物理方法的实际应用特征及其教学问题的分析*

陈 华

*浙江省社会科学界联合会社科普及立项课题,课题编号：11ZC09



物理方法的实际应用特征及其教学问题的分析*

陈 华

*浙江省社会科学界联合会社科普及立项课题,课题编号：11ZC09

摘 要：物理方法已成为物理教学中的重要环节．然而尽管物理教师想尽办法，提高物理方法的教学效果，但是实际效果并不理想．究其原因，常规的物理方法教学忽视了物理方法在实际应用时所具有的可错性、局限性、潜在性、不确定性和个体性等特征．受以知识传授为本位的物理教学影响，目前的物理方法教学存在知识化物理方法、在物理知识与物理方法之间建立因果关系、喜欢学生照着做等问题．物理方法教学的本质是提高学生的能力，而能力主要是靠培养而不是灌输．因此需要物理教师深刻理解物理方法的实际应用特征并在教学中采取相应措施，以丰富和完善物理方法教学．

关键词：物理方法来源应用特征教学问题分析

物理方法在物理学发展中的重要作用，使其本身成为了研究对象，成为方法论的重要组成部分，自然也成为了物理教学中的重中之重．古人云：“授人以鱼，不如授之以渔”，因此物理教师普遍认为只要教会学生物理方法，学生就会做物理题目，进行物理问题的思考．然而，尽管物理教师想尽办法研究、归纳和提炼物理方法，甚至学习方法论学者关于方法的理论，以加强物理方法的教学，提高物理方法的教学效果，但是实际效果并不理想．他们“经常会遇到这样的现象，教师关于某种解决问题的方法，讲授得很清楚，学生也听得很明白，甚至于还做了专门练习，但以后碰到真正要用到这种方法的时候，学生却不能自觉地去提取和应用这个方法．”[1]类似这种学生面对物理问题，表现出束手无策的情况，可以说是长期困扰着各个学段物理教师的教学问题．本文尝试通过对历史上物理学家应用物理方法解决物理问题表现出来的特征的讨论，分析在常规物理教学中物理方法教学存在的问题，为解决物理方法的教学问题提供可供参考的视角．

1关于物理方法的来源

关于什么是物理方法，只从一些定义中去认识是不够的，实际上不同的学者，从自己的知识、经验和偏好等出发也并不能给出完全一致的定义．历史地看，“思想家信任科学方法已经有2 500年的历史，却从未在细节上就什么是科学方法达成过任何共识．”[2]因此，回到物理方法的来源去看待物理方法，以促使对物理方法的反思，这无疑有利于对物理方法的理解和把握．物理方法作为探索物理世界的工具，它主要来自：人类共同的认识实践、从其他方面借鉴、物理学自身的研究实践和关于自然的观念．

首先，源于人类实践的共同认知方法．主要是从感觉、知觉、表象等经验认识方式中，产生想象、联想和类比等形象的思维方法，表征物理问题，提出假设，形成解决问题的思路；从概念、判断、推理等理性认识方式中，形成分析、归纳和演绎等抽象的思维方法，揭示问题成因，论证假设，尝试构建问题解决的理论．并在运用形象和抽象思维方法的过程中，物理学家通过自觉地把握直觉、顿悟等或然性的思维方法，超越常规思维，使物理问题的解决出现突破性的进展．

其次，源于不同学科、领域或文化中的思想方法．物理学从哲学中吸取关于自然的思辨方法，对物理学的基本问题进行思考和反省；从数学中吸取严谨的形式逻辑体系，使物理学具有“简单性的美和必然性的美”[3]、“存在一种逻辑的刚性”[3]，精确地揭示物质最基本的结构、相互作用和运动规律；汤川秀树曾说过，在他建立介子理论的过程中，受到过中国道家文化的启发，等等．因此，物理学家看起来像个“机会主义者”，所以爱因斯坦说，与认识论者相比，“科学家对认识论体系的追求没有可能走得那么远……经验事实给他规定的外部条件，不容许他在构造他的概念世界时过分拘泥于一种认识论体系．”[4]这也就规定了物理学家需具有从方方面面吸取方法的自觉和能力，这使物理学家不仅不是只会摆弄仪器将白光分解为各种色光等的枯燥无味的人，而且是视野宽阔且思想深刻的人．

