《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義》對(duì)中學(xué)物理觀念教學(xué)的啟示*

杜明榮 周沐可

(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院 河南 開(kāi)封 475000)

1 引言

依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》，物理學(xué)科核心素養(yǎng)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4個(gè)維度.“物理觀念”的提出，在物理教師中引起了廣泛的討論，部分教師認(rèn)為這一維度相較于之前的“知識(shí)與技能”目標(biāo)，十分難以把握，相對(duì)于已經(jīng)成熟的物理概念及規(guī)律教學(xué)模式，如何在物理教學(xué)中整合物理概念和規(guī)律，滲透物理觀念培養(yǎng)，最終形成核心素養(yǎng)的路徑還不是很清晰.因此，通過(guò)分析已有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，探索物理觀念的培養(yǎng)策略，研究物理觀念的形成路徑，將有利于落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng).《費(fèi)恩曼物理學(xué)講義》(以下簡(jiǎn)稱《講義》)是費(fèi)恩曼(R. P. Feynman，1918-1988)教授在1961-1964年為加州理工學(xué)院的本科生上物理課的記錄.費(fèi)恩曼是1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主之一，他不僅在學(xué)術(shù)上取得了令人矚目的成就，在物理教學(xué)上也頗有造詣.費(fèi)恩曼的教學(xué)生涯中曾先后擔(dān)任康奈爾大學(xué)、加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授等職務(wù)，并于1972年獲得了“奧斯特教學(xué)獎(jiǎng)?wù)隆?，費(fèi)恩曼與朗道并稱為對(duì)物理教學(xué)貢獻(xiàn)最大的兩位20世紀(jì)頂尖物理大師[1].《講義》由費(fèi)恩曼講課的音頻整理而來(lái)，該講義3卷與朗道的10卷《理論物理學(xué)教程》被譽(yù)為物理教科書(shū)的經(jīng)典宏作[2].盡管是為本科生講授的課程，但據(jù)此講義，我們可以一窺費(fèi)恩曼教授的教學(xué)智慧與教育理念，從而為中學(xué)的物理教學(xué)提供一些啟發(fā)，正如費(fèi)恩曼教授在序言中所寫(xiě)：

“也許在某些小地方有個(gè)別教師和學(xué)生會(huì)從講義中受到一些啟示或獲得某些觀念，當(dāng)他們徹底思考講授內(nèi)容，或者進(jìn)一步發(fā)展其中的一些想法時(shí)，他們或許會(huì)得到樂(lè)趣.”[3]

2 “物理觀念”的內(nèi)涵辨析

物理觀念的學(xué)習(xí)目的，是為了學(xué)習(xí)者能夠用相關(guān)知識(shí)去解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題[4].對(duì)于高中生而言，即使在中學(xué)畢業(yè)后從事非物理相關(guān)工作，遺忘了許多碎片化的知識(shí)，但已深植于腦中的物理觀念仍然會(huì)對(duì)其有所幫助，使其在生活與工作中遇到有關(guān)的現(xiàn)象及問(wèn)題時(shí)，能夠利用物理觀念理性、科學(xué)地去審視或解決.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》將“物理觀念”定義為“從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)；物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)”，主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素[5].從“物理觀念”的外延來(lái)看，它與“物理核心概念”包含的知識(shí)內(nèi)容十分接近，都涵蓋物理學(xué)中一些較為重要的知識(shí)；但“物理觀念”在內(nèi)涵上更進(jìn)一步，強(qiáng)調(diào)包括“核心概念”在內(nèi)的知識(shí)要經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)者加工，在大腦中形成觀念.有學(xué)者通過(guò)研究認(rèn)為物理觀念的架構(gòu)是：事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，概念規(guī)律，核心概念，物理觀念，應(yīng)用實(shí)踐，遷移創(chuàng)新[6].“核心概念”處在中心環(huán)節(jié)，上承概念與規(guī)律，下啟物理觀念，表明物理教育需要著重圍繞某些重要的概念進(jìn)行教學(xué)；同時(shí)也意味著，要更加注重學(xué)生的學(xué)習(xí)生成，要對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行整合，并通過(guò)多種方式促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)化.而《講義》中體現(xiàn)的教學(xué)思想在很大程度上符合了物理觀念教學(xué)的要求，以其中“能量守恒”一章為例，通過(guò)挖掘該章節(jié)的教學(xué)方法和教學(xué)思路，可以得到關(guān)于物理觀念中能量觀教學(xué)的啟示.

