大道至简 简中求道

王高

摘要：大道至简是人类的智慧，这种智慧也蕴含在物理研究、物理学习和物理教学之中，值得我们拥有。本文从物理研究、物理学习、物理教学三个方面，结合实例分析领悟求简之“道”，从而达到求真、向善、臻美之境界，让物理教学回归本真。

关键词：大道至简；智慧；研究；教学

中图分类号：G633.7 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2016）07A-0104-04

大道至简是流传千年的中国四大智慧之一，可以理解为事物中的大道理（基本原理、方法和规律）是非常简单的，简单到一两句话就能说清楚。

物理学是一门自然科学，也是最接近“道”的科学。物理学的发展过程就是不断利用理论发现并解释自然之道的过程，所以物理学习的本质就是知“道”、寻“道”和悟“道”的过程。物理教学的原动力是求简，简中求道，从而达到求真、向善、臻美之境界。

一、大道至简是物理研究的基本出发点

物理研究的一个重要手段，就是把复杂问题简单化，简单问题模型化。简单性是科学家进行研究的基本原则，也是始终坚守一个科学传统。如果你要在物理长河所沉淀的逻辑中提取精华，那就只有两个字——简单，简单就是最好的逻辑。翻开物理学史，众多的物理学家正是基于大道至简的思想，开展物理学研究，取得了举世瞩目的成就。因此，大道至简是我们认知世界的基本准则，是物理研究的基本出发点，也是我们物理教学的基本之道。

伽利略对简单性原理钟爱有加，他认为“自然界总是习惯于运用最简单和最容易、又是人们容易理解的方式来进行的”。他在研究石头下落时，观察到石头从静止开始，不断获得新的速度增量，认为应该相信这样的速度增加是以极简单和为人们十分容易理解的方式进行的，增加的方式没有比以同样方式重复更简单的了，即速度是均匀增加的。于是，他仿照匀速运动的定义得出匀加速运动的概念：若一物体从静止出发并在相等的时间间隔内获得相等的速度增量，则称该物体的运动为匀加速运动。

著名的α粒子散射实验的设计者——卢瑟福同样也具有简单性的世界观。他说过：我一直相信简单性，我自己就是一个简单的人。世界的简单性直接决定了知识的简单性。自然界一切物质都由最简单的粒子组成，粒子运动经过最简单的路径，比如：光是沿着直线传播的，行星的运动轨迹是圆形或者椭圆形的。科学研究的最后结果就是简单性理论反映或表达物质世界的图景与秩序。在1932年，玻尔说过：卢瑟福认为自然是简单的，这正是别人注意不到，而他能有所发现的原因。也正因为卢瑟福相信自然的简单性，因此他的实验仪器是简单的：用大的锡罐头皮做β和γ射线静电计，在它上面焊上更小些的烟草盒或香烟盒。绝缘用硫磺，因为当时没有琥珀。他的研究方法是简单的，实验观察、数据分析、提炼假说，建立模型。卢瑟福就是靠这么一些简易自制的仪器做实验，发现了α粒子散射现象，建立了原子核式结构学说，开拓了原子物理和核物理学的新疆域。

牛顿的光的色散实验也是通过最简单的实验手段、利用最简单的实验器材——三棱镜进行的。他把一个房间布置为暗室，只在窗子上开一个圆形小孔，让太阳光从小孔射入，在小孔面前放一块三棱镜，立刻在对面墙上看到了像彩虹一样的七色彩带，这七种颜色由近及远依次为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫，而且，后人对这个实验可以重复进行，也能得到与牛顿相同的实验结果，简单使实验揭示了最深刻的科学真理。可见，大道至简是我们认识真理和实践真理的基本出发点。

爱因斯坦认为，简单性是现实世界的一种客观的、真实的属性。他说：“自然规律的简单性也是一种客观事实，而且真正的概念体系必须使这种简单性的主观方面和客观方面保持平衡”。

二、大道至简是物理学习的思想源泉

实践经验告诉我们，复杂的事情往往在一分为二时就变得简单了，再难的事情从简单入手，循序渐进就能做成，因此，复杂的事情简单做，简单的事情重复做，重复的事情用心做，长此以往，一定能获得成功。

