教給學(xué)生從物理學(xué)史中學(xué)習(xí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 提出問(wèn)題的方法

尹德利

（北京市東方德才學(xué)校 北京 100026）

科學(xué)研究始于問(wèn)題，英國(guó)科學(xué)哲學(xué)家波普爾如是說(shuō).著名物理學(xué)家愛(ài)因斯坦也認(rèn)為：“提出一個(gè)問(wèn)題往往比解決一個(gè)問(wèn)題更重要，因?yàn)榻鉀Q問(wèn)題也許僅是一個(gè)數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧而已.而提出新的問(wèn)題、新的可能性，從新的角度去看舊的問(wèn)題，卻需要有創(chuàng)造性的想象力，而且標(biāo)志著科學(xué)的真正進(jìn)步.”正是基于這一點(diǎn)，在《高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于科學(xué)探究的7個(gè)要素中，“提出問(wèn)題”排在第一位.提出問(wèn)題是科學(xué)探究的前提，科學(xué)探究過(guò)程總是圍繞著所要探究的問(wèn)題展開的，正是因?yàn)橛辛嗣鞔_、具體的探究問(wèn)題，才能使探究過(guò)程具有明確的主題，使探究能沿著合理的猜想與假設(shè)一步一步走下去.如果沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，當(dāng)然也就提不出問(wèn)題，科學(xué)探究也就無(wú)從談起.因此，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的能力應(yīng)當(dāng)引起教師足夠的重視.

美國(guó)教育家布魯巴克說(shuō)過(guò)：“最精湛的教育藝術(shù)，遵循的最高準(zhǔn)則，就是學(xué)生自己提出問(wèn)題.”《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)學(xué)生提出問(wèn)題的能力列出了兩點(diǎn)要求：一是“能發(fā)現(xiàn)與物理學(xué)有關(guān)的問(wèn)題”，二是“從物理學(xué)的角度明確地表述這些問(wèn)題”.在實(shí)際探究教學(xué)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題往往較提出問(wèn)題更困難.影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的因素主要有兩個(gè)：一是問(wèn)題意識(shí)，二是思維方法.問(wèn)題意識(shí)是由人的心理活動(dòng)的兩個(gè)方面所構(gòu)成：一是好奇，它是問(wèn)題產(chǎn)生的內(nèi)驅(qū)力；二是質(zhì)疑，反映了個(gè)體對(duì)問(wèn)題的探究與批判精神.然而，光有好奇和質(zhì)疑，卻不能夠提出有價(jià)值的探究性問(wèn)題，有價(jià)值的探究性問(wèn)題的提出，需要有正確的思維方法作指導(dǎo).因此培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的能力，需要從激發(fā)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)和指導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法兩個(gè)方面進(jìn)行.

近年來(lái)，筆者一直致力于物理學(xué)史在高中物理探究教學(xué)中的應(yīng)用研究，在汲取物理學(xué)家智慧，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的思維方法進(jìn)行科學(xué)探究方面進(jìn)行了一些探索.下面就應(yīng)用物理學(xué)史指導(dǎo)學(xué)生如何提出有價(jià)值的探究性問(wèn)題談點(diǎn)自己的做法和體會(huì)，如何激發(fā)學(xué)生的問(wèn)題意識(shí)則不在本文討論之列.

閱讀物理學(xué)史，人們常常被物理學(xué)家那超人的智慧、巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)所折服.和他們所創(chuàng)造的物理學(xué)理論相比，更值得我們學(xué)習(xí)的是物理學(xué)家觀察問(wèn)題的角度，提出問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的思維方法.

那么，物理學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題的呢？他們發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題的思維方法哪些是值得我們借鑒的呢？

1 新現(xiàn)象與原認(rèn)知的矛盾沖突

我們每個(gè)人從出生到長(zhǎng)大成人，就一直不斷地和周圍的世界打交道，在不斷地學(xué)習(xí)、生活、工作過(guò)程中，逐漸形成了關(guān)于客觀世界中物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，即原認(rèn)知.當(dāng)人們觀察到新的現(xiàn)象（實(shí)驗(yàn)事實(shí)）與原認(rèn)知發(fā)生沖突時(shí)，問(wèn)題就產(chǎn)生了.只不過(guò)，有的人善于抓住并加以研究，從而做出了驚人的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，造福人類；有的人卻思維遲鈍，白白丟掉了科學(xué)發(fā)現(xiàn)的大好機(jī)會(huì).科學(xué)史上倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的故事對(duì)學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題就很有啟發(fā)意義.