3 《講義》對(duì)物理觀念教學(xué)方法的啟示

3.1 通過(guò)合理類(lèi)比將抽象知識(shí)形象化

費(fèi)恩曼最反對(duì)的是“用字解釋字”, 他認(rèn)為這樣會(huì)使教學(xué)停留在淺層，不利于引起學(xué)生深入思考.他常用類(lèi)比的方法，將抽象的物理規(guī)律以較為具體的形式展示出來(lái).在《講義》“能量守恒”一章的第1節(jié)中，費(fèi)恩曼編了“淘氣的丹尼斯”的故事來(lái)類(lèi)比：設(shè)想有一個(gè)叫“丹尼斯”的孩子，有一堆積木，積木無(wú)法分割且不會(huì)損壞.即預(yù)設(shè)能量以“不可分割、數(shù)量恒定的積木”為喻體，接下來(lái)的故事里，有以下的關(guān)鍵信息：

(1)有一天母親發(fā)現(xiàn)房間里積木只有27塊了，但調(diào)查后發(fā)現(xiàn)還有一塊在地毯下.

(2)某一天清點(diǎn)后發(fā)現(xiàn)積木只有26塊，發(fā)現(xiàn)窗戶被打開(kāi)，另外2塊在窗外；又有一天發(fā)現(xiàn)有30塊積木，原來(lái)是一個(gè)叫布魯斯的孩子帶著他的積木來(lái)過(guò)，并將他的積木留在了房間里.

(3)母親拿走多余積木，關(guān)上窗，并且不再讓布魯斯進(jìn)入，積木數(shù)量回歸正常.

(4)有一次母親發(fā)現(xiàn)只有25塊積木，并且房間里有一個(gè)玩具箱，丹尼斯不讓母親打開(kāi).母親得知每塊積木重3盎司，當(dāng)房間內(nèi)看到所有積木都在時(shí)，箱子重16盎司，則她發(fā)現(xiàn)式子：

(6)隨著復(fù)雜性逐漸增加，積木都藏在了看不見(jiàn)的地方，結(jié)果母親得出了一個(gè)復(fù)雜的公式，無(wú)論孩子怎么玩耍，都能通過(guò)看得見(jiàn)的變化計(jì)算積木總和.

通過(guò)分析關(guān)鍵信息，在這個(gè)故事中我們可以知道：對(duì)于(1)、(2)、(3)，我們可以知道，在一個(gè)孤立的系統(tǒng)(故事中的“房間”)中，能量(“積木”)的總量是不變的；對(duì)于(4)、(5)，能量在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中以多種形式存在，即藏在箱子中、臟水中,例如機(jī)械能、熱能、電能等等，它們都能通過(guò)可觀察到的現(xiàn)象，經(jīng)由一定的表達(dá)式各自計(jì)算出來(lái).對(duì)于(6),能量實(shí)際上是不可見(jiàn)的，我們看不到“積木”本身，只能看到由于“積木”數(shù)量變化帶來(lái)的某些改變，例如物體內(nèi)能的增加會(huì)使其溫度升高等等.

如果僅僅要表述什么是“能量守恒”，可以用十分簡(jiǎn)潔的方式說(shuō)明：“能量不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)由一個(gè)物體傳遞到另一個(gè)物體”，或是“在一個(gè)孤立系統(tǒng)中，總能量不變”.但當(dāng)我們嘗試著用文字解釋、理解其中的含義，需要不厭其煩地去解釋何為“傳遞”“孤立系統(tǒng)”，并且因?yàn)槟芰坎⒎侵庇^可見(jiàn)，而是較為抽象的概念，所以又需要列舉出大量的實(shí)例來(lái)說(shuō)明，變得更加復(fù)雜.