在物理学习中，对于复杂的物理过程我们常常将其分解成几个简单的过程，涉及多个物体时常常把研究的对象进行隔离，这样，将陌生的、复杂的问题转化为熟悉的、简单的问题，这实际上就是应用转化的思想来研究问题、解决问题，转化正是大道至简的智慧在物理学习中的具体体现。

1.以道求简

物理中的“道”就是物理的核心概念、规律、思想方法等等，物理的本质在于求简，就是要在物理学习的寻道过程中，学会用简明的视角、简要的设计、简捷的语言、简单的方式来简明扼要地表达。学习中要始终确立简单化的意识，循序渐进地认识事物，理清知识之间的关系，以道求简，直至大道至简的境界。

研究一个做变速直线运动的物体在某段时间内的位移时，我们会把它等效为一个匀速直线运动，这个匀速直线运动的速度就等于原来变速直线运动的平均速度，这两个运动在同一时间内的位移要保证相同。在v—t图中，相当于用一个矩形面积代替原来曲边四边形的面积，如图1所示。同样，建立平均速度概念的实质也是把变速直线运动等效转化为以平均速度为速度的匀速直线运动来处理。这样，对任何一种变速直线运动，不论是匀加速的、匀减速的还是非匀变速的，都有■=■，或x=■t。对一些更复杂的变速运动，我们常采用微分的思想，把运动过程分解成若干个微小的过程，每一个微小的过程视为匀速运动来处理，即我们常说的化曲为直的方法。这些转化过程中都有着相同的特征，把复杂的、陌生的变速运动转化成简单的、熟悉的匀速直线运动来处理，其本质就是化繁为简，这种思想方法对于物理学习具有重要的指导作用。

2.简中寻道

从复杂的问题情景中把握简单的本质，从复杂问题中发现简单的方法，就是要在“追简”的过程中寻“道”，这是我们研究、学习物理中需要遵循的一条基本原则。

在“探究加速度与力的关系”的实验中，猜想与假设是一个非常重要的环节。教师首先要创设一个情境，例如，将竞赛用的小汽车与一般小汽车（质量相当）比较启动的快慢，初步得出物体受力越大、加速度越大的结论，然后让学生对加速度与力之间的定量关系进行猜想，可能有：a∝F、 a∝F2、a∝■…对于这些猜想，还需教师引领学生学会分析判断，进行合理的取舍，进一步做出定性的假设，以明确探究的方向。一般的教材中都是假设a∝F，并对该假设进行实验验证。这个假设有依据吗？有！正是依据伽利略“相信自然界规律是简单的”，那么，a与F之间的定量关系应该遵从简单的原则，即：a∝F。endprint

在实验测量中我们经常将某些不易显示、不易直接测量的物理量转化为易于显示、易于直接测量的物理量。例如，电阻率的直接测量很难，我们是通过测量被测元件的电压、电流，用欧姆定律求出电阻，再由电阻定律R=ρ■求出电阻率ρ。这里的间接测量实际上也是一种转化。物理学习中一旦寻到了这个“道”——转化，就可以举一反三，进行更多的测量，如导电膜的厚度、不易测量的长度、面积等。

如图2的导电柱体，中间是空的，长为l、横截面的外周是边长为a的正方形，内周是类似椭圆的形状，材料的电阻率为ρ，现要测量其空心部分的截面积S0。我们可以在其两端加上电压U，并测出电流I，得到柱体的电阻R=■=ρ■，可得截面实心部分面积S′，则空心部分截面积为S0=a2-■。

三、大道至简是教师教学智慧的体现

大道至简中的“简”是反复演变后的精髓经过浓缩后的表象，因而不能理解为一般意义上的简单。世上的事情难就难在简单，简单是真理，简单是智慧，简单是厚积薄发的力量。教学的原动力是追简，自然而然形成的简就是真，合情合理形成的简就是善，艺术加工形成的简就是美。真、善、美是物理教学追求的最高境界。对于物理教师来说，能把复杂的东西教得简单，会把简单的东西教得有厚度，让学生从一个概念、一个公式、一种方法中感受到物理的魅力，真正喜爱上物理。大道至简，返璞归真，这正是教师教学智慧的体现。

