大道至簡(jiǎn) 簡(jiǎn)中求道

王高

摘要：大道至簡(jiǎn)是人類(lèi)的智慧，這種智慧也蘊(yùn)含在物理研究、物理學(xué)習(xí)和物理教學(xué)之中，值得我們擁有。本文從物理研究、物理學(xué)習(xí)、物理教學(xué)三個(gè)方面，結(jié)合實(shí)例分析領(lǐng)悟求簡(jiǎn)之“道”，從而達(dá)到求真、向善、臻美之境界，讓物理教學(xué)回歸本真。

關(guān)鍵詞：大道至簡(jiǎn)；智慧；研究；教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-9094（2016）07A-0104-04

大道至簡(jiǎn)是流傳千年的中國(guó)四大智慧之一，可以理解為事物中的大道理（基本原理、方法和規(guī)律）是非常簡(jiǎn)單的，簡(jiǎn)單到一兩句話就能說(shuō)清楚。

物理學(xué)是一門(mén)自然科學(xué)，也是最接近“道”的科學(xué)。物理學(xué)的發(fā)展過(guò)程就是不斷利用理論發(fā)現(xiàn)并解釋自然之道的過(guò)程，所以物理學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是知“道”、尋“道”和悟“道”的過(guò)程。物理教學(xué)的原動(dòng)力是求簡(jiǎn)，簡(jiǎn)中求道，從而達(dá)到求真、向善、臻美之境界。

一、大道至簡(jiǎn)是物理研究的基本出發(fā)點(diǎn)

物理研究的一個(gè)重要手段，就是把復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，簡(jiǎn)單問(wèn)題模型化。簡(jiǎn)單性是科學(xué)家進(jìn)行研究的基本原則，也是始終堅(jiān)守一個(gè)科學(xué)傳統(tǒng)。如果你要在物理長(zhǎng)河所沉淀的邏輯中提取精華，那就只有兩個(gè)字——簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單就是最好的邏輯。翻開(kāi)物理學(xué)史，眾多的物理學(xué)家正是基于大道至簡(jiǎn)的思想，開(kāi)展物理學(xué)研究，取得了舉世矚目的成就。因此，大道至簡(jiǎn)是我們認(rèn)知世界的基本準(zhǔn)則，是物理研究的基本出發(fā)點(diǎn)，也是我們物理教學(xué)的基本之道。

伽利略對(duì)簡(jiǎn)單性原理鐘愛(ài)有加，他認(rèn)為“自然界總是習(xí)慣于運(yùn)用最簡(jiǎn)單和最容易、又是人們?nèi)菀桌斫獾姆绞絹?lái)進(jìn)行的”。他在研究石頭下落時(shí)，觀察到石頭從靜止開(kāi)始，不斷獲得新的速度增量，認(rèn)為應(yīng)該相信這樣的速度增加是以極簡(jiǎn)單和為人們十分容易理解的方式進(jìn)行的，增加的方式?jīng)]有比以同樣方式重復(fù)更簡(jiǎn)單的了，即速度是均勻增加的。于是，他仿照勻速運(yùn)動(dòng)的定義得出勻加速運(yùn)動(dòng)的概念：若一物體從靜止出發(fā)并在相等的時(shí)間間隔內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱(chēng)該物體的運(yùn)動(dòng)為勻加速運(yùn)動(dòng)。

著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者——盧瑟福同樣也具有簡(jiǎn)單性的世界觀。他說(shuō)過(guò)：我一直相信簡(jiǎn)單性，我自己就是一個(gè)簡(jiǎn)單的人。世界的簡(jiǎn)單性直接決定了知識(shí)的簡(jiǎn)單性。自然界一切物質(zhì)都由最簡(jiǎn)單的粒子組成，粒子運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)最簡(jiǎn)單的路徑，比如：光是沿著直線傳播的，行星的運(yùn)動(dòng)軌跡是圓形或者橢圓形的?？茖W(xué)研究的最后結(jié)果就是簡(jiǎn)單性理論反映或表達(dá)物質(zhì)世界的圖景與秩序。在1932年，玻爾說(shuō)過(guò)：盧瑟福認(rèn)為自然是簡(jiǎn)單的，這正是別人注意不到，而他能有所發(fā)現(xiàn)的原因。也正因?yàn)楸R瑟福相信自然的簡(jiǎn)單性，因此他的實(shí)驗(yàn)儀器是簡(jiǎn)單的：用大的錫罐頭皮做β和γ射線靜電計(jì)，在它上面焊上更小些的煙草盒或香煙盒。絕緣用硫磺，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有琥珀。他的研究方法是簡(jiǎn)單的，實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)分析、提煉假說(shuō)，建立模型。盧瑟福就是靠這么一些簡(jiǎn)易自制的儀器做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了α粒子散射現(xiàn)象，建立了原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)，開(kāi)拓了原子物理和核物理學(xué)的新疆域。