相較于枯燥冗長(zhǎng)的文字解釋?zhuān)@樣的一個(gè)故事更令人印象深刻，借此可以將抽象的概念與規(guī)律以生動(dòng)的形式展現(xiàn)出來(lái)，從中更為直觀地了解能量守恒的條件、內(nèi)涵等.教師可以通過(guò)學(xué)生熟知的事物及其規(guī)律來(lái)類(lèi)比新的物理概念或規(guī)律，從而建立起新舊知識(shí)間的聯(lián)系，促成有意義學(xué)習(xí).

而值得注意的是，使用類(lèi)比教學(xué)時(shí)需要學(xué)生具有一定的知識(shí)基礎(chǔ)，因?yàn)轭?lèi)比并不是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬐评?，只能借助喻體的特征強(qiáng)化學(xué)生對(duì)于本體的理解，起到輔助理解的作用.如果經(jīng)歷過(guò)機(jī)械能守恒定律等規(guī)律的探究，理解“丹尼斯的積木”這樣的類(lèi)比并不困難，不過(guò)是換了個(gè)生動(dòng)的展現(xiàn)方式而已.

類(lèi)比在物理教學(xué)中并不罕見(jiàn)，并且有多種形式：學(xué)科內(nèi)的知識(shí)間類(lèi)比，例如類(lèi)比萬(wàn)有引力與庫(kù)侖力公式；跨學(xué)科及與常見(jiàn)事物的類(lèi)比，例如將電流類(lèi)比為水流等等.但類(lèi)比的運(yùn)用有較大的局限性——其一，并非每一個(gè)概念或規(guī)律都能找到合適的喻體；其二，喻體的某些特征是本體不具備的，則容易導(dǎo)致學(xué)生對(duì)本體概念或規(guī)律產(chǎn)生片面理解.為了避免類(lèi)比帶來(lái)的片面理解，需要特別明確兩個(gè)對(duì)象間的差異，在“丹尼斯的積木”這個(gè)類(lèi)比中，費(fèi)恩曼教授在最后特別提到，能量并非以一定數(shù)量的顆粒物的形式出現(xiàn)，積木保持不變的機(jī)制與能量守恒在本質(zhì)上是不同的.

3.2 通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)促進(jìn)核心概念內(nèi)化

思想實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)研究中常用的方法，通過(guò)想象力構(gòu)建一個(gè)恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?，并通過(guò)邏輯推演其變化過(guò)程和結(jié)果.在《講義》“能量守恒”的第2節(jié)“重力勢(shì)能”和第3節(jié)“動(dòng)能”這兩部分，費(fèi)恩曼教授進(jìn)行了幾個(gè)關(guān)于重力勢(shì)能和動(dòng)能的思想實(shí)驗(yàn)的推導(dǎo)，通過(guò)能量守恒導(dǎo)出重力勢(shì)能和動(dòng)能的表達(dá)式，就像是故事中的母親利用積木總數(shù)不變，來(lái)尋找藏匿的積木一樣.此處以其中一個(gè)關(guān)于“動(dòng)能”的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)舉例.

在“重力勢(shì)能”一節(jié)，已經(jīng)得到公式

Ep=Gh

對(duì)于一個(gè)單擺而言，將它提高后放開(kāi)，它就會(huì)自行地來(lái)回?cái)[動(dòng).顯然，擺處于高處時(shí)比在低處具有更大的重力勢(shì)能，取單擺運(yùn)動(dòng)最低處為零勢(shì)能面，當(dāng)單擺降低到最低處時(shí)，重力勢(shì)能為零，在高處時(shí)具有的重力勢(shì)能也就轉(zhuǎn)化為了某種形式的能量.已知擺在底部時(shí)，它具有的動(dòng)能可以使其上升到一定的高度，轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)能.則

Ek=Gh

這個(gè)上升的高度猶未可知，但我們知道擺從底部運(yùn)動(dòng)到最高處需要能量，而這個(gè)能量來(lái)自于運(yùn)動(dòng)的速度，這與“豎直上拋運(yùn)動(dòng)”上升過(guò)程的情形是一致的.通過(guò)豎直上拋的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式

v2=2gh

則動(dòng)能的式子變?yōu)?/p>

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的推理，以能量守恒為出發(fā)點(diǎn)推導(dǎo)動(dòng)能的表達(dá)式，而關(guān)于動(dòng)能的表達(dá)式這一知識(shí)在高中物理教材上處于“能量守恒”之前，在能量的知識(shí)體系中屬于下位知識(shí).用新知識(shí)去理解舊知識(shí)，這樣的安排并非畫(huà)蛇添足，而是利用思維的訓(xùn)練，使得上位知識(shí)“能量守恒”與下位知識(shí)“動(dòng)能”及“機(jī)械能守恒”間產(chǎn)生更緊密的聯(lián)系，在幫助學(xué)生在腦海中把處于不同層級(jí)的知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，推動(dòng)“能量與能量守恒”這一核心概念的內(nèi)化.

