物理與化學(xué)符號(hào)體系的對(duì)比及其對(duì)教學(xué)的啟示*

李錫均 莊浩麗 肖凱龍

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

符號(hào)是近代自然科學(xué)理論的重要工具，在科學(xué)理論的論述中使用符號(hào)有著諸多優(yōu)點(diǎn)．符號(hào)不僅能使科學(xué)理論以簡(jiǎn)潔、優(yōu)雅的方式進(jìn)行闡述，而且也使世界各地的人們能夠跨越語(yǔ)言的障礙，促進(jìn)學(xué)術(shù)的國(guó)際交流[1]．

物理與化學(xué)有著緊密的聯(lián)系，是自然科學(xué)中的兩個(gè)姐妹學(xué)科，也是高中生理科學(xué)習(xí)的兩個(gè)重點(diǎn)科目．這兩個(gè)學(xué)科都有一套屬于自己的符號(hào)系統(tǒng)，兩套系統(tǒng)既有聯(lián)系也有區(qū)別．對(duì)于化學(xué)符號(hào)體系的研究目前在中國(guó)知網(wǎng)上已能搜索到不少[2～4]，然而物理方面對(duì)此卻鮮有研究．

古語(yǔ)有云：“以人為鏡，可以明得失”.本文擬從符號(hào)的角度出發(fā)，以化學(xué)符號(hào)為“鏡”，對(duì)兩個(gè)學(xué)科的高中內(nèi)容所涉及到的符號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比研究，借此對(duì)物理學(xué)科的本質(zhì)和內(nèi)涵有更深入的理解，對(duì)高中物理的教和學(xué)有所幫助．

1 符號(hào)基本單元的對(duì)比研究

1.1 聯(lián)系

符號(hào)單元是組成符號(hào)體系的基本要素，通過(guò)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，物理和化學(xué)的符號(hào)單元皆為字母，且有著相同的選取原則，即取學(xué)科概念名稱(chēng)的首字母作為對(duì)應(yīng)符號(hào)．

如化學(xué)中的碳C-Carbon，氫H -Hydrogen等，以及物理中的速度v-velocity，質(zhì)量m-mass等．與在數(shù)學(xué)中隨意設(shè)未知數(shù)x,y,z等不同，這種做法能讓符號(hào)在使用上具有規(guī)范性而國(guó)際統(tǒng)一性，并減小了學(xué)科理論在國(guó)際學(xué)術(shù)交流中的語(yǔ)言障礙，從而方便國(guó)際的學(xué)術(shù)交流和合作．

1.2 區(qū)別

盡管物理和化學(xué)的符號(hào)表面上有一定程度的相似性，其內(nèi)在的性質(zhì)和內(nèi)涵卻仍有一定的不同.

1.2.1 對(duì)應(yīng)對(duì)象及使用范圍的不同

化學(xué)符號(hào)單元對(duì)應(yīng)的碳、氫等在本質(zhì)上是一種元素，或者是一種物質(zhì)，因此化學(xué)符號(hào)的使用具有較強(qiáng)的針對(duì)性，如在有機(jī)領(lǐng)域會(huì)大量使用碳符號(hào)C，討論氧化還原問(wèn)題時(shí)會(huì)大量使用氧符號(hào)O等．

另一方面，物理符號(hào)單元對(duì)應(yīng)的速度、質(zhì)量等本質(zhì)是上則是物質(zhì)的一個(gè)物理量．因此物理符號(hào)的使用則具有較大的廣泛性，理論上無(wú)論在討論力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等問(wèn)題的時(shí)候，都會(huì)用到質(zhì)量m，速度v等符號(hào)．