第三，源于物理学自身研究形成的具体方法．如模型法和实验法．有这样一个案例，美国斯坦福直线加速器中心(简称SLAC)从1967年下半年开始做电子-质子散射实验，在高能电子轰击质子靶的深度非弹性散射实验中，发现散射截面并没像预期的急剧下降，显示出衍射特征，反而继续保持较大的散射截面，形状与弹性散射截面粗略相同．对此，虽然理论物理学家布约肯运用流代数求和规则分析了实验结果，提出“标度无关性”等对实验结果进行了解释．但由于流代数太抽象，因此他的工作未能使其他物理学家理解．这时恰好费曼来访问SLAC，物理学家们就请他来解释．费曼通过对电子与质子及其相互作用进行分析，提出“部分子模型”，即把质子看成是由近乎自由的点状粒子——部分子组成的，把电子与质子的深度非弹性散射看成是电子与质子的部分子发生弹性散射．经过计算，费曼不仅成功地解释了SLAC的实验结果，证明了布约肯的标度无关性，而且还促进了夸克的证实以及对质子等重子内部结构的研究．由于部分子模型比较容易理解，因此很快为物理学家们所接受．

第四，源于关于自然的观念．如简单性、统一性和对称性等．从组成物质的分子，一直还原下来，到电子、中微子和夸克等，就源自于复杂多样的物质世界构成于为数不多，甚至单一的基本物质单元的简单性的自然观；在为电磁、弱、强力建立统一理论的过程中，始终贯穿着关于自然界具有统一性的自然观；狄拉克提出正电子假设，就是从外尔等学者基于对称性的自然观对他负电子海的电子跃迁留下空穴的假设进行的批评中获得启发．这些关于自然的观念并不是独立的，而是相互联系和相互作用的，所以爱因斯坦说：“物理上真实的东西一定是逻辑上简单的东西，也就是说，它在基础上具有统一性．”[4]温伯格认为：“任何对称性原理同时也是个简单性原理．”[3]它们在很大程度上构成了物理学家关于自然界的信念，既是物理学家研究物理学的指导思想，也是物理学的研究方法．

综上所述，物理方法有着广泛的来源，这使得我们并不能将物理方法简单的从与其他方法的区别中进行定义，所以库恩说：“如果把那些过时的信念称作神话，那么，神话也可以通过导致现有科学知识的同类方法产生……”[5]这样关于物理方法，我们只能说物理学家用来研究物理问题的方法就是物理方法，只要有效就行．

2物理方法在实际应用中的特征

物理方法来源的丰富性，必然导致物理方法的丰富性．一方面是物理方法的丰富性，一方面是物理问题的发现常出乎人们的意料之外，这使得物理方法与物理问题之间并没有显然的相互关联的线索，以致于物理方法的应用至于物理问题的解决时常出现“戏剧性”的情况，时而“山重水复疑无路”，时而“柳暗花明又一村”．通常将物理学历史上与发现失之交臂的情况归因于习惯性思维，似乎失之于简单．因为习惯的思维方法来自成功的经验，而成功的思维方法有时会转化为物理学家的信念，如爱因斯坦由相对论建立起来对数学方法的信念，夸大了数学方法的作用，主观地构造半矢量使狄拉克方程中的旋量一般化，结果遭遇失败[6]．所以波普尔说：“在探索真理时，从批判我们所钟爱的信念开始，这可能是我们最佳的方案．”[7]因此，我们需要对物理方法进行更为客观的审视，了解它们在实际应用中的特征．从物理学史看，它们在应用时会表现出以下特征.

首先，可错性．通常认为正确的方法可以极大地发挥人的聪明才智，探索和发现自然规律，但实际情况要复杂得多．主要有：

(1)对错的不可预知性．在物理学的研究中，不可能事先确定正确的物理方法．所以玻恩说：“在我们前进的道路上荆棘丛生，只有经历了不断试探、一再失败，才能寻找合适的方法……”[7]

(2)对错的相对性．受主客观条件的制约，正确的物理方法可能因条件的不成熟，而不能获得积极的结果，如伽利略早期的光速测量．反之不正确的物理方法，因其内在的合理因素，而可能获得新的理论发现，如卡诺循环的发现.