1.课堂呼唤“简约”

对于物理教学，有的教师把内容弄得很深奥，那是因为没有看穿实质；有的教师把它搞得很复杂，那是因为没有抓住教学内容的关键。大道至简意味着教学要“少而精”，能够透过现象看本质。所以，我们的物理课堂呼唤“简约”，特别是现在的学生学业负担过重，大家都认为亟须减负增效，简约课堂就显得格外重要了。“简约”其实就是简易、简单。教学目标要简洁、明了、具体，有可操作性和可测性；教学内容要简约、恰当、充实，能够突出重点、突破难点，把握关键点；教学手段、技术要适合、有度，体现科学性、针对性和实用性；针对训练要实用、典型、精准，有针对性、实效性。总之，课堂教学要简约到不难为学生，简单到不拒绝任何一个学生。把深奥的道理说浅显，把复杂的问题做简单。大凡最普遍、本真的东西都是最简单的，这是我们识别事物真伪的一条准则，也可以作为评价一堂好课的重要标准。

对于物理知识的简约可从以下三方面着手：①知识概念化。物理中有着大量的概念，这些概念都是用最精练的语言揭示事物的本质属性，例如，加速度是描述速度变化快慢的物理量，反映的是速度变化的快慢，而不是增加的速度。概念化，符合科学的简单性原则。②知识网络化。就是寻找知识之间的内在逻辑关系，把知识连成线、构成面、织成网，结构简化的知识体系，使知识的学习更迅速、更高效，学习能做到“纲举目张”。③知识模型化。物理所分析、研究的实际问题往往都很复杂，为了便于分析与研究，我们常常对实际问题做科学抽象的处理，用一种能反映原物本质特性的理想物质（过程）或假想结构去描述实际的事物（过程），这种“简化”的过程就是模型化，它能使复杂问题简单化、复杂过程简单化，便于对问题的理解与研究，也有助于抽象思维的训练。

2.教学重在“悟道”

在课堂上，把简约出的空间和时间还给学生，教师要变“习题”为“问题”， 变“授受”为“悟道”，让学生的学习更主动，更自由，学生通过自己的思考、体验、揣摩，悟出物理之道。经验告诉我们，有的知识讲得越多，学生越不明白，而让学生自悟自得，效果会更好，这需要教师通过非常巧妙、到位的设计和智慧的引导，促进学生悟道、悟情。

我们知道，开普勒的天文学和伽利略的动力学在各自的领域中都是优美和谐的，但都存在一定的局限性，如果把这两个方面的理论放在一起时就有不和谐之处。如何使天上物体的运动和地上物体的运动有一种共同的、简单的描述？牛顿从开普勒第三定律出发，经过研究发现，使行星保持在它们各自轨道上的力的性质是相同的，力的大小同它们到旋转中心的距离平方成反比。他用这个关系计算了月亮保持在自己轨道上所需要的力，并与地球表面的重力比较之后，发现它们符合得相当好，而且，万有引力作用下的天体运动遵从动力学的规律，牛顿实现了天体运动与地上物体运动的统一。在万有引力定律教学中，教师不仅让学生正确理解、应用该定律，还要引导学生悟出定律的简单性：牛顿只用了3个字母（m、r和F），就揭示了广袤的宇宙中万物的相互关联性，这定律几乎是简单到了极顶。进而领悟万有引力定律的简单美、和谐美。简单在科学史上已成为一个理论是否美的标尺——简单就是美。

大道至简，智慧之道，这种智慧蕴含在物理研究、物理学习和物理教学之中，值得我们去领悟和拥有。

责任编辑：徐瑞泰

Abstract： That “The most valuable principle is the simplest one” is humans wisdom， which can also be found in physics research， learning and teaching. This paper， starting from physics research， learning and teaching， cites some examples to analyze and interpret the simplest principles so that we can reach the level of truth， goodness and perfection， letting physics teaching return to its original value.

Key words： most valuable but simplest principle； wisdom； instructionendprint