尹德利

（北京市東方德才學(xué)校 北京 100026）

科學(xué)研究始于問題，英國科學(xué)哲學(xué)家波普爾如是說.著名物理學(xué)家愛因斯坦也認(rèn)為：“提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因?yàn)榻鉀Q問題也許僅是一個數(shù)學(xué)上或?qū)嶒?yàn)上的技巧而已.而提出新的問題、新的可能性，從新的角度去看舊的問題，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個要素中，“提出問題”排在第一位.提出問題是科學(xué)探究的前提，科學(xué)探究過程總是圍繞著所要探究的問題展開的，正是因?yàn)橛辛嗣鞔_、具體的探究問題，才能使探究過程具有明確的主題，使探究能沿著合理的猜想與假設(shè)一步一步走下去.如果沒有發(fā)現(xiàn)問題，當(dāng)然也就提不出問題，科學(xué)探究也就無從談起.因此，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力應(yīng)當(dāng)引起教師足夠的重視.

美國教育家布魯巴克說過：“最精湛的教育藝術(shù)，遵循的最高準(zhǔn)則，就是學(xué)生自己提出問題.”《課程標(biāo)準(zhǔn)》對學(xué)生提出問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)的問題”，二是“從物理學(xué)的角度明確地表述這些問題”.在實(shí)際探究教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)問題往往較提出問題更困難.影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出問題的因素主要有兩個：一是問題意識，二是思維方法.問題意識是由人的心理活動的兩個方面所構(gòu)成：一是好奇，它是問題產(chǎn)生的內(nèi)驅(qū)力；二是質(zhì)疑，反映了個體對問題的探究與批判精神.然而，光有好奇和質(zhì)疑，卻不能夠提出有價值的探究性問題，有價值的探究性問題的提出，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)問題、提出問題的能力，需要從激發(fā)學(xué)生的問題意識和指導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的思維方法兩個方面進(jìn)行.

近年來，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)生如何提出有價值的探究性問題談點(diǎn)自己的做法和體會，如何激發(fā)學(xué)生的問題意識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)家觀察問題的角度，提出問題、分析問題和解決問題的思維方法.

那么，物理學(xué)家是如何發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的呢？他們發(fā)現(xiàn)和提出問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

我們每個人從出生到長大成人，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、工作過程中，逐漸形成了關(guān)于客觀世界中物質(zhì)及其運(yùn)動規(guī)律的認(rèn)識，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，問題就產(chǎn)生了.只不過，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.科學(xué)史上倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的故事對學(xué)生如何發(fā)現(xiàn)科學(xué)問題就很有啟發(fā)意義.

X射線的發(fā)現(xiàn)源于對陰極射線的研究.1895年11月8日晚，德國物理學(xué)家倫琴用陰極射線管做實(shí)驗(yàn).為了防止外界對陰極射線的影響，同時也不使管內(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，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：熒光效應(yīng)究竟是不是來自于陰極射線管？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.

我們來看倫琴發(fā)現(xiàn)問題的過程.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題.對倫琴來說，以上這個過程或許在一瞬間就完成了，但它的確是提出問題的兩個環(huán)節(jié)：發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象和對現(xiàn)象的質(zhì)疑.

當(dāng)新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)無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，促使物理學(xué)家提出問題：造成事實(shí)和理論不一致的原因是什么？通過建立新的猜想和假設(shè)，并設(shè)計更完善的實(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，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它的實(shí)際軌道總是跟用萬有引力計算出來的軌道有一定差異.為什么會出現(xiàn)這種差異？研究者根據(jù)這個差異，推測天王星外面還有一個未發(fā)現(xiàn)的行星在對天王星起作用，通過進(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)象無法用經(jīng)典的光的電磁理論解釋，對這個問題的深入思考促使愛因斯坦提出了光子說；20世紀(jì)初，英國物理學(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，但這一模型無法用經(jīng)典的電磁理論來解釋，對這個問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)問題的產(chǎn)生，來源于新的實(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年來西方無人表示懷疑，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)了問題：如果重的物體比輕的物體下落得快，那么把一個輕的物體綁在重的物體上面，重的物體下落得比原來更快些還是更慢些呢？按亞里士多德的落體理論，兩個物體綁在一起的重量顯然比一個物體的重量大，應(yīng)該下落得更快些；但是，兩個物體綁在一起后，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)動的速度反而比單獨(dú)一個重的物體下落得要慢些.按同一個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，理論是錯誤的.問題也就提出來了：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)動理論.