(3)对错的可修正性．某种不合适的物理方法经过有限修正，可以使其合适于当前的物理问题研究，如洛伦兹坐标变换的建立．物理方法的可错性，使得拘泥于“正确”的想法，只能是一种幻想．

其次，局限性．方法论的研究表明，方法总是有局限性的，物理方法也不例外．如在经典物理学上形成的机械决定论的思想方法，不仅不适用于在三体问题研究时发现的“混沌”现象，也不适合于研究量子现象．物理方法的局限性，使得它不仅需要不断创新，而且需要各种方法的综合运用，互为补充．所以爱因斯坦在回答获得相对论的思想方法时曾说：“存在着各种激发人类思想的隐藏的复杂性，而且它们起着大小不同的作用．”[8]因此，过分相信某种成功的物理方法，钱德拉塞卡认为是“对大自然滋长的一种傲慢态度”[9]，由此陷入研究误区的事例并不少见，有些还演化为对年轻学者的压制，阻碍物理学的发展．如爱丁顿反对钱德拉塞卡关于白矮星的结构和变化的正确预言．

第三，不确定性．物理方法的不确定性表现在物理方法的不可逻辑的导致发现和物理方法运用的结果不可完全预知等方面．前者如普朗克运用数学内插法“猜”出黑体辐射公式，后者如伦琴在研究阴极射线时发现X光．另外，不相容的物理方法之间存在着交集，它们在没有任何附加假设和近似的情况下，可得到相同的结果．如用经典物理和量子力学推出相同的卢瑟福散射公式

第四，潜在性．物理方法总是处于不断地被认识之中，有些物理方法在“销声匿迹”一段时间之后，因获得新的认识，又重新被人们运用．如为基本粒子标准模型提供数学框架的规范变换，原先是外尔在1918年试图为统一电磁场和引力场而引入的，但未能成功，因此没有引起物理学家们的注意；1954年杨振宁和米尔斯将外尔提出的时空坐标的定域规范变换推广为同位旋空间的定域规范变换，建立著名的杨-米尔斯场论，但因为质量问题和处理强相互作用的失败，也没有引起多少物理学家的注意；直到特·霍夫特证明杨-米尔斯场论的可重正性，温伯格等人通过引入希格斯机制，解决了质量问题并建立弱电统一理论，规范变换才成为物理学家探索亚原子世界的重要工具，这时已到了20世纪70年代．自然界中的物质结构与运动的相似性，因此不存在什么过时的物理方法，它们在一定的条件下可能引起物理学的“蝴蝶效应”．

第五，个体性．黑格尔曾经说过，在探索的认识中，方法也就是工具，是在主观方面的手段，主观方面通过这个手段和客体相联系[11]．因此，物理方法不可避免地染上应用者的个体特征，其中包括物理学家的偶然际遇、知识结构、先前经验和个人偏好等因素．它们主要表现在：

(1)解决物理问题的方法不同．如海森伯、薛定谔和费曼分别用不同的物理模型和数学方法，得到彼此等效而形式不同的量子力学数学程式.

(2)对物理方法的认识不同．如海森伯认为量子力学原则上应建立在可观测量之上，对于这个有着实证主义倾向的思想方法，玻恩认为“这个原理是毫无益处的，甚至是错误的”[12].

(3)物理方法时常被别人读懂．如马赫哲学启发爱因斯坦创立相对论，但马赫并不承认相对论．

方法的个体性，使方法不具有简单的或直接的可复制性，即便是将相同的思想方法，应用于相同的物理问题，仍会因某个细节，而使其结果或效果显示出显著的差异．

物理方法的上述应用特征表明，物理方法应用的有效性并不是自明的，其作用与意义时常为物理学家的能动作用所阐明，用它们解决物理问题可能会有某些原则，但很难说得上有什么固定的模式．因此，美国科学哲学家费耶阿本德说：“认为科学能够并且应当按照固定的普适的法则进行的思想，既不切实际，又是有害的．”[13]并提出在科学研究上“唯一不禁止进步的原则是怎么都行”的极端观点．