X射線的發(fā)現(xiàn)源于對(duì)陰極射線的研究.1895年11月8日晚，德國(guó)物理學(xué)家倫琴用陰極射線管做實(shí)驗(yàn).為了防止外界對(duì)陰極射線的影響，同時(shí)也不使管內(nèi)的可見光漏出管外，他用黑紙板包著陰極射線管.倫琴給管子通電時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)1m以外的涂有亞鉑氰化鋇的熒光屏發(fā)出了微弱的熒光.他將屏逐漸遠(yuǎn)離射線管，即使移到遠(yuǎn)離管子2m以外，仍有熒光，只是稍弱一些.這一現(xiàn)象使他十分驚奇.倫琴認(rèn)為，熒光要靠光線照射才能激發(fā)，熒光是在陰極射線管通電時(shí)才發(fā)生的，而陰極射線管被黑紙板包著，不可能有光照射在熒光屏上，也不可能是陰極射線，因?yàn)殛帢O射線在空氣中只能前進(jìn)幾厘米，不可能使2m外的熒光屏發(fā)出熒光.此現(xiàn)象引起了倫琴的疑問(wèn)：熒光效應(yīng)究竟是不是來(lái)自于陰極射線管？如果是，它到底是什么？倫琴的進(jìn)一步研究導(dǎo)致他發(fā)現(xiàn)了X射線.

我們來(lái)看倫琴發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的過(guò)程.第一，倫琴發(fā)現(xiàn)了陰極射線管附近的熒光屏發(fā)出熒光的現(xiàn)象；第二，熒光效應(yīng)的產(chǎn)生不符合原有的認(rèn)知：被黑紙板包著的陰極射線管不可能有有光線射到熒光屏上，也不可能是陰極射線，因?yàn)殛帢O射線不可能使2m以外的熒光屏發(fā)出熒光，事實(shí)和原有認(rèn)知發(fā)生了矛盾.倫琴在分析了這一矛盾后提出了問(wèn)題.對(duì)倫琴來(lái)說(shuō)，以上這個(gè)過(guò)程或許在一瞬間就完成了，但它的確是提出問(wèn)題的兩個(gè)環(huán)節(jié)：發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象和對(duì)現(xiàn)象的質(zhì)疑.

當(dāng)新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)無(wú)法用已有的理論做出解釋，或者實(shí)驗(yàn)事實(shí)與理論的預(yù)期不一致時(shí)，促使物理學(xué)家提出問(wèn)題：造成事實(shí)和理論不一致的原因是什么？通過(guò)建立新的猜想和假設(shè)，并設(shè)計(jì)更完善的實(shí)驗(yàn)方案，就可能做出新的理論發(fā)現(xiàn)，或修正舊理論的缺陷，或推翻舊理論建立新理論.

18世紀(jì)，在研究天王星的運(yùn)行軌道時(shí)，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它的實(shí)際軌道總是跟用萬(wàn)有引力計(jì)算出來(lái)的軌道有一定差異.為什么會(huì)出現(xiàn)這種差異？研究者根據(jù)這個(gè)差異，推測(cè)天王星外面還有一個(gè)未發(fā)現(xiàn)的行星在對(duì)天王星起作用，通過(guò)進(jìn)一步的理論和實(shí)踐研究，終于發(fā)現(xiàn)了海王星.

19世紀(jì)末，赫茲發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)現(xiàn)象無(wú)法用經(jīng)典的光的電磁理論解釋，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的深入思考促使愛(ài)因斯坦提出了光子說(shuō)；20世紀(jì)初，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福做的α粒子散射實(shí)驗(yàn)促使盧瑟福拋棄了他的老師湯姆孫提出的棗糕模型，轉(zhuǎn)而提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，但這一模型無(wú)法用經(jīng)典的電磁理論來(lái)解釋，對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決促使玻爾提出了氫原子的量子理論.