除了伽利略外，科學(xué)史上愛因斯坦與另外兩位同事合作提出的“EPR悖論”，對量子力學(xué)的完備性提出了有力地反駁，對量子力學(xué)理論的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響.“雙生子悖論”也曾對愛因斯坦的狹義相對論形成有力挑戰(zhàn).數(shù)學(xué)史上，英國數(shù)學(xué)家羅素提出的“羅素悖論”以及后來的幾個悖論，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)史上一次劃時代的發(fā)現(xiàn).因?yàn)樵诖酥?，人們一直認(rèn)為電和磁沒有任何聯(lián)系.現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，既然電流可以產(chǎn)生磁場，那么磁場能不能產(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)家思考的問題，他們紛紛設(shè)計實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探索.經(jīng)過十年的不懈努力，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，為麥克斯韋電磁場理論奠定了基礎(chǔ).

奧斯特的發(fā)現(xiàn)傳到法國以后，法國物理學(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)該對電流產(chǎn)生作用力.那么磁鐵對電流的作用力遵守什么規(guī)律呢？安培設(shè)計并完成了一系列電學(xué)實(shí)驗(yàn)，終于找到了磁場對電流作用力的規(guī)律，建立了他自己的一套電動力學(xué)理論.

1905年愛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性，而且還具有粒子性.光的波粒二象性引起了法國一位年輕學(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性呢？如果是，如何設(shè)計實(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)獎的領(lǐng)獎臺.

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，我們可以對原有的知識、觀念和思路進(jìn)行溯本求源，逆向思考，從而拓寬新的思路，提出新的問題，發(fā)現(xiàn)解決問題的新方法、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，嘗試提出一些有價值的探究性問題，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)識客觀世界、建立科學(xué)理論的一種常用思維方法.康德曾說過：“每當(dāng)理智缺乏可靠論證的思路時，類比這個方法往往指引我們前進(jìn).”德國物理學(xué)家歐姆，在從事研究工作的時候，科學(xué)上還沒有電動勢、電流、電阻等明確的概念，更沒有可以精確測量它們的儀器.在研究中，他把電流跟熱流、水流進(jìn)行類比，看到電勢差在形成電流與溫度差和高度差在形成熱流和水流過程中起著類似的作用.他運(yùn)用類比法，猜測電流跟電勢差成正比，并且設(shè)計實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)自己的猜測.通過大量的實(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)家長岡半太郎的“土星模型”的啟發(fā)，提出了與太陽系行星運(yùn)動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，為愛因斯坦的狹義相對論提供了實(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，教師要啟發(fā)學(xué)生自覺運(yùn)用類比法提出探究問題，進(jìn)行猜想與假設(shè)，并沿著猜想與假設(shè)的方向設(shè)計實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行驗(yàn)證和分析.

5 對稱思考

自然界許多事物都具有對稱性，這種對稱性體現(xiàn)著自然界事物的美與和諧.在物理學(xué)中，某種對稱性總是與某種守恒律聯(lián)系在一起的.對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.愛因斯坦最初正是基于對稱性的思考，提出了他的狹義相對論.在一篇論文中，愛因斯坦寫道：“麥克斯韋電動力學(xué)——象它現(xiàn)在通常為人們所理解的那樣 —— 應(yīng)用到運(yùn)動物體上，就要引起不對稱，而這種不對稱似乎不是現(xiàn)象所固有的.”他舉例說，當(dāng)一個磁體與一個閉合線圈發(fā)生相對運(yùn)動時，線圈內(nèi)就會產(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，運(yùn)動的磁鐵在周圍就會產(chǎn)生一個變化的渦旋電場，驅(qū)動線圈中電荷做定向運(yùn)動；如果以磁鐵為參照物，磁鐵不動，周圍就沒有渦旋電場，這時線圈中的帶電粒子在洛倫茲力作用下做定向運(yùn)動.參照物是人為選取的，磁鐵周圍的電場存在與否決定于人們選取哪個參照物.這個結(jié)論難以讓人理解.對電磁現(xiàn)象對稱性的深入思考，結(jié)合邁克耳孫 －莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，促使愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論.

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

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

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（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