牛頓的光的色散實(shí)驗(yàn)也是通過(guò)最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)手段、利用最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)器材——三棱鏡進(jìn)行的。他把一個(gè)房間布置為暗室，只在窗子上開(kāi)一個(gè)圓形小孔，讓太陽(yáng)光從小孔射入，在小孔面前放一塊三棱鏡，立刻在對(duì)面墻上看到了像彩虹一樣的七色彩帶，這七種顏色由近及遠(yuǎn)依次為紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫，而且，后人對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行，也能得到與牛頓相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，簡(jiǎn)單使實(shí)驗(yàn)揭示了最深刻的科學(xué)真理?？梢?jiàn)，大道至簡(jiǎn)是我們認(rèn)識(shí)真理和實(shí)踐真理的基本出發(fā)點(diǎn)。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為，簡(jiǎn)單性是現(xiàn)實(shí)世界的一種客觀的、真實(shí)的屬性。他說(shuō)：“自然規(guī)律的簡(jiǎn)單性也是一種客觀事實(shí)，而且真正的概念體系必須使這種簡(jiǎn)單性的主觀方面和客觀方面保持平衡”。

二、大道至簡(jiǎn)是物理學(xué)習(xí)的思想源泉

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，復(fù)雜的事情往往在一分為二時(shí)就變得簡(jiǎn)單了，再難的事情從簡(jiǎn)單入手，循序漸進(jìn)就能做成，因此，復(fù)雜的事情簡(jiǎn)單做，簡(jiǎn)單的事情重復(fù)做，重復(fù)的事情用心做，長(zhǎng)此以往，一定能獲得成功。

在物理學(xué)習(xí)中，對(duì)于復(fù)雜的物理過(guò)程我們常常將其分解成幾個(gè)簡(jiǎn)單的過(guò)程，涉及多個(gè)物體時(shí)常常把研究的對(duì)象進(jìn)行隔離，這樣，將陌生的、復(fù)雜的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為熟悉的、簡(jiǎn)單的問(wèn)題，這實(shí)際上就是應(yīng)用轉(zhuǎn)化的思想來(lái)研究問(wèn)題、解決問(wèn)題，轉(zhuǎn)化正是大道至簡(jiǎn)的智慧在物理學(xué)習(xí)中的具體體現(xiàn)。

1.以道求簡(jiǎn)

物理中的“道”就是物理的核心概念、規(guī)律、思想方法等等，物理的本質(zhì)在于求簡(jiǎn)，就是要在物理學(xué)習(xí)的尋道過(guò)程中，學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)明的視角、簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)捷的語(yǔ)言、簡(jiǎn)單的方式來(lái)簡(jiǎn)明扼要地表達(dá)。學(xué)習(xí)中要始終確立簡(jiǎn)單化的意識(shí)，循序漸進(jìn)地認(rèn)識(shí)事物，理清知識(shí)之間的關(guān)系，以道求簡(jiǎn)，直至大道至簡(jiǎn)的境界。

研究一個(gè)做變速直線運(yùn)動(dòng)的物體在某段時(shí)間內(nèi)的位移時(shí)，我們會(huì)把它等效為一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)，這個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的速度就等于原來(lái)變速直線運(yùn)動(dòng)的平均速度，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)在同一時(shí)間內(nèi)的位移要保證相同。在v—t圖中，相當(dāng)于用一個(gè)矩形面積代替原來(lái)曲邊四邊形的面積，如圖1所示。同樣，建立平均速度概念的實(shí)質(zhì)也是把變速直線運(yùn)動(dòng)等效轉(zhuǎn)化為以平均速度為速度的勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)處理。這樣，對(duì)任何一種變速直線運(yùn)動(dòng)，不論是勻加速的、勻減速的還是非勻變速的，都有■=■，或x=■t。對(duì)一些更復(fù)雜的變速運(yùn)動(dòng)，我們常采用微分的思想，把運(yùn)動(dòng)過(guò)程分解成若干個(gè)微小的過(guò)程，每一個(gè)微小的過(guò)程視為勻速運(yùn)動(dòng)來(lái)處理，即我們常說(shuō)的化曲為直的方法。這些轉(zhuǎn)化過(guò)程中都有著相同的特征，把復(fù)雜的、陌生的變速運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的、熟悉的勻速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)處理，其本質(zhì)就是化繁為簡(jiǎn)，這種思想方法對(duì)于物理學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)作用。

2.簡(jiǎn)中尋道

從復(fù)雜的問(wèn)題情景中把握簡(jiǎn)單的本質(zhì)，從復(fù)雜問(wèn)題中發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的方法，就是要在“追簡(jiǎn)”的過(guò)程中尋“道”，這是我們研究、學(xué)習(xí)物理中需要遵循的一條基本原則。