由此可見，許多科學(xué)問(wèn)題的產(chǎn)生，來(lái)源于新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)與科學(xué)家原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)（已有理論）不一致.為了消除這種不一致，科學(xué)家或修正舊理論，或推翻舊理論提出新理論.

2 邏輯悖論

一門成熟的科學(xué)理論的首要標(biāo)準(zhǔn)是理論內(nèi)在邏輯結(jié)構(gòu)的自洽性、完備性.科學(xué)史上，運(yùn)用邏輯悖論發(fā)現(xiàn)舊理論的錯(cuò)誤進(jìn)而推翻舊理論建立新理論的例子不勝枚舉.例如，歷史上亞里士多德關(guān)于“重的物體比輕的物體下落得快”的落體理論，提出后2 000年來(lái)西方無(wú)人表示懷疑，直到17世紀(jì)初才由意大利的一名青年學(xué)者伽利略從邏輯上發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題：如果重的物體比輕的物體下落得快，那么把一個(gè)輕的物體綁在重的物體上面，重的物體下落得比原來(lái)更快些還是更慢些呢？按亞里士多德的落體理論，兩個(gè)物體綁在一起的重量顯然比一個(gè)物體的重量大，應(yīng)該下落得更快些；但是，兩個(gè)物體綁在一起后，輕的物體下落得慢，就要拖重的物體下落的后腿，結(jié)果二者共同運(yùn)動(dòng)的速度反而比單獨(dú)一個(gè)重的物體下落得要慢些.按同一個(gè)理論卻得到了截然相反的結(jié)論，亞里士多德的落體理論顯然是不自洽的，理論是錯(cuò)誤的.問(wèn)題也就提出來(lái)了：物體下落得快慢是由什么決定的呢？有什么規(guī)律？與物體的重量有沒(méi)有關(guān)系？伽利略從邏輯上發(fā)現(xiàn)了亞里士多德落體理論的缺陷，經(jīng)過(guò)認(rèn)真地實(shí)驗(yàn)和理論研究，最終提出了正確的自由落體運(yùn)動(dòng)理論.

除了伽利略外，科學(xué)史上愛(ài)因斯坦與另外兩位同事合作提出的“EPR悖論”，對(duì)量子力學(xué)的完備性提出了有力地反駁，對(duì)量子力學(xué)理論的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.“雙生子悖論”也曾對(duì)愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論形成有力挑戰(zhàn).數(shù)學(xué)史上，英國(guó)數(shù)學(xué)家羅素提出的“羅素悖論”以及后來(lái)的幾個(gè)悖論，觸發(fā)了數(shù)學(xué)史上第三次危機(jī)，大大促進(jìn)了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論的發(fā)展和數(shù)學(xué)分支學(xué)科的誕生.

3 逆向思維

逆向思維是創(chuàng)新思維的主要形式之一，運(yùn)用逆向思維方法常常能提出新問(wèn)題，并上升為科研課題.歷史上，許多卓有成就的物理學(xué)家的研究課題就是從逆向思考中得來(lái)的.

例如，1820年丹麥物理學(xué)家奧斯特發(fā)現(xiàn)了通電導(dǎo)線使導(dǎo)線附近的小磁針發(fā)生偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這是物理學(xué)史上一次劃時(shí)代的發(fā)現(xiàn).因?yàn)樵诖酥?，人們一直認(rèn)為電和磁沒(méi)有任何聯(lián)系.現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，既然電流可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么磁場(chǎng)能不能產(chǎn)生電流呢？這是電流磁效應(yīng)發(fā)現(xiàn)之后包括法拉第在內(nèi)的許多物理學(xué)家思考的問(wèn)題，他們紛紛設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索.經(jīng)過(guò)十年的不懈努力，法拉第終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象及其規(guī)律——法拉第電磁感應(yīng)定律，這一重大發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步揭示了電和磁的內(nèi)在聯(lián)系，為麥克斯韋電磁場(chǎng)理論奠定了基礎(chǔ).