3物理方法教学问题的分析

常规的物理教学以知识传授为本位，使高效地传授物理知识成为其主要目的．这既有应试教育的原因，也有受文化传统中功利性因素的影响，从而忽略了物理方法在实际应用中的特征，使物理教师下意识地把物理方法教学当作物理知识来教学，对物理方法进行提练和精致化，通过“精选”的概念化物理题目进行反复训练．这样的结果是将解题技巧等同于全部或大部分的物理方法的教学内容，从而把物理方法与实际割裂，具体表现为以下几方面问题：

首先，对神化了的物理方法案例习以为常．在物理学史中，不乏物理方法应用的经典案例，这些案例因其所具有的启发性，而为物理教师在物理方法教学时经常采用．但是，在这些案例中，有不少存在因编造、简化和神化等问题，而“遮蔽了科学的真实过程”[14]，不注意便会给学生带来认为发现即是机遇或天才的工作等不良影响．然而在教学时，对此物理教师多习以为常并不为意，缺少批判性地运用．卢瑟福说过：“在学术界没有适当的思想准备的情况下而能够做出自然科学的发现，这是十分罕见的情况．”[15]因此，教学时有必要批判地运用这些案例，尽可能地“还原”物理学家在解决物理问题的主要过程中，所使用的物理方法的来源、影响，及其他们自身的创造性活动等，以使学生了解物理方法在应用时可能表现出来的那些特征，传递物理学的探究精神．

其次，对物理方法的知识化．将物理方法知识化，容易在教学时落入教条化的泥沼．其主要表现在给物理方法进行归纳与分类，对物理方法施行集约化的教学．其结果使物理教师在物理方法教学时本末倒置，淡化对物理问题的分析，把物理方法教学演化为解题技巧．这导致有些物理教师甚至将定性分析与定量分析的方法对立起来，误导了物理学与数学的关系，把解决物理问题的繁简归因于数学，而不是对物理问题的认识与分析的深刻程度[16]．其实，物理方法作为物理学的探索性工具，不仅渗透着物理学家的个人特征，更渗透着他们对物理问题的理解及其把握的角度和程度．因此，对物理方法的教学，物理教师首要的是要引导学生深入分析物理问题，理解和把握物理问题的实质，从提出假设、建立模型、提取解决问题信息和选择解决问题途径等过程中，让学生自己“体验”和“生成”物理方法．

第三，在物理知识与物理方法之间建立因果关系．因物理教师通常非常熟悉教材体系，知晓教材中物理知识的前后关系，结果在无意中，忽视了教材是经过专家按知识逻辑重新编撰的体系，而非发现的逻辑，从而在物理知识与物理方法之间建立起因果关系．使物理知识看起来就象由数学方法推演出来的，是其中最为典型的情况．这样物理教师便不自觉地将“决定论”的思想带进了学生物理知识的建构过程，使学生形成关于方法与知识的单向度关系，给物理方法强加了某种“规定性”，从而抑制了学生对物理方法自主的和创造性的运用．事实上，如果物理知识可以这样逻辑地推导出来，成为必然的结果，那么物理学也就不是费曼在其《物理学讲义》的结束语中所说的，是人类心智早已开始了的最伟大的探险．为此，物理教师在教学时，有必要根据教学内容重构物理知识的探索过程，给学生创造物理方法应用的“实际”情境．

第四，喜欢学生照着做．在我们的物理教学中，绝大多数是教师布置给学生做的“规定动作”，而缺乏学生自主想着要做的物理作业和实验．究其原因，是因为我们喜欢学生照着做，而不喜欢学生“我要做”．其深层原因是：在认识上，我们认为学生照着做可以少走弯路，提高知识的学习效率；在习惯上，我们认为这样学生可以把要学的学好，为今后的学习和工作打下扎实的基础；在管理上，我们认为学生照着做，学校及教师管理简单，不容易出意外．然而，实际上的这种封闭和亦步亦趋的做法，使学生丧失了真正的“探究”机会，从而也丧失了学习物理的激情，自然也就不存在有意义的物理方法教学作用．国外高校普遍重视学生物理学习的自主性及其探究性活动，特别在物理实验方面，如德国奥尔登保大学，他们向学生开放物理实验室[17]；美国伊利诺伊大学香槟分校的物理实验，要求“实验课上学生根据仪器说明书和具体实验的简要说明自己动手摸索做实验……”[18]在美国的高校“有些实验名称与国内的相同，但实验做得很深入，带有研究性质……”[19]由此可见，改变我们的物理方法教学，可以借鉴国外的一些经验．

