勒行星運動三定律的建立提供了可能，進而促進了經典力學的發展；熱力學的興起也得益於蒸汽機的廣泛應用和不斷革新……

02 “思維經濟”是物理學的目標和指導原則

物理學追求的目標之一是簡潔。物理學家的任務絕不是把每一個實驗事實編成表格讓人們記住，這是不可能完成的任務。正如皮埃爾·迪昂在《物理學理論的目的與結構》中所述：“人的心智面對不計其數的具體事實，每一個事實因由大量各種各樣的細節構成而錯綜複雜，沒有一個人能夠囊括和保留所有這些事實性知識，也沒有一個人能夠把這些知識傳達給他的同胞”[2]。

物理學家的打開方式是用抽象的方法從大量的實驗事實當中歸納、總結，去尋找普遍、共有的東西，把一大堆複雜的實驗事實“壓縮”成簡單的命題，形成物理定律，從而大大減少對人心智資源的佔用。如同前面的例子，當知道入射光線、折射光線和法線在同一平面內，並且 n1∙ sin i = n2∙ sin r ，那麼我們就不必牢記光折射中每個具體的實際案例，只需要記住這條法則和相應折射率的數值，便能夠在心理上重構所有現在的和未來的情況，而這是件比較容易的事[3]。

物理學的目標是掌握世間萬物的規律。可自然如此紛繁複雜，即便只關注其中相對不那麼複雜的“非生命體”[4]，面對的情形也足以讓人目眩。僅僅通過一次“壓縮”，從自然事實歸納為物理規律仍然是不夠的。仍以光的折射現象為例，當光不是從空氣射入水或油這樣的各向同性介質，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、正晶體或負晶體，再考慮到入射光和折射光、反射光之間的偏振狀態以及旋光效應、顯色偏振等等，每種情況都對應着一系列的實驗事實，經過歸納“壓縮”形成物理規律後，數量依然可觀。並且折射還只是光現象中的一種，光的發射、吸收、反射、干涉、衍射、散射、偏振，每一種都還會有一大堆物理定律，對人有限的心智依然是難以承擔的負荷。因此物理學家還要進行第二次“壓縮”，把所有這些定律濃縮成少數“原理”，只要掌握了這些原理，通過有規則和可靠的計算，就可以從原理中提取出需要的定律。比如掌握了費馬原理，那麼幾何光學中的各種反射、折射定律大都能夠從中獲得。

這種“壓縮”被恩斯特·馬赫稱為“思維經濟”，是物理學的目標和指導原則。自然界的複雜程度之高和人類認知能力之有限之間的終極矛盾，使得人類的物理學必然是一種“思維經濟”。物理學家的工作，就是從對一個個自然現象和實驗事實進行“集郵”開始，歸納總結為物理定律；再在對物理定律“集郵”的基礎上進一步抽象成為理論體系，最終用少數的幾條原理，通過可靠的規則和計算就能夠描述、解釋或者預測大多數自然現象，到這裏工作才算完成。

03 物理教育同樣始於“集郵”，但應終於“思想”

朝夕之間傳授幾十年功力的事情只能出現在武俠小説中，現實中讓一個對自然知之甚少的新手從一開始就掌握整個物理學的全貌是不可能的。所以物理教育必須從力、熱、聲、光、電、磁等一個個實驗現象和物理定律開始進行知識點“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，到老一場空”，如果我們的物理教育只聚焦在物理知識點“集郵”，恐怕是有違“思維經濟”這一物理學的目標和指導原則的。

站在學生的角度，幾十條定律、若干不同條件參數的排列組合已經足夠海量，再加上一個過程中涉及不同定律的情形，如有質量又帶電的小球在變化的磁場中運動，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，除了少數驚才絕豔的人中龍鳳，又有多少人能把它們正確地與所要解決的問題相匹配呢？於是多數人難免生出望而卻步之感，是以在網上流傳一副對聯，上聯：“遊西湖，提錫壺，錫壺墜西湖，惜乎錫壺”；下聯：“學物理，入霧裏，霧裏看物理，勿理物理”，更有人加了個橫批——“珍愛生命，遠離物理”。管中窺豹，可見人們對物理的畏懼之甚。

站在物理教育的角度，基礎教育階段的物理知識，大都是一兩百年以前的知識，很多站在現代物理學的角度看是不準確的，如計算摩擦力的F=μ·N，摩擦力只和正壓力有關而和接觸面積無關，和實際情況多是不相符的；又如解釋飛機升力是用伯努利原理的推論“流速大的地方壓強小”，在現代流體力學的觀點看來也並不準確等等。

那麼，我們為什麼還要教授這些呢？基礎教育階段的學生認知能力有限，學生能理解的也往往只是比較直觀，與生活經驗比較接近的知識。這些和日常生活中的經驗比較接近，在一般生活問題中也基本夠用的知識對物理教育而言不是目的而是手段，是以這些知識的獲取過程和應用方法為舉例，來幫助學生建立從過去到現在以及未來的物理學中一以貫之的思維方式和研究方法。當學生掌握了思維方式和研究方法，隨着年齡的增長和認知能力的提升，他可以應用這些思維方式和研究方法迭代更新知識，甚至去探究未知，獲取新的知識。

物理教育的終極目標是讓學生具備解決未知問題的能力，而這個能力的核心就是物理學的思維方式和研究方法。物理教育可以始於“集郵”，但最終應該終於“思想”。

04 結語：讓物理思想和物理方法滲入課堂

在和許多物理學家、物理教師的交流中，大家或多或少都表達了前述的那些觀點。只是傳授看得見、摸得着的具體知識相對容易，而傳遞抽象的思維方式和方法卻知易行難，如何把理想變為現實，這一直是令人困擾的問題。中國物理學會科普委員會組織部分物理研究者、高校教授、中學物理教師以及教研員一起組成了一個團隊，嘗試分別從物理學本身、物理學研究以及物理教育幾個維度相向而行，嘗試在中學課堂打通從知識點“集郵”到初步物理思想建構的完整路徑。

在本系列隨後的探討中，團隊將嘗試從最頂層物理學的研究對象、目的、結構，物理學遵循的原則、範式、研究方法等方面；到具體的物理圖像構建，物理量的定義和測量，物理規律的層次、構建方法及共性，物理概念的縱向與橫向聯繫，探究學習與創新實踐的思路方法等方面透過不同視角勾勒物理學的輪廓和脈絡，在基礎教育第一次“思維經濟”的基礎上進行第二次“濃縮”，並在此過程中總結和提煉物理學家的思維方式和解決問題的方法，以期幫助基礎物理教育工作者提升自己的物理理論素養和思維能力，在掌握了物理學“拼圖”的全貌之後，在一塊塊向學生傳遞“拼圖碎片”時，除了“拼圖碎片上的畫面”，同時傳遞碎片在全圖中的“座標”以及藴藏的思想，把思想和方法滲透進教學工作中。也期望眾多從事物理學研究和物理教育研究的前輩賢達批評指點參與討論，以期未來的物理學界能夠培養出更多有智慧、能思考、會質疑，具有創新精神的後備人才。

參考文獻

[1] 施良方. 學習論. 北京：人民教育出版社，2000

[2] 皮埃爾·迪昂. 物理學理論的目的與結構. 北京：商務印書館，2005. 39

[3] 恩斯特·馬赫. 通俗科學演講錄. 萊比錫，1903. 215

[4] 朝永振一郎. 物理是什麼. 北京：人民郵電出版社，2017. 4

本文經授權轉載自微信公眾號“中國物理學會期刊網”，原題為《始於“集郵”，終於“思想”》。