在“探究加速度與力的關(guān)系”的實(shí)驗(yàn)中，猜想與假設(shè)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。教師首先要?jiǎng)?chuàng)設(shè)一個(gè)情境，例如，將競(jìng)賽用的小汽車(chē)與一般小汽車(chē)（質(zhì)量相當(dāng)）比較啟動(dòng)的快慢，初步得出物體受力越大、加速度越大的結(jié)論，然后讓學(xué)生對(duì)加速度與力之間的定量關(guān)系進(jìn)行猜想，可能有：a∝F、 a∝F2、a∝■…對(duì)于這些猜想，還需教師引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會(huì)分析判斷，進(jìn)行合理的取舍，進(jìn)一步做出定性的假設(shè)，以明確探究的方向。一般的教材中都是假設(shè)a∝F，并對(duì)該假設(shè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這個(gè)假設(shè)有依據(jù)嗎？有！正是依據(jù)伽利略“相信自然界規(guī)律是簡(jiǎn)單的”，那么，a與F之間的定量關(guān)系應(yīng)該遵從簡(jiǎn)單的原則，即：a∝F。endprint

在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中我們經(jīng)常將某些不易顯示、不易直接測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)化為易于顯示、易于直接測(cè)量的物理量。例如，電阻率的直接測(cè)量很難，我們是通過(guò)測(cè)量被測(cè)元件的電壓、電流，用歐姆定律求出電阻，再由電阻定律R=ρ■求出電阻率ρ。這里的間接測(cè)量實(shí)際上也是一種轉(zhuǎn)化。物理學(xué)習(xí)中一旦尋到了這個(gè)“道”——轉(zhuǎn)化，就可以舉一反三，進(jìn)行更多的測(cè)量，如導(dǎo)電膜的厚度、不易測(cè)量的長(zhǎng)度、面積等。

如圖2的導(dǎo)電柱體，中間是空的，長(zhǎng)為l、橫截面的外周是邊長(zhǎng)為a的正方形，內(nèi)周是類(lèi)似橢圓的形狀，材料的電阻率為ρ，現(xiàn)要測(cè)量其空心部分的截面積S0。我們可以在其兩端加上電壓U，并測(cè)出電流I，得到柱體的電阻R=■=ρ■，可得截面實(shí)心部分面積S′，則空心部分截面積為S0=a2-■。

三、大道至簡(jiǎn)是教師教學(xué)智慧的體現(xiàn)

大道至簡(jiǎn)中的“簡(jiǎn)”是反復(fù)演變后的精髓經(jīng)過(guò)濃縮后的表象，因而不能理解為一般意義上的簡(jiǎn)單。世上的事情難就難在簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)單是真理，簡(jiǎn)單是智慧，簡(jiǎn)單是厚積薄發(fā)的力量。教學(xué)的原動(dòng)力是追簡(jiǎn)，自然而然形成的簡(jiǎn)就是真，合情合理形成的簡(jiǎn)就是善，藝術(shù)加工形成的簡(jiǎn)就是美。真、善、美是物理教學(xué)追求的最高境界。對(duì)于物理教師來(lái)說(shuō)，能把復(fù)雜的東西教得簡(jiǎn)單，會(huì)把簡(jiǎn)單的東西教得有厚度，讓學(xué)生從一個(gè)概念、一個(gè)公式、一種方法中感受到物理的魅力，真正喜愛(ài)上物理。大道至簡(jiǎn)，返璞歸真，這正是教師教學(xué)智慧的體現(xiàn)。

1.課堂呼喚“簡(jiǎn)約”

