例談形成物理概念的邏輯和非邏輯途徑

【摘 要】物理概念是進(jìn)行科學(xué)思想和科學(xué)方法教育的重要載體，教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)物理概念形成的邏輯和非邏輯途徑，是科學(xué)思想和科學(xué)方法教育取得成功的關(guān)鍵所在。本文試從物理教學(xué)中的例子談?wù)勎锢砀拍钚纬傻倪壿嫼头沁壿嬐緩健?/p>

【關(guān)鍵詞】物理概念 邏輯 非邏輯

【中圖分類號】G632 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1006－9682（2009）04－0145－02

愛因斯坦指出，物理概念的形成有兩條途徑：一是有意識的方面，即通過邏輯上思維的自由創(chuàng)造；另一是無意識方面，即通過非邏輯的直覺和想象。可以說，一個物理概念的形成，有著與之對應(yīng)的科學(xué)思想和科學(xué)方法的形成。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在“課程目標(biāo)”的“過程與方法”方面強(qiáng)調(diào)，需要讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，動手實踐，學(xué)習(xí)科學(xué)方法，體會科學(xué)思想，這充分體現(xiàn)了新課程對物理教學(xué)中科學(xué)思想和科學(xué)方法教育的重視。物理概念是進(jìn)行科學(xué)思想和科學(xué)方法教育的重要載體，教師在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)物理概念形成的邏輯和非邏輯途徑，是科學(xué)思想和科學(xué)方法教育取得成功的關(guān)鍵所在。本文試從物理教學(xué)中的例子談?wù)勎锢砀拍钚纬傻倪壿嫼头沁壿嬐緩健?/p>

一、物理概念形成的邏輯途徑

在有意識方面，概念不是從感覺和歸納中得到的，而是邏輯思維的自由創(chuàng)造。

1．從分析流行概念入手

分析流行概念的目的有二，一是分析它們的正確性和適用性。每個舊的概念都只能在一定的范圍內(nèi)和特定的條件下成立。分析這些概念在科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程中如何從經(jīng)驗中形成又高于經(jīng)驗的地位和作用，可以打破人們對舊概念產(chǎn)生的一種“權(quán)威性”的思想禁錮，敢于批判舊概念，提出新概念。二是分析它們存在的合理性和對應(yīng)性。如果新的實驗事實或深入的分析已經(jīng)證明舊概念的存在不再是充分合理的，它們應(yīng)該被拋棄。如果它們?nèi)杂幸欢ǖ拇嬖诤侠硇裕c對應(yīng)的事物聯(lián)系不那么全面和完整，它們應(yīng)該被修改。正是在這樣的自覺邏輯活動的基礎(chǔ)上舊的概念體系逐漸被新的概念體系所代替。［1］

物理學(xué)的時空觀從一開始就已滲透在整個物理教學(xué)的過程中。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時也受到一種時空觀的教育。在相對論時空觀的教學(xué)中，一方面，教師引導(dǎo)學(xué)生在討論經(jīng)典物理學(xué)的理論和成就的同時，應(yīng)使學(xué)生初步了解經(jīng)典物理學(xué)時空觀被突破的過程和愛因斯坦構(gòu)建相對論時空觀的方法；另一方面，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識經(jīng)典物理學(xué)時空觀的適用范圍和局限性，即只有在低速（和光速相比）條件下，經(jīng)典物理學(xué)的時空觀才是有效的。所以有了相對論的新時空觀，經(jīng)典物理學(xué)時空觀沒有必要徹底被拋棄。

2．對廣泛事實進(jìn)行考察

科學(xué)的基本概念不是通過概括同類事物得到的，而是在對廣泛范圍的各種龐大事物的考察中形成的。這樣的考察具有較大自由度，這是導(dǎo)致新概念形成的途徑。［1］