1.2.2 符號(hào)組合方式上的不同

不同符號(hào)單元間的結(jié)合可以產(chǎn)生新的符號(hào)形式，并用以表示更多的其他概念．

化學(xué)符號(hào)的結(jié)合通常是以不同符號(hào)單元以及數(shù)字間的排列組合進(jìn)行的，以用于表示某種物質(zhì)的元素構(gòu)成，如在表示化合物二氧化碳、水等物質(zhì)時(shí)，采用以C，H，O及數(shù)字相結(jié)合的CO2，H2O等，這種組合方式的命名法有良好的概括性，比如在以往單對(duì)硝酸鉀這一種化合物，就有硝石、鉀硝石、火硝、土硝等多個(gè)俗稱(chēng)，但通過(guò)化學(xué)符號(hào)組合成的化學(xué)式，只需KNO3就可以進(jìn)行表示了．

而物理符號(hào)的結(jié)合則通常在物理概念的互相定義中出現(xiàn)．通過(guò)學(xué)科分析，不難發(fā)現(xiàn)物理中很多物理量的概念是通過(guò)其他概念的四則運(yùn)算定義法得出的，如動(dòng)量被定義為是速度與質(zhì)量的乘積，即p=mv, 而加速度則被定義為是速度對(duì)時(shí)間的求導(dǎo)，即

1.2.3 物理符號(hào)還有希臘字母

如表示密度用ρ來(lái)表示，機(jī)械效率用η表示等，這是因?yàn)榕c之相關(guān)的浮力定律以及機(jī)械構(gòu)造都是古希臘科學(xué)家阿基米德所研究的內(nèi)容．

通過(guò)上述討論，兩個(gè)學(xué)科符號(hào)基本單元間的區(qū)別與聯(lián)系可用表1進(jìn)行歸納.

表1 物理化學(xué)學(xué)科符號(hào)單元的對(duì)比

總的來(lái)說(shuō)，化學(xué)符號(hào)由于對(duì)應(yīng)的是物質(zhì)，而且通過(guò)排列組合的方式進(jìn)行結(jié)合，這使得化學(xué)符號(hào)具有很強(qiáng)的準(zhǔn)確性和單義性[6]，即一個(gè)化學(xué)式只對(duì)應(yīng)一種化合物等．不允許一個(gè)符號(hào)代表幾個(gè)意義，這樣就保證了符號(hào)不像文字那樣模糊且容易引起歧義．但另一方面，由于化學(xué)世界中有成千上萬(wàn)種物質(zhì)，因此在表示種類(lèi)如此龐大的物質(zhì)時(shí)，便需要使用元素周期表中上百個(gè)元素符號(hào)，配以數(shù)字互相排列組合，從而構(gòu)建出各種各樣的化學(xué)式．因此學(xué)生在學(xué)習(xí)各種各樣的化學(xué)物質(zhì)及其化學(xué)式時(shí)，需要花一定的精力對(duì)此進(jìn)行記憶與梳理．

而物理符號(hào)則對(duì)應(yīng)的是物理量，由于物理量是所有物體共有的，因此理論上每個(gè)物理符號(hào)都能應(yīng)用于所有物理情境，其使用范圍具有廣泛性．然而，盡管物理量的種類(lèi)及數(shù)量不如化學(xué)式那樣浩如煙海，但用26個(gè)拉丁字母來(lái)表示的時(shí)候還是會(huì)顯得不足，目前在物理中只能是盡量保證在同一物理學(xué)分支中不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)多個(gè)物理量的情況，但在不同物理學(xué)分支間，這種情況就無(wú)法避免了，如字母f在力學(xué)中表示摩擦力(friction)，在電學(xué)中表示頻率(frequency)，而在光學(xué)中則表示焦距(focal distance)等[7]．

對(duì)此，假如在物理情境中涉及到的物理量發(fā)生了對(duì)應(yīng)符號(hào)的重合時(shí)，一般有以下的補(bǔ)救方法：

(1)用字母的大小寫(xiě)來(lái)加以區(qū)分，如壓強(qiáng)用大寫(xiě)P表示，而動(dòng)量則用小寫(xiě)p表示等．

(2)在符號(hào)中加下標(biāo)以示區(qū)別，如在電動(dòng)力學(xué)問(wèn)題中用E表示表示場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)于動(dòng)能和勢(shì)能，則用Ek和Ep來(lái)表示等．