需要说明的是，上述问题的分析并不是要排斥常规物理教学，包括物理方法的教学，且认为它们也是必要的．因为要让学生在较短的时间里，学习日益丰富的物理知识，在时间上总是会捉襟见肘的，而常规物理教学的确在知识传授方面有其优势．但我们也要正视其存在的问题，它在物理方法教学上，是没有物理方法的实际应用特征的，因此需要我们做些改变，以丰富和完善我们的物理方法教学．

4结语

物理方法教学的本质是提高学生的能力，而能力主要是靠培养而不是靠灌输．这样，在教学时，我们就要重视物理方法在实际应用中的那些特征，克服当前物理方法教学中的问题．克服的有效办法是使学生能够注意身边的物理现象，杨振宁先生曾经说过：“演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分．物理学最重要的部分是与现象有关的……我所认识的重要的物理学家都很重视实际的物理现象．”[20]为此，我们需要记住钱学森先生的一句话：“科学研究方法论要是真成了一门死学问……一门先生讲学生听的学问……诺贝尔奖金也就不稀罕了．”[7]

参 考 文 献

1徐维.物理方法教学:重在唤醒提取意识.湖南中学物理,2014(4):21

2(澳)约翰·A·舒斯特.科学史与科学哲学.安维复译.上海:上海科技教育出版社,2013.159,148

3S·温伯格.终极理论之梦(第2版).李冰译.长沙:湖南科学技术出版社,2007.119,225,111

4爱因斯坦.爱因斯坦文集(第一卷).许良英,范岱年译.北京:商务印书馆,1976.480,380

5(美)托马斯·库恩.科学革命的结构.金吾仑,胡新和译.北京:北京大学出版社,2003.3,2

6韩来平,邢润川.爱因斯坦的数学信仰.科学技术与辩证法，2006,23(3):93

7杨建邺.傲慢与偏见——诺贝尔奖获奖者的误区.武汉：武汉出版社,2000.1,2, 41～42

8亚伯拉罕·派斯.爱因斯坦传(上册).方在庆，等译.北京:商务印书馆,2006.190

9S·钱德拉塞卡.莎士比亚、牛顿和贝多芬—不同的创造模式.杨建邺，等译.长沙:湖南科学技术出版社,1995.189

10关洪.空间——从相对论到M理论的历史.北京:清华大学出版社,2004.144

11黑格尔.逻辑学(下卷).杨一之译.北京:商务印书馆,1976.532

12M.玻恩.我的一生.陆浩，等译.上海:东方出版中心,1998.306

13保罗·法伊尔阿本德.反对方法——无政府主义知识论纲要.周昌忠，译.上海:上海译文出版社,2007.1,271

14(澳)约翰·A·舒斯特.科学史与科学哲学.安维复译.上海:上海科技教育出版社,2013.159,148

15(德)劳厄.物理学史.北京:商务印书馆,1978.10

16陈华.关于“物理问题的物理解法”的几点讨论.物理通报,2010(2):90

17费金有,孟昭辉.德国物理教师的科学史教育及其启示——以奥尔登保大学为例.外国教育研究,2009,36(5):88～89

18苏亚凤,徐忠锋.从美国伊利诺伊大学香槟分校的大学物理课程教育特点浅谈我国大学物理教学改革.大学物理,2011,30(11):50

19段家,曹惠贤，等.美国高校物理实验教学和管理情况考察报告.大学物理,2004,23(3):43,44

20杨振宁.杨振宁文集.上海:华东师范大学出版社,1998.508

收稿日期：(2015-02-12)

作者简介：(台州广播电视大学浙江 台州318000)