在機(jī)械運動的概念教學(xué)中，從觀察一些現(xiàn)象入手，如天體在運行，車輛在前進(jìn)，機(jī)器在工作，人在行走等。盡管這些現(xiàn)象的具體形象不同，但我們可以撇開它的具體形象，從他們的共性去考察，就會發(fā)現(xiàn)有共同的特征，即一個物體相對于另一個物體的位置隨時間在改變。我們把從一系列具體現(xiàn)象中抽出來，又反映著這一系列現(xiàn)象本質(zhì)的特征，叫做機(jī)械運動。［2］

3．注重建立概念之間的聯(lián)系

注重建立概念的內(nèi)部聯(lián)系，是發(fā)展基本概念的又一條重要途徑。［1］

加速度概念教學(xué)的形成是以速度的概念作為基礎(chǔ)的。教師在教學(xué)中先引導(dǎo)學(xué)生回憶速度的定義為物體的位移變化量與運動時間的比值，速度是描述物體位置變化快慢的物理量。然后進(jìn)行類比，引導(dǎo)學(xué)生回答用物體的速度變化量與運動時間的比值來描述物體速度變化的快慢，而加速度就是物體速度的變化量與發(fā)生這一變化所用時間的比值。把加速度概念和速度概念進(jìn)行類比，建立加速度概念和速度概念之間的聯(lián)系，加深了學(xué)生對加速度概念的理解。

4．運用數(shù)學(xué)工具加以表達(dá)

物理學(xué)的發(fā)展與數(shù)學(xué)密不可分，數(shù)學(xué)不只是演繹推理的工具，也是創(chuàng)造和表達(dá)基本概念的工具。著名物理學(xué)家湯姆遜說過：“如果不能用數(shù)學(xué)來表示，那么你的認(rèn)識是不夠的、不能令人滿意的，可能只是初步的認(rèn)識，在你的思想上，還沒有上升到科學(xué)的階段，不論你講的是什么?！保?］

現(xiàn)代物理學(xué)從誕生之日起就與數(shù)學(xué)結(jié)下了不解之緣，絕大多數(shù)物理概念不僅具有質(zhì)的規(guī)定性，而且具有量的可測性，數(shù)學(xué)為物理概念的量化和應(yīng)用提供了保證。如力、速度、加速度、位移、質(zhì)量、重力、溫度、電阻率等等，都可以用簡捷的數(shù)學(xué)公式來表達(dá)。

5．形成和發(fā)展基本概念體系

科學(xué)的基礎(chǔ)是基本概念，正是在基本概念上才有了科學(xué)的體系。任何基本概念的形成和發(fā)展都會影響到概念體系的構(gòu)成和演變。［1］

在司南版高中物理必修二“高速世界”的教學(xué)過程中，教師應(yīng)使學(xué)生有著這樣的認(rèn)識：牛頓力學(xué)體系是在“絕對的時空觀”這個基本概念的基礎(chǔ)上建立的。愛因斯坦為了保持物理學(xué)定律在邏輯上的一致性和麥克斯韋電磁理論的有效性，對牛頓力學(xué)體系中的基本概念——時間做出了重要的修改，構(gòu)建了新的時空觀，在嶄新的時空觀的基礎(chǔ)上創(chuàng)立了狹義相對論。除了時空觀以外，引力也是牛頓理論體系中的一個重要的基本概念。愛因斯坦在這個基本概念上也創(chuàng)立了對引力的新認(rèn)識，從而提出了廣義相對論。

二、物理概念形成的非邏輯途徑

在物理概念形成的過程中，心理因素特別是信念、直覺、形象思維、想象等有著重要的作用。

1．信念是理智品質(zhì)的重要因素

在一切有意義的科學(xué)工作背后，每個科學(xué)家必定有一種關(guān)于世界合理性或可理解性的信念。正是這樣的信念在激勵和支撐著科學(xué)家，給他們一種超個人的力量，使他們關(guān)注著人類和社會的發(fā)展。［1］