(3)改用與英語(yǔ)字母相似的希臘字母進(jìn)行表示，如在電學(xué)中同時(shí)涉及到電動(dòng)勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，仍用E表示電場(chǎng)強(qiáng)度，而電動(dòng)勢(shì)則用希臘字母ε來(lái)表示等．

以上的區(qū)別措施都是需要在進(jìn)行符號(hào)運(yùn)算之前就完成的．

針對(duì)物理符號(hào)的這一特點(diǎn)，教師在講授物理概念的時(shí)候可注重引導(dǎo)學(xué)生對(duì)符號(hào)重合的物理概念進(jìn)行辨析，避免發(fā)生記憶混淆．

2 符號(hào)關(guān)系式的對(duì)比研究

符號(hào)基本單元的使用，簡(jiǎn)化了對(duì)其對(duì)應(yīng)對(duì)象的表示方式，而多個(gè)符號(hào)一同構(gòu)成的符號(hào)關(guān)系式，則能直觀、快速地描述學(xué)科的各種現(xiàn)象或規(guī)律．符號(hào)關(guān)系式是學(xué)科符號(hào)系統(tǒng)的第二個(gè)層次，也是更高級(jí)的一個(gè)層次．

在符號(hào)關(guān)系式上，兩學(xué)科也有如下聯(lián)系與區(qū)別.

2.1 聯(lián)系：皆為方程等式的形式

無(wú)論是化學(xué)的化學(xué)方程式，還是物理的物理方程，都在形式上有著極高的相似性，即代數(shù)學(xué)方程的形式，這背后和歷史上數(shù)學(xué)的發(fā)展進(jìn)程有著密不可分的聯(lián)系．

17世紀(jì)以前，歐幾里得的幾何學(xué)對(duì)自然科學(xué)界有著根深蒂固的影響，不過(guò)韋達(dá)、笛卡爾等數(shù)學(xué)家發(fā)展了符號(hào)代數(shù)學(xué)，而18世紀(jì)的數(shù)學(xué)大師歐拉則成為了符號(hào)代數(shù)學(xué)的集大成者，他在1770年編寫(xiě)出版了一本權(quán)威的符號(hào)代數(shù)學(xué)教材《關(guān)于代數(shù)的全面指南》(Vollst?ndige Anleitung zur Algebra)[7]，此書(shū)對(duì)自然科學(xué)家們有著重要的影響．

1788年，拉格朗日出版了名著《分析力學(xué)》，在此書(shū)中他用運(yùn)動(dòng)方程的形式重新闡述了牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論(此前牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中采用的是幾何方法)，成為力學(xué)理論發(fā)展的里程碑[9]．而在1813年，瑞典化學(xué)大師貝采里烏斯在雜志《哲學(xué)年鑒》上發(fā)表的文章中首次使用了拉丁字母的化學(xué)符號(hào)(此前化學(xué)界使用的是圖形符號(hào))[10]，從而為化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)鋪平了道路．

化學(xué)方程式的出現(xiàn)是化學(xué)學(xué)科發(fā)展中的重大進(jìn)步，用貝采里烏斯的名言來(lái)說(shuō)，即：“式子一下子就說(shuō)清楚需要好幾行言辭表述的東西”，因此對(duì)于“將鐵單質(zhì)放入硫酸銅溶液中，會(huì)發(fā)生置換反應(yīng)，鐵的表面會(huì)析出銅單質(zhì)，而硫酸銅溶液則變成了硫酸鐵溶液”這一化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，只需用Fe+CuSO4===Cu+FeSO4就可以直接表示完畢了．

