“寫意”與“工筆”及其他
——從科學方法、教材結構看教學

張映輝

(大連海事大學理學院，遼寧 大連 116026)

1 何處是學生難過的“坎兒”？

物理科學是自然科學之母，是現(xiàn)代技術的先驅(qū)。在其發(fā)展過程中，作出杰出貢獻的物理學家們無疑都是這個星球上最聰明、最勤奮、最富靈感的人。而在當今的大學(甚至中學)里，物理學又是一門理工科必備的基礎課程。物理教師的任務，就是讓眾多年輕學生的大腦(心靈)與學界大師聯(lián)接起來，帶領他們與幾百年來的科學巨擎學習交流，建立物理概念，理解物理定律、原理、公式與算法，領悟物理思想，掌握物理方法。

物理難學、難教。從客觀上講，不僅在于其研究對象(領域)的廣泛性(微觀、宏觀、宇觀)、復雜性(機械運動、熱運動、電與磁、核的裂變與聚變、宇宙形成與運動)，研究內(nèi)容的深入性(狀態(tài)與過程、定性與定量，定律及原理)，更在于其研究方法(觀察與歸納、類比與假說、分析與統(tǒng)計)、表述方式(語言、代數(shù)、微分、算符)，以及其中所必須建立的物理概念(定義、物理量、專用符號)的多樣性。

事情越艱難，思路和方法就越顯重要。通過對教材(內(nèi)容、結構及其所涉及的科學方法)和一般的教學過程進行深入分析，筆者發(fā)現(xiàn)，教學(教材)中所采用表述(描述)方法的差異(包括研究方法的轉換和時空觀的改變等，下同)往往是某些學生不適應、掉隊的重要原因。這些差異，有的是物理學不同分支、不同淵源所“先天固有”的，有的則是編寫教材和教學層次設計者人為的(如力學的3個層次：中學力學，普物力學和理論力學)。

所謂的銜接(比如最近經(jīng)常講的大中銜接)，絕不僅僅是淺與深、易與難的問題，而是要從分析教材與學生原有知識入手，從不同教學內(nèi)容、教學階段在研究問題、解決問題的角度、思路與方法的差異上找原因，解扣子，幫助學生適應表述方式的“切換”、研究方法的“轉換”，特別是時空觀的“變換”，弄懂物理原理，掌握科學規(guī)律，領會物理方法及其意義，順利過“坎兒”。

2 較為典型的方法“切換”與教學策略

2.1 “寫意”與“工筆”——大學物理與中學物理如何銜接

從中學物理到大學物理(以力學為例)，有沒有銜接問題，當然有。是不是難易問題，當然是。但是，易在哪兒，難在哪兒，又怎樣實現(xiàn)銜接呢？

筆者認為，主要是由于教學目標不同而在教材結構上選擇了不同的描述(敘事)方式。中等教育更多的帶有普及科學知識和“通識教育”的成份。而大學物理課的教學目標[1]是培養(yǎng)研究人員、教學人員和工程技術人員。所以，中學物理的描述是理想的、粗放的、籠統(tǒng)的，更像中國的寫意畫，只需傳遞一種觀念(如能量守恒)，神似即可，提出的問題和解決問題的方法都是越簡略越好。而大學物理(以力學為例)，則直接引入了微積分的方法來描述運動過程，這種描述無疑更接近于工程(自然)實際，更為精確，好像工筆畫。但是，由于教材中的多數(shù)習題是理想(狀態(tài))的，往往有些“好學生”運用中學的方法就能解開習題，得出同樣的答案。這就使得他們忽略了大學普通物理階段的某些必備訓練。等到進入更高階段(如理論力學)必須用微積分時，那部分從前的“好學生”基礎反而不夠用了。當時(大學物理)的簡單通過，變成了真正沒有過去的“坎兒”。

所以，教師在教學中，必須對這種“寫意”與“工筆”的切換了然于心，引導(甚至逼迫)學生放棄早在中學時就已“爛熟”的方法，學會運用更為精確的微積分思維和方法。

2.2 “唯象”與“解析”——應著力傳授熱學研究的兩種方法

與其他分支學科比較，熱學的內(nèi)容并不深奧，熱力學定律簡單明了，結論清晰，接近常識，大多容易理解和記憶，并且沒有更多復雜的公式和運算。但是，學生卻普遍感到內(nèi)容零碎，沒有系統(tǒng)性，不像一門完整嚴謹?shù)膶W科，學完了感覺印象不深，進步不大，抓不住重點。許多青年教師也覺得知識點散亂，(研究)方法跳來跳去，找不到層層深入、一貫到底的感覺。

其實，熱學不僅其規(guī)律應用廣泛，貼近生活，而且，就是知識體系本身來講，更具啟發(fā)和借鑒意義。因為它分別從宏觀和微觀兩個角度研究物質(zhì)的熱現(xiàn)象，為我們展現(xiàn)了兩種研究、探索和認識世界的科學方法——“唯象”與“解析”。所謂“唯象”是指：從宏觀實驗得出熱力學第一定律、第二定律。所謂“解析”是指通過微觀模型加統(tǒng)計分析得出熱力學系統(tǒng)的狀態(tài)參量——壓強公式、溫度公式以及能量按自由度均分原理。