“能量觀”的形成基礎(chǔ)是核心概念“能量與能量守恒”，核心概念需要具有解釋能力和一般性, 即它要能解釋領(lǐng)域內(nèi)的其他概念及問(wèn)題，也能作為理解或探究更復(fù)雜概念的關(guān)鍵工具[7].這樣的一個(gè)推理過(guò)程正體現(xiàn)了核心概念的解釋能力，通過(guò)思想實(shí)驗(yàn)推理，能夠幫助學(xué)生更為深入地理解核心概念“能量守恒”與相關(guān)概念“動(dòng)能”“勢(shì)能”等之間的關(guān)系，進(jìn)而幫助學(xué)生深入理解“能量與能量守恒”作為核心概念的內(nèi)涵，從而構(gòu)筑起“能量觀”.

3.3 通過(guò)問(wèn)題解決推動(dòng)物理觀念形成

“物理觀念”要求學(xué)生能理解所學(xué)的物理概念的規(guī)律及其相互關(guān)系，能正確解釋自然現(xiàn)象并綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題.素養(yǎng)是現(xiàn)實(shí)情境下體現(xiàn)出來(lái)的能力，作為物理學(xué)科核心素養(yǎng)一部分的物理觀念，也應(yīng)在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中形成.因此利用物理學(xué)核心概念解決一些現(xiàn)實(shí)情境下較為復(fù)雜的問(wèn)題，對(duì)于知識(shí)在腦海中的升華至關(guān)重要.

在“能量守恒”第4節(jié)“能量的其他形式”當(dāng)中，費(fèi)恩曼教授舉了很多實(shí)際的例子：利用彈簧提升物體時(shí)的系統(tǒng)彈性勢(shì)能的增加、杠桿工作時(shí)機(jī)械材料的原子無(wú)規(guī)則擺動(dòng)產(chǎn)生的熱能……在分析與能量相關(guān)的具體的情境中，問(wèn)題看似十分復(fù)雜，但能夠利用核心概念的“一般性”，也就是“能量守恒”這一關(guān)鍵工具，透過(guò)這個(gè)關(guān)鍵工具，學(xué)生能在探索與能量有關(guān)的未知領(lǐng)域時(shí)，不至于毫無(wú)頭緒或者盲目猜想，而是在某種能量增加或減少時(shí)，認(rèn)識(shí)到過(guò)程中必然發(fā)生了做功與能量轉(zhuǎn)化，借此深入探究，找到內(nèi)在的規(guī)律.

通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生能體會(huì)到核心概念在問(wèn)題解決過(guò)程中的重要作用——在能量的問(wèn)題中，即便不了解具體的細(xì)節(jié)，只要知道其中各類(lèi)能量的表達(dá)式，就能順利分析問(wèn)題并給出解答.當(dāng)能量的核心概念能夠被學(xué)生自覺(jué)地運(yùn)用于解決問(wèn)題時(shí)，能量觀也就達(dá)到了初步形成.

4 《講義》對(duì)物理觀念教學(xué)路徑的啟示

《講義》第一卷第4章以“能量守恒”為章名，包含4個(gè)小節(jié)：什么是能量，重力勢(shì)能，動(dòng)能，能量的其他形式.費(fèi)恩曼教授在教學(xué)的起初，利用類(lèi)比定性地討論能量與能量守恒，再用能量守恒為前提公理，推導(dǎo)出重力勢(shì)能和動(dòng)能的表達(dá)式.