而貝采里烏斯的名言也同樣適用于物理學(xué)，如牛頓在其著作《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》[11]中對(duì)牛頓第二定律的原始表述是“運(yùn)動(dòng)的變化永遠(yuǎn)跟所加的外力成正比，而且是沿著外力作用的直線方向發(fā)生的”，而到了今天，我們使用的F=ma在形式上則變得更為簡(jiǎn)潔．

由此可見(jiàn)，帶有方程形式的符號(hào)關(guān)系式對(duì)兩個(gè)學(xué)科都有著重要的意義．

2.2 區(qū)別：描述的內(nèi)容不同

兩個(gè)學(xué)科符號(hào)關(guān)系式的區(qū)別與其符號(hào)單元所對(duì)應(yīng)的對(duì)象不同有關(guān)．由于化學(xué)符號(hào)對(duì)應(yīng)的是一種物質(zhì)，因此由多個(gè)符號(hào)組成的化學(xué)方程式所描述的內(nèi)容，便是一個(gè)由這些物質(zhì)參與的化學(xué)現(xiàn)象．由于化學(xué)世界有著豐富多彩的化學(xué)現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的化學(xué)方程式也是琳瑯滿(mǎn)目．因此，高中生在學(xué)習(xí)化學(xué)的時(shí)候，常常需要以主題的形式對(duì)一類(lèi)相關(guān)的化學(xué)方程式進(jìn)行歸類(lèi)梳理，最后以網(wǎng)絡(luò)圖的形式呈現(xiàn)出來(lái)．

如圖1即為以硫元素S為主題的一個(gè)化學(xué)方程式歸納圖[12]．

圖1 硫元素相關(guān)化合物化學(xué)方程式歸納圖

而物理方面則由于其符號(hào)對(duì)應(yīng)的是物理量，因此由物理量組成的物理方程式，其描述對(duì)象是一個(gè)物理規(guī)律，而物理規(guī)律所對(duì)應(yīng)的，是一類(lèi)物理現(xiàn)象．

圖2 “知識(shí)的經(jīng)濟(jì)”示意圖

2.3 物理公式網(wǎng)絡(luò)圖構(gòu)建

在了解物理這一特點(diǎn)后，不難發(fā)現(xiàn)對(duì)于高中物理而言，處理絕大部分物理問(wèn)題時(shí)，真正需要我們掌握的，其實(shí)只是少量的核心公式．

既然化學(xué)方面能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)圖的方式將各個(gè)化學(xué)方程式有機(jī)地聯(lián)系在一起，那物理方面是否也能相應(yīng)的構(gòu)建一個(gè)物理核心公式網(wǎng)絡(luò)圖呢？對(duì)此，本文進(jìn)行了以下操作.

如圖3所示，以人教版高中《物理·必修1》教材[15]為例，對(duì)于第一章“運(yùn)動(dòng)的描述”和第二章“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”，其核心內(nèi)容為運(yùn)動(dòng)學(xué)方程(式①)，而在第三章“相互作用”中，其核心內(nèi)容為力的合成與分解，即式③，到了第四章“力與運(yùn)動(dòng)”，其核心自然是把力和運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái)的牛頓第二定律(式②)了．

圖3 人教版必修1，2核心公式網(wǎng)絡(luò)圖

由此我們得到了如圖3所示的物理·必修內(nèi)容的符號(hào)關(guān)系式網(wǎng)絡(luò)圖，當(dāng)然這絕不是說(shuō)圖3中的內(nèi)容就是兩本必修書(shū)的所有知識(shí)，而是在處理絕大部分必修內(nèi)容的物理問(wèn)題(力學(xué)問(wèn)題)時(shí)，學(xué)生需要掌握的核心公式無(wú)外乎圖2中所呈現(xiàn)的符號(hào)關(guān)系式．

2.4 與常規(guī)知識(shí)結(jié)構(gòu)圖的區(qū)別

常規(guī)的高中物理概念圖或思維導(dǎo)圖的呈現(xiàn)方式以文字表述為主，如圖4所示.

