例談古詩詞輔助的物理實(shí)驗(yàn)方法教育

李正福 熊萬杰

(1. 中國教育科學(xué)研究院,北京 100088; 2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院,廣州 510640)

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的重要特性,物理教學(xué)過程必須以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ),實(shí)驗(yàn)方法理應(yīng)是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的重要內(nèi)容．[1]文學(xué)與科學(xué)分屬不同領(lǐng)域,但文學(xué)創(chuàng)作和科學(xué)探索都屬于創(chuàng)造性活動(dòng),都需要?jiǎng)?chuàng)新精神,在思維活動(dòng)上有許多相通之處．比如,他們都注意對(duì)生活的觀察和體驗(yàn),都有一個(gè)對(duì)材料的收集和提煉的過程,都離不開假設(shè)和想象,等等．這就奠定了利用古詩詞促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)方法教學(xué)的思維基礎(chǔ)．以古詩詞為輔助,結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)方法的具體內(nèi)容,探索文理兼修、手腦雙培、真善美融合的物理實(shí)驗(yàn)方法顯性教育模式,既能弘揚(yáng)中華傳統(tǒng)文化陶冶情操,又能融合情感、理性與實(shí)驗(yàn)探索,有助于提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量,更好地促進(jìn)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展．

1 “東臨碣石,以觀滄海”與觀察法

“東臨碣石,以觀滄?！背鲎匀龂鴷r(shí)期曹操(155—220年)的《觀滄?！?意思是說,東行登上碣石山,來觀賞那蒼茫的大海．該詩的后面幾句“水何澹澹,山島竦峙．樹木叢生,百草豐茂．秋風(fēng)蕭瑟,洪波涌起”描述的則是詩人觀賞到的景色:海水寬闊浩蕩,山島高高聳立;樹木繁茂,花草豐美;洪波巨瀾,洶涌起伏;不停運(yùn)行的日月、星光燦爛的銀河都似乎與這蒼茫的大海存在某種關(guān)聯(lián)．詩人游覽、觀看、欣賞如此浩瀚、雄壯的景色,為的是感悟和抒情:幸甚至哉,歌以詠志,以此展現(xiàn)自己博大的胸懷、開闊的胸襟、宏遠(yuǎn)的抱負(fù)．

事實(shí)上,人類探索自然、利用自然的一切實(shí)踐活動(dòng)都離不開觀察方法．觀察是最基本、最古老、最直接的科學(xué)方法,也是當(dāng)今嚴(yán)密的科學(xué)研究中最常用的方法之一．[2]物理學(xué)中觀察方法的應(yīng)用當(dāng)然不像詩人的觀察那樣,是為了借景抒情．但是,兩者之間還是有些共同之處的,如曹操觀滄海,是一種感官的觀察,觀察的就是滄海的現(xiàn)象和動(dòng)向,是對(duì)自然現(xiàn)象在自然發(fā)生的條件下(不進(jìn)行任何人工干預(yù)和控制)進(jìn)行的考察．物理學(xué)中的觀察除此之外,還必須有計(jì)劃性和目的性,必要時(shí)借助觀測(cè)工具和儀器來延闊視野、見微知著．例如,伽利略借助望遠(yuǎn)鏡觀察,發(fā)現(xiàn)了太陽黑子和木星的衛(wèi)星,看到了前人所未見的天文現(xiàn)象;牛頓運(yùn)用三棱鏡觀察,發(fā)現(xiàn)了白光是由赤橙黃綠青藍(lán)紫7種單色光組成的復(fù)合光,改變了人們關(guān)于光的傳統(tǒng)觀念;荷蘭的列文虎克制成顯微鏡,以此觀察清澈見底的水,發(fā)現(xiàn)了大量的微生物……此外,物理學(xué)中的觀察還要注重客觀性、全面性和可重復(fù)性．科學(xué)的觀察都要有詳細(xì)的記錄,對(duì)于觀察中感知的各種資料、記錄的各種數(shù)據(jù)要實(shí)事求是地對(duì)待．一個(gè)科學(xué)觀察的結(jié)果必須能夠被他人重復(fù),才能得到認(rèn)可．例如磁單極子的觀測(cè),美國物理學(xué)家凱布雷拉于1982年曾宣稱,在他的磁單極子探測(cè)器中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶單位磁荷的粒子．但這是他在經(jīng)過151天連續(xù)觀察后得到的唯一的一個(gè)事例,這個(gè)觀察現(xiàn)象不能被重復(fù),所以不能認(rèn)為是確鑿的發(fā)現(xiàn)．[3]如果該發(fā)現(xiàn)被確認(rèn),現(xiàn)行的磁學(xué)理論將要被顛覆．