在電磁感應(yīng)的教學(xué)中，教師可以對電磁感應(yīng)的發(fā)現(xiàn)作進(jìn)一步的解釋。在奧斯特發(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng)之后不久，物理學(xué)家們開始了磁生電的實驗研究。但許多實驗都失敗了。在一次次的失敗之后，許多物理學(xué)家都開始懷疑磁能否生電，并逐步退出了這方面的研究。然而，整整十年的探索，整整十年的失敗，絲毫也沒有動搖法拉第“磁能生電”的堅定信念。他想到的是“如果試驗不成功，這只能表明我還考慮得不夠周全?！薄凹词箤嶒炚娴牟荒艹晒?，那也應(yīng)該把原因找出來?！狈ɡ趹{著堅定的信念，終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象。［3］

2．直覺是科學(xué)研究最可貴的因素

在愛因斯坦看來，科學(xué)研究方法中“真正最可貴的因素是直覺”。直覺指的是人在不自覺時突如其來出現(xiàn)的對某一個問題的理解或頓悟。有時人們把這種頓悟稱作“靈感”、“啟示”等。直覺是一種非邏輯的思維能力，是面對各種可能性做出正確選擇的重要能力。［1］

眾所周知的阿基米德定律就是憑直覺解決疑問的例證。阿基米德在面臨“結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金冠是否用同等重量的白銀摻假”問題時百思不得其解。正當(dāng)阿基米德為揭示皇冠的秘密日夜苦思冥想時，卻在浴盆里沐浴時頓悟出浮力定律。科學(xué)家正是憑著跳躍性的直覺思維使他們的疑問迎刃而解。

3．形象思維是自由創(chuàng)造的內(nèi)部因素

科學(xué)家創(chuàng)造性思維的特征就在于先進(jìn)入利用形象思維或表象思維的階段，它導(dǎo)致了概念的形成。從這樣的科學(xué)方法論出發(fā)，我們應(yīng)該在物理教學(xué)上充分利用和發(fā)展形象思維的重要作用。［1］

如在原子物理中人們對原子模型的認(rèn)識先有湯姆遜的“帶有葡萄干的蛋糕模型”，后有盧瑟福的“太陽系的行星模型”。再如，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者威爾遜在青年時期曾于1927年到過英國的本內(nèi)維斯峰天文臺休閑數(shù)周，山上云霧飄渺的奇景給他留下了深刻的印象。后來當(dāng)卡文迪許實驗室主任湯姆遜提出需要一種能顯示出電子路徑的儀器時，在沒有類似儀器參考的情況下，他馬上想到了山上觀察到的云霧。憑借著他對大自然瑰麗壯美的熱愛和豐富的形象思維能力幾經(jīng)試制，終于成功地制造出威爾遜云室。

4．想象是科學(xué)研究中的實在因素

愛因斯坦有一句名言：“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進(jìn)步，并且是知識進(jìn)化的源泉。嚴(yán)格地說，想象力是科學(xué)研究中的實在因素?！痹诳茖W(xué)研究中，不僅要對已經(jīng)存在的自然現(xiàn)象進(jìn)行解釋和說明，更重要的是要從觀察實驗所得到的經(jīng)驗材料中去分析把握事物的內(nèi)部特征和內(nèi)部過程的相互作用和相互聯(lián)系，在這里，科學(xué)的想象就是十分必要的。［1］