奧斯特的發(fā)現(xiàn)傳到法國(guó)以后，法國(guó)物理學(xué)家安培運(yùn)用逆向思維，同樣做出了一系列杰出的發(fā)現(xiàn).安培是這樣想的：既然電流能對(duì)小磁針產(chǎn)生作用力使它偏轉(zhuǎn)，根據(jù)力的作用是相互的，磁針（磁鐵）也應(yīng)該對(duì)電流產(chǎn)生作用力.那么磁鐵對(duì)電流的作用力遵守什么規(guī)律呢？安培設(shè)計(jì)并完成了一系列電學(xué)實(shí)驗(yàn)，終于找到了磁場(chǎng)對(duì)電流作用力的規(guī)律，建立了他自己的一套電動(dòng)力學(xué)理論.

1905年愛(ài)因斯坦提出的光量子理論，成功解釋了光電效應(yīng)，證明了光不僅具有波動(dòng)性，而且還具有粒子性.光的波粒二象性引起了法國(guó)一位年輕學(xué)者德布羅意的思考.他想：既然平常視為波的光也具有粒子性，那么平常視為粒子的電子是否也有波動(dòng)性呢？如果是，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證實(shí)呢？德布羅意運(yùn)用逆向思維提出了他的物質(zhì)波理論，使他榮登上1929年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái).

自然界物體之間力的作用的相互性以及不同形式的能量轉(zhuǎn)化的相互性為逆向思維方法的廣泛應(yīng)用提供了廣闊的思路，為科學(xué)理論向生產(chǎn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化提出了許多值得研究的問(wèn)題或課題，許多科學(xué)技術(shù)的發(fā)明和應(yīng)用都是運(yùn)用逆向思維的結(jié)果.例如：電燈的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電能向光能的轉(zhuǎn)化，太陽(yáng)能電池則實(shí)現(xiàn)了光能向電能的轉(zhuǎn)化.

大量事實(shí)證明，我們可以對(duì)原有的知識(shí)、觀念和思路進(jìn)行溯本求源，逆向思考，從而拓寬新的思路，提出新的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的新方法、新途徑，這種思維方式叫做逆向思維.在物理課堂教學(xué)中，教師可以向?qū)W生提供某些物理知識(shí)發(fā)現(xiàn)的背景史料和思想觀念，啟發(fā)學(xué)生能否運(yùn)用逆向思維，嘗試提出一些有價(jià)值的探究性問(wèn)題，看其是否在某些方面與歷史上著名物理學(xué)家的想法不謀而合？

4 類比

類比是人們認(rèn)識(shí)客觀世界、建立科學(xué)理論的一種常用思維方法.康德曾說(shuō)過(guò)：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時(shí)，類比這個(gè)方法往往指引我們前進(jìn).”德國(guó)物理學(xué)家歐姆，在從事研究工作的時(shí)候，科學(xué)上還沒(méi)有電動(dòng)勢(shì)、電流、電阻等明確的概念，更沒(méi)有可以精確測(cè)量它們的儀器.在研究中，他把電流跟熱流、水流進(jìn)行類比，看到電勢(shì)差在形成電流與溫度差和高度差在形成熱流和水流過(guò)程中起著類似的作用.他運(yùn)用類比法，猜測(cè)電流跟電勢(shì)差成正比，并且設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)自己的猜測(cè).通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，他終于找到了影響電流大小的公式，即著名的歐姆定律.

同樣，量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一薛定諤從經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)的類比中建立了他的量子力學(xué)的波函數(shù)理論；英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福在α粒子散射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，受到日本物理學(xué)家長(zhǎng)岡半太郎的“土星模型”的啟發(fā)，提出了與太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)模型類似的原子核式結(jié)構(gòu)模型.