2 “兩情若是久長時(shí),又豈在朝朝暮暮”與假說法

“兩情若是久長時(shí),又豈在朝朝暮暮”出自宋代秦觀(1049—1100年)的《鵲橋仙·纖云弄巧》．意思是說,兩個(gè)人之間感情如果深厚而久遠(yuǎn),又何必朝夕廝守?這里的“若”乃“假如”之意,實(shí)是描述一種假設(shè),假設(shè)兩情是深厚的、永恒的．這個(gè)假設(shè)導(dǎo)致的結(jié)論是:即便是兩人暫時(shí)分別,感情也不會(huì)有絲毫的損傷．文學(xué)假設(shè)的本體和結(jié)論是一種因果關(guān)系,它們?nèi)诤县炌?、共同作?提升了作品的感染力和表現(xiàn)力．科學(xué)假設(shè)的本體和推論也是因果關(guān)系,假設(shè)的本體一般就是一個(gè)新的理論和新的概念,根據(jù)它除了能夠解釋新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)結(jié)果外,甚至可以進(jìn)一步預(yù)言未知的事實(shí)．

科學(xué)假設(shè)是科學(xué)家為解釋新的實(shí)驗(yàn)事實(shí),立足于已有的科學(xué)理論并進(jìn)行必要的邏輯推理而提出來的學(xué)術(shù)思想．這其實(shí)是一種科學(xué)研究方法,因此又稱為假說法,物理學(xué)中有許多重大的發(fā)現(xiàn)和發(fā)明都是運(yùn)用假說方法取得的．例如黑體輻射(如圖1),人們根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了入射光的波長與輻射強(qiáng)度的曲線(圖中的空心點(diǎn)),而維恩用熱力學(xué)方法導(dǎo)出的公式在長波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符,瑞利和金斯用分子動(dòng)力學(xué)的方法得到的曲線在紫外波段(圖中的短波部分)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較大的背離,史稱“紫外災(zāi)難”．這就說明舊的理論已經(jīng)不能說明新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)了．1900年,普朗克針對(duì)此問題提出著名的量子假說,認(rèn)為能量不是連續(xù)的,而是一份一份的,據(jù)此成功地解釋了熱輻射現(xiàn)象．

圖1 黑體輻射波長與輻射強(qiáng)度的關(guān)系

假說在未經(jīng)檢驗(yàn)之前只是一種帶有方向性的有待驗(yàn)證的學(xué)術(shù)思想,如果后來的實(shí)踐或?qū)嶒?yàn)證明它是正確的,那么它就上升為科學(xué)理論,否則就需要進(jìn)行修改,以提出新的假說,直至達(dá)到目標(biāo)為止．可見,假說要發(fā)展成為“定律”也必須依靠大量的觀察和實(shí)驗(yàn)的事實(shí)．例如,1956 年,當(dāng)精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果把“τ-θ疑難”尖銳地?cái)[到物理學(xué)家面前時(shí),楊振寧和李政道敏銳地審察了從未被懷疑的宇稱守恒定律的適用范圍,大膽提出了弱相互作用中宇稱不守恒的假說．隨后,吳健雄和她的實(shí)驗(yàn)合作組成員一起進(jìn)行了一個(gè)Co-60原子核β衰變實(shí)驗(yàn),首次得到了宇稱不守恒的實(shí)驗(yàn)證據(jù)．緊接著,加溫、萊德曼和溫里克進(jìn)行了π的μ子衰變和μ子的電子衰變,得到了同樣的結(jié)論．以后的半年之內(nèi),大概有幾百個(gè)這方面的實(shí)驗(yàn)出來,從而證實(shí)了這一假說的正確性,導(dǎo)致了物理學(xué)理論的一個(gè)突破性進(jìn)展．[4]