這種高屋建瓴式的風(fēng)格貫穿費(fèi)恩曼所講授的大多數(shù)基礎(chǔ)物理課程，費(fèi)恩曼本人認(rèn)為“這些課程是對(duì)班級(jí)中最聰明的學(xué)生而講的”.結(jié)構(gòu)安排的差異主要是由于課程面向的學(xué)生群體不同：費(fèi)恩曼面對(duì)的是大學(xué)本科生，學(xué)生普遍具有良好的物理學(xué)基礎(chǔ)，也具有一定關(guān)于能量守恒的知識(shí)，理解起來(lái)沒(méi)有太大困難；而高中物理教材面向所有選擇這門(mén)課程的學(xué)生，需要考慮到學(xué)生間的經(jīng)驗(yàn)、理解力差異，幫助學(xué)生從無(wú)到有，建立起基本的各種形式能量的概念，再討論能量守恒的內(nèi)容和意義.

進(jìn)行物理觀念教學(xué)并不等于拋棄了傳統(tǒng)的概念、規(guī)律教學(xué)，相反更需要扎實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，才能建立起相關(guān)知識(shí)間的實(shí)質(zhì)聯(lián)系，并認(rèn)識(shí)到其物理本質(zhì)所在.因此，對(duì)于普通高中教學(xué)來(lái)說(shuō)，從現(xiàn)象到規(guī)律、由特殊到一般的結(jié)構(gòu)無(wú)疑是更恰當(dāng)?shù)?事實(shí)上，費(fèi)恩曼也并不認(rèn)為他的講授是概況性質(zhì)的，他的所有類(lèi)比與推理都是建立在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)基礎(chǔ)知識(shí)之上的.

因此，在學(xué)習(xí)完幾種特殊形式的能量守恒之后，費(fèi)恩曼的教學(xué)思路或許就能派上用場(chǎng)——把分布在不同章節(jié)中的相關(guān)知識(shí)聯(lián)系起來(lái)，統(tǒng)合成為圍繞“能量與能量守恒”這一核心概念的知識(shí)體系，建構(gòu)起對(duì)于能量的本質(zhì)和能量守恒的認(rèn)識(shí)，從而形成“能量觀”.

結(jié)合高中物理的內(nèi)容和《講義》中費(fèi)恩曼教授的教學(xué)思想，可以通過(guò)歸納相關(guān)概念的上位學(xué)習(xí)，獲得關(guān)于“能量與能量守恒”的基本認(rèn)識(shí)后，再經(jīng)過(guò)下位學(xué)習(xí)，以“能量與能量守恒”為核心概念，運(yùn)用思維重新審視各類(lèi)屬知識(shí)，并解決實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)逐步深入的學(xué)習(xí)，強(qiáng)化上位知識(shí)與下位知識(shí)的聯(lián)系.以“能量與能量守恒”為例，從“概念規(guī)律”到形成實(shí)質(zhì)的“物理觀念”的過(guò)程中，有如圖1所示的教學(xué)路徑.

圖1 物理觀念教學(xué)路徑

5 結(jié)束語(yǔ)

《講義》中包含的教學(xué)思想是極為豐富的，本文所分析的也只是冰山一角，費(fèi)恩曼教授在他的教學(xué)實(shí)踐中不斷地嘗試各種新的方法，有很多與當(dāng)前的教學(xué)理念不謀而合之處.而費(fèi)恩曼試驗(yàn)新的教學(xué)方法的初衷，是使得學(xué)生能保持學(xué)習(xí)物理的興趣，為學(xué)習(xí)更艱深的知識(shí)作鋪墊.因此他希望優(yōu)秀的學(xué)生可以深入思考他的教學(xué)內(nèi)容，并展開(kāi)討論、有所頓悟；而普通的學(xué)生至少能學(xué)習(xí)到主要的概念和定理，至于高深的枝節(jié)問(wèn)題和應(yīng)用，則等待學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中慢慢領(lǐng)會(huì).或許這就是費(fèi)恩曼教授的教學(xué)理念與新的物理教學(xué)觀相近的原因：讓學(xué)有余力者能通過(guò)物理觀念發(fā)展新認(rèn)識(shí)，不斷吸收相關(guān)知識(shí)，完善圍繞觀念的知識(shí)體系；讓多數(shù)學(xué)生能利用觀念，了解基本現(xiàn)象和規(guī)律，解決一些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)于認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的價(jià)值.