歷史上，“光以太”的概念也是物理學(xué)家們運(yùn)用類比推理提出來(lái)的.機(jī)械波（如聲波）的傳播需要介質(zhì)，那么傳播光的介質(zhì)是什么呢？物理學(xué)家把它稱之為“以太”.如果存在以太的話，以太又具有哪些性質(zhì)呢？圍繞尋找“以太”和“以太的性質(zhì)”，19世紀(jì)的物理學(xué)家們做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)工作，邁克耳孫－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果最終卻否定了“以太”的存在，為愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

由此可見，類比法雖然能為科學(xué)研究提供方法和思路，但有一定的局限性，類比法得出的結(jié)論是否可靠，需要由實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn).課堂教學(xué)中，在講授力、熱、光、電等不同物理現(xiàn)象時(shí)，教師要啟發(fā)學(xué)生自覺(jué)運(yùn)用類比法提出探究問(wèn)題，進(jìn)行猜想與假設(shè)，并沿著猜想與假設(shè)的方向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析.

5 對(duì)稱思考

自然界許多事物都具有對(duì)稱性，這種對(duì)稱性體現(xiàn)著自然界事物的美與和諧.在物理學(xué)中，某種對(duì)稱性總是與某種守恒律聯(lián)系在一起的.對(duì)稱性作為一種思維方法，在物理學(xué)理論的發(fā)展中也起著很重要的作用.愛(ài)因斯坦最初正是基于對(duì)稱性的思考，提出了他的狹義相對(duì)論.在一篇論文中，愛(ài)因斯坦寫道：“麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)——象它現(xiàn)在通常為人們所理解的那樣 —— 應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)物體上，就要引起不對(duì)稱，而這種不對(duì)稱似乎不是現(xiàn)象所固有的.”他舉例說(shuō)，當(dāng)一個(gè)磁體與一個(gè)閉合線圈發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流.按照麥克斯韋理論，以線圈為參照物，磁鐵在運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的磁鐵在周圍就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的渦旋電場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)線圈中電荷做定向運(yùn)動(dòng)；如果以磁鐵為參照物，磁鐵不動(dòng)，周圍就沒(méi)有渦旋電場(chǎng)，這時(shí)線圈中的帶電粒子在洛倫茲力作用下做定向運(yùn)動(dòng).參照物是人為選取的，磁鐵周圍的電場(chǎng)存在與否決定于人們選取哪個(gè)參照物.這個(gè)結(jié)論難以讓人理解.對(duì)電磁現(xiàn)象對(duì)稱性的深入思考，結(jié)合邁克耳孫 －莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，促使愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了狹義相對(duì)論.

對(duì)稱性思考在高中物理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用廣泛.高中物理教材中介紹的許多運(yùn)動(dòng)模型都具有對(duì)稱性，如豎直上拋運(yùn)動(dòng)、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等，許多典型的電場(chǎng)和磁場(chǎng)也都具有高度的對(duì)稱性.針對(duì)這種對(duì)稱性，教師要引導(dǎo)學(xué)生思考：自然界為什么有些事物和現(xiàn)象有對(duì)稱性而有些卻沒(méi)有？這種對(duì)稱性說(shuō)明了什么？如何運(yùn)用對(duì)稱性方法發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題和解決問(wèn)題等.

“它山之石，可以攻玉”，當(dāng)學(xué)生在探究活動(dòng)中苦于提不出問(wèn)題、找不到探究方向時(shí)，往往是他們面對(duì)問(wèn)題不知如何進(jìn)行思考的時(shí)候.這時(shí)，教師不妨利用物理學(xué)史料、物理學(xué)家的故事來(lái)啟迪學(xué)生的思維，讓他們從物理學(xué)家那里汲取智慧，學(xué)習(xí)他們思考問(wèn)題、提出問(wèn)題的方式方法.

1 李艷平，申先甲.物理學(xué)史教程.北京：科學(xué)出版社，2003

2 周曉軍.中學(xué)物理教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生提問(wèn)能力的探究.物理教學(xué)探討，2006（7）

3 郭奕玲，沈慧君.諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（1901－1998）.北京：高等教育出版社，1999

4 廖伯琴.高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀.武漢：湖北教育出版社，2004