不可否認，多數(shù)教師都能夠在教學中對這兩種方法進行比較，耐心細致地敘述和講解。但一些學生為什么還是感覺熱學知識比較散、不系統(tǒng)呢？

筆者認為，學生感到知識點散、亂、不系統(tǒng)、進步不明顯的原因就在于部分教師對于傳授知識與教授方法的主次關系認識不到位，只是按部就班、照本宣科地介紹知識的內(nèi)容，缺乏對兩種方法、兩套體系本質(zhì)特征的深入認識和分析。

筆者建議，在熱學的教學中，要把“唯象”的宏觀實驗歸納與微觀模型統(tǒng)計“解析”兩種“科學方法”作為教學的重點。也就是說，適當改變熱力學定律證明(發(fā)現(xiàn)、演繹)過程與結論(熱力學定律)內(nèi)容在教學中的主次關系，變一般的重結論輕過程為更加注重過程，即更加注重熱力學研究方法的傳授。通過這樣的教學，學生學習到的就不只是幾個干巴巴的定律和原理，而是兩套較為完整的科學研究的思路和方法。方法既知，原理內(nèi)涵及運用自然不成問題。

2.3 “絕對”與“相對”——從經(jīng)典時空向相對論時空的超越與突破

俗話說，“歲月如流”。在常人的觀念中，時間是均勻前行，不受空間、物件影響的。牛頓將這種觀念上升為理性認識，提出了絕對時空觀，并在此基礎上建立了經(jīng)典物理學大廈。

牛頓絕對時空觀[2]包含“絕對空間”和“絕對時間”兩方面內(nèi)容：“絕對的空間，就其本性而言，是與外界任何事物無關而永遠是相同的和不動的”?！敖^對的、真正的和數(shù)學的時間自身在流逝著，而且由于其本性，在均勻地、與任何其他外界事物無關地流逝著，也可以把它稱為‘連續(xù)性’”。

愛因斯坦鑒于伽利略變換的不變性在電磁學領域失效，以及實驗證明“以太”不存在等事實，對物理定律(原理、公式)的普適性及其理論基礎(時空觀)進行了縝密思考和系統(tǒng)審視，提出拋棄絕對時空假設，將物理學建立在兩個新的假設之上：一是“對力學方程能夠成立的所有參考系，同樣的電動力學和光學的定律也成立”；[3]二是“在所有慣性系中，真空中的光速具有相同的量值c”[4]，從而建立了新的時空觀——相對論時空觀。

目前，狹義相對論基礎教材的結構大體相同，一般都包括以下內(nèi)容：牛頓相對性原理和伽利略變換，愛因斯坦相對性原理和光速不變，同時性的相對性和時間延緩，長度收縮，洛倫茲坐標變換，相對論速度變換，相對論質(zhì)量、相對論動能、相對論能量，動量和能量的關系等。但是，多數(shù)教材和教師的教學對時空觀的重要性和兩種時空觀的區(qū)別一帶而過，沒有將其作為重點闡述清楚，導致很多學生只是機械地記住了相對論的一些物理結論(如：時間延緩、長度收縮等)，而對相對論時空觀的具體內(nèi)容、相對論時空觀與經(jīng)典時空觀的本質(zhì)區(qū)別、提出相對論時空觀的思想方法，以及愛因斯坦對物理規(guī)律普適性的重大貢獻等并沒有真正搞清楚、弄明白。

筆者認為，時空觀是現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理的分水嶺，在研究問題的思想方法，知識架構以及物理規(guī)律的統(tǒng)一性、適用的廣泛性等方面都有本質(zhì)上的區(qū)別，必須把兩種時空觀的區(qū)別作為教學的重點，向?qū)W生交代清楚。即必須著力加強4個方面講解：

(1) 要講清愛因斯坦創(chuàng)立相對論的背景。

(2) 要講清相對論的兩條基本假設，尤其要反復強調(diào)光速不變是假設，是相對論的基礎(前提)，而不是結論。不是推導出來的，而是愛因斯坦為了使物理定律適用于所有慣性系(如：電動力學和光學定律適用于“任何力學方程能夠成立的參考系”)，結合某些實驗(邁克耳孫—莫雷)結果思辨(創(chuàng)造)出來的。

(3) 要講清同時性的相對性。這是理解相對論的最大難點，也是超越絕對時空觀，建立相對論時空觀的關鍵所在。

(4) 要講清用洛倫茲變換取代伽利略變換的原因及結果。因為不取代伽利略變換，就無法跳出絕對時空觀的藩籬；不運用洛倫茲變換就領略不到相對論時空觀的真諦。

3 傳授知識的“理”在于架通教材與學生的“橋”

教材是科學知識、科學方法的說明書和聯(lián)絡圖，系統(tǒng)性和簡約性通常是必要的。教師的任務不是讀說明書，也不是復述聯(lián)絡圖。根據(jù)學科體系的固有結構，結合學生知識基礎和思維特點，找到學習者難以跨越的“坎兒”，進而確定教學的重點和策略，為他們提供讀懂說明書、解開聯(lián)絡圖的密碼和鑰匙，是教學的真正意義。

4 結語

本文通過力學、熱學、相對論時空觀等幾部分課程教學方法的探索，提出一些引導學生適應表述方式“切換”、科學方法“變換”，以及幫助學生確立愛因斯坦時空觀等方面的教學要點和意見，希望得到拋磚引玉的反響和回報。