對(duì)于物理教學(xué)，有的教師把內(nèi)容弄得很深?yuàn)W，那是因?yàn)闆](méi)有看穿實(shí)質(zhì)；有的教師把它搞得很復(fù)雜，那是因?yàn)闆](méi)有抓住教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵。大道至簡(jiǎn)意味著教學(xué)要“少而精”，能夠透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。所以，我們的物理課堂呼喚“簡(jiǎn)約”，特別是現(xiàn)在的學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)過(guò)重，大家都認(rèn)為亟須減負(fù)增效，簡(jiǎn)約課堂就顯得格外重要了。“簡(jiǎn)約”其實(shí)就是簡(jiǎn)易、簡(jiǎn)單。教學(xué)目標(biāo)要簡(jiǎn)潔、明了、具體，有可操作性和可測(cè)性；教學(xué)內(nèi)容要簡(jiǎn)約、恰當(dāng)、充實(shí)，能夠突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，把握關(guān)鍵點(diǎn)；教學(xué)手段、技術(shù)要適合、有度，體現(xiàn)科學(xué)性、針對(duì)性和實(shí)用性；針對(duì)訓(xùn)練要實(shí)用、典型、精準(zhǔn)，有針對(duì)性、實(shí)效性。總之，課堂教學(xué)要簡(jiǎn)約到不難為學(xué)生，簡(jiǎn)單到不拒絕任何一個(gè)學(xué)生。把深?yuàn)W的道理說(shuō)淺顯，把復(fù)雜的問(wèn)題做簡(jiǎn)單。大凡最普遍、本真的東西都是最簡(jiǎn)單的，這是我們識(shí)別事物真?zhèn)蔚囊粭l準(zhǔn)則，也可以作為評(píng)價(jià)一堂好課的重要標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于物理知識(shí)的簡(jiǎn)約可從以下三方面著手：①知識(shí)概念化。物理中有著大量的概念，這些概念都是用最精練的語(yǔ)言揭示事物的本質(zhì)屬性，例如，加速度是描述速度變化快慢的物理量，反映的是速度變化的快慢，而不是增加的速度。概念化，符合科學(xué)的簡(jiǎn)單性原則。②知識(shí)網(wǎng)絡(luò)化。就是尋找知識(shí)之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，把知識(shí)連成線、構(gòu)成面、織成網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的知識(shí)體系，使知識(shí)的學(xué)習(xí)更迅速、更高效，學(xué)習(xí)能做到“綱舉目張”。③知識(shí)模型化。物理所分析、研究的實(shí)際問(wèn)題往往都很復(fù)雜，為了便于分析與研究，我們常常對(duì)實(shí)際問(wèn)題做科學(xué)抽象的處理，用一種能反映原物本質(zhì)特性的理想物質(zhì)（過(guò)程）或假想結(jié)構(gòu)去描述實(shí)際的事物（過(guò)程），這種“簡(jiǎn)化”的過(guò)程就是模型化，它能使復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化、復(fù)雜過(guò)程簡(jiǎn)單化，便于對(duì)問(wèn)題的理解與研究，也有助于抽象思維的訓(xùn)練。

2.教學(xué)重在“悟道”

在課堂上，把簡(jiǎn)約出的空間和時(shí)間還給學(xué)生，教師要變“習(xí)題”為“問(wèn)題”， 變“授受”為“悟道”，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)更主動(dòng)，更自由，學(xué)生通過(guò)自己的思考、體驗(yàn)、揣摩，悟出物理之道。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，有的知識(shí)講得越多，學(xué)生越不明白，而讓學(xué)生自悟自得，效果會(huì)更好，這需要教師通過(guò)非常巧妙、到位的設(shè)計(jì)和智慧的引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生悟道、悟情。

我們知道，開(kāi)普勒的天文學(xué)和伽利略的動(dòng)力學(xué)在各自的領(lǐng)域中都是優(yōu)美和諧的，但都存在一定的局限性，如果把這兩個(gè)方面的理論放在一起時(shí)就有不和諧之處。如何使天上物體的運(yùn)動(dòng)和地上物體的運(yùn)動(dòng)有一種共同的、簡(jiǎn)單的描述？牛頓從開(kāi)普勒第三定律出發(fā)，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，使行星保持在它們各自軌道上的力的性質(zhì)是相同的，力的大小同它們到旋轉(zhuǎn)中心的距離平方成反比。他用這個(gè)關(guān)系計(jì)算了月亮保持在自己軌道上所需要的力，并與地球表面的重力比較之后，發(fā)現(xiàn)它們符合得相當(dāng)好，而且，萬(wàn)有引力作用下的天體運(yùn)動(dòng)遵從動(dòng)力學(xué)的規(guī)律，牛頓實(shí)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)與地上物體運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。在萬(wàn)有引力定律教學(xué)中，教師不僅讓學(xué)生正確理解、應(yīng)用該定律，還要引導(dǎo)學(xué)生悟出定律的簡(jiǎn)單性：牛頓只用了3個(gè)字母（m、r和F），就揭示了廣袤的宇宙中萬(wàn)物的相互關(guān)聯(lián)性，這定律幾乎是簡(jiǎn)單到了極頂。進(jìn)而領(lǐng)悟萬(wàn)有引力定律的簡(jiǎn)單美、和諧美。簡(jiǎn)單在科學(xué)史上已成為一個(gè)理論是否美的標(biāo)尺——簡(jiǎn)單就是美。

大道至簡(jiǎn)，智慧之道，這種智慧蘊(yùn)含在物理研究、物理學(xué)習(xí)和物理教學(xué)之中，值得我們?nèi)ヮI(lǐng)悟和擁有。

責(zé)任編輯：徐瑞泰

Abstract： That “The most valuable principle is the simplest one” is humans wisdom， which can also be found in physics research， learning and teaching. This paper， starting from physics research， learning and teaching， cites some examples to analyze and interpret the simplest principles so that we can reach the level of truth， goodness and perfection， letting physics teaching return to its original value.

Key words： most valuable but simplest principle； wisdom； instructionendprint