在學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的知識時，教師可以在教學(xué)中貫穿相關(guān)的史實來使學(xué)生更好地想像“電”。200年前，“電”以陌生的面目出現(xiàn)在人類面前，人們看不到電的運動形態(tài)。美國物理學(xué)家富蘭克林在思考中想起嘩嘩流淌的小河——電是否像流水那樣發(fā)生位移運動？于是，他把電想像成一種流體，這種充塞于一切物體的流體有時穩(wěn)定，有時流動；穩(wěn)定時物體不帶電，流體過多時帶正電、過少時帶負(fù)電；流體有趨于穩(wěn)定的傾向，這種傾向表現(xiàn)為吸引力，引力太強(qiáng)就發(fā)生電火。盡管這其中難免有些錯誤的想像，在當(dāng)時還不可能形成科學(xué)的物理理論，但至少已為電荷、電流、帶電體等概念以及物體的起電、中和等規(guī)律勾畫出了粗略的框架，為現(xiàn)代電磁學(xué)理論的建立開辟了道路。［3］

5．科學(xué)美是對美的認(rèn)識的更高層次

在物理學(xué)中體現(xiàn)的科學(xué)美是人們對于美的認(rèn)識的一個更高層次。美的規(guī)律對于人類進(jìn)行科學(xué)活動有著重要的認(rèn)識論和方法論的意義。［1］

物理概念、規(guī)律表達(dá)上的簡煉、準(zhǔn)確，是物理學(xué)家對科學(xué)簡潔美不斷追求的體現(xiàn)；運動與靜止、引力與斥力、反射與折射以及電、磁、光三者的相互關(guān)系，體現(xiàn)了物理理論的對稱與統(tǒng)一；下拋與上拋、加速與減速、地面物體運動與天上星體運動的統(tǒng)一，體現(xiàn)了物理理論的自洽和完備；相對論在時間和空間上達(dá)到高度的對稱美、簡潔美和統(tǒng)一美，堪稱20世紀(jì)物理學(xué)的美學(xué)珍品。在物理教學(xué)中不但要使學(xué)生獲取系統(tǒng)的物理知識，提高科學(xué)能力，而且要讓學(xué)生以享受美、追求美為動力，達(dá)到在科學(xué)美的“王國”中自由翱翔的境界。

6．內(nèi)心自由是大自然難得賦予人類的禮物

內(nèi)心的自由在于思想上內(nèi)部不受權(quán)威和社會偏見的束縛，也不受違背哲理的常規(guī)和習(xí)慣的束縛。內(nèi)心的自由是大自然難得賦予人們的一種禮物，也是值得個人去追求的一個目標(biāo)。［1］

伽利略堅持真理、捍衛(wèi)真理，堅持宣傳“日心說”，即使被宗教法庭判處終身囚禁，也沒有被強(qiáng)權(quán)所屈服，仍在家中寫下了《兩種新科學(xué)的對話》一書。布魯諾也是為了堅持“日心說”，受到宗教法庭的迫害，他寧愿自己被燒死，也要將人類引進(jìn)真理的殿堂，表現(xiàn)了為科學(xué)獻(xiàn)身的大無畏精神。很多事例可以告訴學(xué)生，任何科學(xué)認(rèn)識的產(chǎn)生和科學(xué)創(chuàng)造的出現(xiàn)都是在沖破前人的局限、擺脫對權(quán)威的迷信和改變傳統(tǒng)思維定勢下實現(xiàn)的。

三、結(jié) 語

高中學(xué)生尚缺乏物理學(xué)知識的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，難以理解和體會物理概念形成中所蘊(yùn)涵的科學(xué)思想和科學(xué)方法。因此，教師應(yīng)通過自己對物理概念的理解和再創(chuàng)造，從物理概念的形成過程中去挖掘其中的科學(xué)思想和科學(xué)方法，并以學(xué)生能夠接受的方式向他們展示，啟發(fā)學(xué)生的思考和領(lǐng)悟。這對于從整體上提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)具有十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)

1 朱鋐雄.物理教育展望.華東師范大學(xué)出版社，2002（2）：86～93

2 閻金鐸、王志軍、俞國祥著.北京師范大學(xué)，1998（6）：82～83

3 程九標(biāo)、張憲魁、陳為友.物理發(fā)現(xiàn)的藝術(shù).中國海洋大學(xué)出版社，2003（1）：286、400