圖4 常規(guī)概念圖樣例

本文中的核心公式網(wǎng)絡(luò)圖，則重點(diǎn)通過(guò)物理學(xué)科中的各種符號(hào)關(guān)系搭建出來(lái)，文字能使知識(shí)網(wǎng)絡(luò)表述得更為詳盡、充實(shí)，但符號(hào)關(guān)系式卻更加簡(jiǎn)潔概括、易于記憶．因此，若能將兩者結(jié)合使用，長(zhǎng)處互補(bǔ)，將有更好的教學(xué)效果．

總的來(lái)說(shuō)，在通過(guò)借鑒化學(xué)方程網(wǎng)絡(luò)圖而做出的物理核心公式網(wǎng)絡(luò)圖中，不難發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)，對(duì)于公式的記憶，只要能對(duì)公式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行梳理，就不需要再花太多的精力了，但相應(yīng)的在對(duì)公式背后意義的理解，以及運(yùn)用公式計(jì)算解決問(wèn)題的能力上，對(duì)學(xué)生卻有著更高的要求．

3 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)作為物理的姐妹學(xué)科，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比研究，在加深對(duì)物理學(xué)科的理解上有著重要意義．本文從符號(hào)及符號(hào)關(guān)系的角度出發(fā)，對(duì)比分析了物理學(xué)公式的特點(diǎn)，并通過(guò)借鑒化學(xué)的化學(xué)方程網(wǎng)絡(luò)圖，構(gòu)造出了物理公式網(wǎng)絡(luò)圖，由此化繁為簡(jiǎn)，有助于學(xué)生對(duì)學(xué)科脈絡(luò)進(jìn)行較為清晰的把握，同時(shí)也能一定程度上減輕一些學(xué)生對(duì)物理學(xué)科的恐懼心理．若能在教學(xué)中注重引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建核心公式網(wǎng)絡(luò)圖，將會(huì)對(duì)其學(xué)習(xí)有所幫助．

然而，學(xué)生在學(xué)習(xí)化學(xué)時(shí)，絕不會(huì)說(shuō)掌握了化學(xué)方程網(wǎng)絡(luò)圖，就可以輕松應(yīng)付考試．同樣的，單純掌握物理公式網(wǎng)絡(luò)圖是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因?yàn)楹突瘜W(xué)學(xué)科一樣，作為一門(mén)理科學(xué)科，在物理學(xué)習(xí)中，更注重學(xué)生的物理思想[16]、分析思維[17]以及計(jì)算能力．

因此教師在教授高中物理時(shí)，還應(yīng)注重引導(dǎo)學(xué)生避免機(jī)械式的記憶知識(shí)，并在理解上幫助其建立物理思想，在問(wèn)題的解決上鍛煉其數(shù)學(xué)推理及物理分析能力，從而提升其學(xué)習(xí)效果．

1 付勇.化學(xué)符號(hào)在中學(xué)生化學(xué)問(wèn)題解決中的作用研究：[碩士學(xué)位論文].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué),2006

2 遲少輝. 化學(xué)符號(hào)認(rèn)知規(guī)律的微觀研究：[碩士學(xué)位論文].上海：華東師范大學(xué),2011

3 黃靜.初中生化學(xué)符號(hào)學(xué)習(xí)的調(diào)查及評(píng)測(cè)研究：[碩士學(xué)位論文].上海：華東師范大學(xué),2011

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10 許國(guó)良,王兵,陳占華.化學(xué)語(yǔ)言史研究(Ⅰ)——化學(xué)符號(hào)的產(chǎn)生與發(fā)展.東北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1991(04):75～80，92

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17 徐斌.分析與綜合思維在物理教學(xué)中的滲透.物理教師,2017,38(01):93～96

18 阮勝磊.物理理論的結(jié)構(gòu)對(duì)物理教學(xué)的意義：[碩士學(xué)位論文].上海：上海師范大學(xué),2013

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