3 “醉臥沙場(chǎng)君莫笑,古來征戰(zhàn)幾人回”與統(tǒng)計(jì)法

“醉臥沙場(chǎng)君莫笑,古來征戰(zhàn)幾人回”出自唐代王翰(687—726年)的《涼州詞》,其意思是說,即便飲酒醉倒了,躺在沙場(chǎng)上,你也莫要取笑,自古以來又有幾人能夠在征戰(zhàn)中全身而退．的確,戰(zhàn)爭是殘酷的,從古到今,人類經(jīng)歷過大大小小的戰(zhàn)爭無數(shù),參與戰(zhàn)爭的人千千萬萬,但真能從戰(zhàn)爭中全身而退的人卻為數(shù)不多．盡管詩人想表達(dá)是今日要一醉方休,即使醉倒在戰(zhàn)場(chǎng)上又何妨,此次出征要將自己的安危置之度外,為國效力．但從方法論的角度來看,這句詩實(shí)際上不自覺地運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)法．這種方法是指通過分析和解釋大量數(shù)據(jù)或事例,得出這些數(shù)據(jù)或事例背后隱藏的某種規(guī)律性,從而做出一定的結(jié)論．物理學(xué)中的統(tǒng)計(jì)方法是一種從微觀結(jié)構(gòu)上來研究物質(zhì)的宏觀性質(zhì)及其規(guī)律的方法．運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法要抓住兩個(gè)要素,一是需要有大量的樣本,二是從大量的樣本中導(dǎo)出某種結(jié)論．“古來征戰(zhàn)幾人回”中,古往今來大量的戰(zhàn)爭事例就是樣本;“幾人回”,也就是少部分的人能夠回來,這是通過統(tǒng)計(jì)后得到的結(jié)論．

圖2 伽爾頓板實(shí)驗(yàn)

物理學(xué)中有一個(gè)伽爾頓板實(shí)驗(yàn)(如圖2):在一塊豎直木板的上部規(guī)則地釘上鐵釘,木板的下部用豎直隔板隔成等寬的狹槽,從頂部中央的漏斗形入口處投入小球,板前覆蓋玻璃使小球不致落到槽外．小球從入口處投入,在下落過程中將與鐵釘發(fā)生多次碰撞,最后落入某一槽中．實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):投入單個(gè)小球,小球與鐵釘碰撞后落入哪個(gè)槽中具有隨機(jī)性．大量小球同時(shí)投入或單個(gè)小球分別多次投入,最終會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律性:落入中間部位槽中的小球總是較多,而落入兩側(cè)槽中的小球總是較少．這說明,當(dāng)落入隔槽的小球數(shù)目足夠大時(shí)其分布具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律．

19世紀(jì)后半葉,人們認(rèn)識(shí)到,在由大量粒子組成的系統(tǒng)中,用每個(gè)粒子的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律來描繪整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)是難以實(shí)現(xiàn)的．事實(shí)上,1mol物質(zhì)就含有阿伏伽德羅常數(shù)(6.02×1023)個(gè)粒子,如果對(duì)每個(gè)粒子列出一個(gè)牛頓力學(xué)方程去求解它的速度、位移和加速度,其計(jì)算量是難以想象的．因此,只有借助于數(shù)學(xué)中的概率論對(duì)大量偶然現(xiàn)象作統(tǒng)計(jì)的處理,才能找到把個(gè)別粒子的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)與觀察到的宏觀現(xiàn)象聯(lián)系起來的途徑,也就是說,多體系統(tǒng)在整體上表現(xiàn)出某種統(tǒng)計(jì)規(guī)律性．運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法,人們知道大量微觀粒子所組成的系統(tǒng),其壓強(qiáng)與粒子運(yùn)動(dòng)的劇烈程度正相關(guān),與單位體積內(nèi)粒子的個(gè)數(shù)成正比．

4 “欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜”與類比法

“欲把西湖比西子,淡妝濃抹總相宜”出自宋代蘇軾(1037—1101年)的《飲湖上初晴后雨》,其意思是說,如果把美麗的西湖比作美人西施,那么淡妝也好,濃妝也罷,總能很好地烘托出她的天生麗質(zhì)和迷人神韻．這就是把西湖之美和西施之美做了比較,是一種典型的類比法,簡言之,就是把兩個(gè)同類事物,或是不同類事物的同類特征進(jìn)行比較．物理學(xué)中的類比法與之類似,就是根據(jù)兩個(gè)研究對(duì)象在行為或性質(zhì)方面的相似之處,應(yīng)用邏輯分析和推理找出它們的共性或相同、相似之處．此外,使用類比法也有助于打通學(xué)生物理情感世界,給學(xué)生創(chuàng)造“最佳思維環(huán)境”以使學(xué)生猜想出新授知識(shí)的內(nèi)容、結(jié)構(gòu)、研究思想與方法,激發(fā)學(xué)習(xí)的積極性,變被動(dòng)聽為主動(dòng)做．[5]可以用來類比的兩種物質(zhì),要么具有簡單的共存關(guān)系,如正負(fù)電荷和相異磁極之間類比,它們都存在相互吸引力;要么具有可能存在的因果關(guān)系,如具有波動(dòng)性的微觀粒子和經(jīng)典波類比,既然經(jīng)典波有波動(dòng)方程,微觀粒子也應(yīng)該有,這就是薛定諤方程;要么具有對(duì)稱關(guān)系,如負(fù)電子和正電子類比,它們分別具有正能量和負(fù)能量．

在文學(xué)作品中運(yùn)用類比方法,比平鋪直敘更為含蓄而有意味．例如李白就用“桃花潭水深千尺,不及汪倫送我情”將潭水之深與汪倫對(duì)他的感情之深做了類比;杜牧的“停車坐愛楓林晚,霜葉紅于二月花”將霜葉之紅與二月花之紅做了類比;柳宗元的“千山鳥飛絕,萬徑人蹤滅”通過對(duì)山上動(dòng)物的隱匿和路上的人跡罕至進(jìn)行類比,讓冰雪的寒冷和環(huán)境的冷清躍然紙上……物理學(xué)中運(yùn)用類比方法,則能有許多新的發(fā)現(xiàn),尤其是在材料不足、難以進(jìn)行歸納和演繹論證的情況下,類比不失為一種打開思路、由此及彼的認(rèn)識(shí)途徑．粒子波動(dòng)性的提出是法國物理學(xué)家德布羅意將光學(xué)現(xiàn)象與力學(xué)現(xiàn)象作了科學(xué)的類比后提出的一種假說．考慮到光的運(yùn)動(dòng)服從最短路程原理即費(fèi)馬原理;而經(jīng)典力學(xué)中質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)遵循力學(xué)的最小作用量原理(即在物體一切可能的物理行為中,其實(shí)際的行為一定是作用量最小的那個(gè)行為),而這兩個(gè)原理具有相似的數(shù)學(xué)表達(dá)式和思想內(nèi)核,基于以上類比,德布羅意大膽推論,粒子應(yīng)該和光一樣也具有波粒二象性．既然粒子也具有波動(dòng)性,那么這種波動(dòng)就成為物質(zhì)波,也稱為德布羅意波．德布羅意的科學(xué)預(yù)言于1927年被電子衍射實(shí)驗(yàn)所證實(shí)．

5 小結(jié)和啟示

物理課程既要培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng),也要促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展．[6]物理學(xué)科核心素養(yǎng),主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任,而中國學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)除了包括科學(xué)精神、理性思維、勇于探究之外,還包括人文積淀、人文情懷、審美情趣等,強(qiáng)調(diào)引導(dǎo)學(xué)生理解和掌握人文思想中所蘊(yùn)含的認(rèn)識(shí)方法和實(shí)踐方法,能關(guān)切人的生存、發(fā)展和幸福,具有藝術(shù)知識(shí)、技能與方法的積累．中國古詩詞意境悠遠(yuǎn)、哲理深厚,富有節(jié)奏和韻律,飽含想象與聯(lián)想,充滿思辨與論爭,是美的濃縮,是思維的結(jié)晶,是方法的碩果．利用古詩詞促進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法教學(xué),學(xué)生不僅能夠掌握實(shí)驗(yàn)方法,提高物理學(xué)科核心素養(yǎng),還能夠感受到美的力量,得到人文素養(yǎng)的提升．有鑒于此,我們嘗試在思維互通的基礎(chǔ)上將古詩詞與物理實(shí)驗(yàn)方法教育相互融合,先分析古詩詞中某些與方法論相關(guān)的描述,挖掘其中蘊(yùn)含的具體方法,再將之與物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行匹配關(guān)聯(lián),使得文理相互滲透和融合,力爭以詩情畫意之美增益科學(xué)之美,從而激發(fā)學(xué)生的求知欲和好奇心,給物理科學(xué)方法的闡釋增添感染力、親和力和吸引力．