穆良柱

(北京大學(xué)物理學(xué)院，北京 100871)

2019年10月教育部印發(fā)《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革 全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》、《教育部關(guān)于一流本科課程建設(shè)的實施意見》，強調(diào)本科教學(xué)的重要性。物理教育作為基礎(chǔ)科學(xué)教育顯然是尤其需要重視的。要想做好物理教育，則要理解什么是物理，更要研究清楚物理認知的基本規(guī)律[1-3]，再根據(jù)認知規(guī)律的指導(dǎo)去做好物理教學(xué)，否則就只能跟著國外的所謂先進教學(xué)法迷失方向了。本文將介紹對物理認知規(guī)律的總結(jié)，即ETA物理認知模型。

1 ETA物理認知模型介紹

物理本質(zhì)上是人類對整個自然界形成的可證偽的系統(tǒng)化認知，物理學(xué)家最終的目標是試圖用少數(shù)幾個基本原理解釋整個自然界，然而在實際的認知過程中，是要明確到一個具體研究對象而展開認知的。這個研究對象如何選??？確定之后如何才能構(gòu)建出一套物理的認知呢？我們可以根據(jù)物理學(xué)家在實踐中的嘗試總結(jié)歸納出一個物理認知模型——ETA物理認知模型，如圖1所示。

圖1 ETA物理認知模型的構(gòu)成注：ETA物理認知模型由11個具體步驟構(gòu)成，可以劃分為實驗物理、理論物理、應(yīng)用物理三個認知階段。實驗物理認知和理論物理認知對應(yīng)的是科學(xué)探索，應(yīng)用物理認知則對應(yīng)技術(shù)應(yīng)用。注意這里實驗物理、理論物理、應(yīng)用物理的含義和通常大家概念中的理解有一定區(qū)別，這里強調(diào)的是其認知上的含義，而不是知識角度的理解。為了實現(xiàn)每個認知階段的目標，要采取相應(yīng)的物理方法。

ETA物理認知模型由11個具體認知步驟構(gòu)成，可以劃分為實驗物理認知、理論物理認知、應(yīng)用物理認知三個認知階段，實驗物理認知和理論物理認知對應(yīng)的是科學(xué)探索過程，應(yīng)用物理認知則對應(yīng)技術(shù)應(yīng)用過程。注意這里實驗物理、理論物理、應(yīng)用物理的含義和通常大家概念中的理解有一定區(qū)別，這里強調(diào)的是其認知上的含義，而不是知識角度的理解。為了實現(xiàn)每個認知步驟的目標，要采取相應(yīng)的物理方法，也就是物理學(xué)家做事的方法，而貫穿每個認知步驟的是物理學(xué)家追求真理、積極樂觀的物理精神，即物理學(xué)家做人的方法。下面分步驟解釋整個認知過程。

1.1 實驗物理認知

1.1.1 觀察物理現(xiàn)象

物理認知的第一步就是用人天生的感知能力去觀察世界，其實從嬰兒有了感知能力，就已經(jīng)開始了這個過程。盡管物理是為了研究整個自然界，但真的去觀察這個世界時，會發(fā)現(xiàn)太復(fù)雜了，所以實際研究時總要想方設(shè)法地簡化研究對象，這時常用的一個方法就是分類法。稍微了解一點自然科學(xué)的人都知道，分類法在自然科學(xué)認知中有廣泛的應(yīng)用，比如生物學(xué)家的域、界、門、綱、目、科、屬、種分類法，物理學(xué)家的力、熱、電、光等。分類法的好處在于，同一類的對象可能有共同的規(guī)律，所謂規(guī)律是不變的性質(zhì)，當你解剖一只麻雀了解其結(jié)構(gòu)之后，你就可以猜想所有的鳥類可能都和麻雀的結(jié)構(gòu)差不多，所以有“麻雀雖小，五臟俱全”的說法。分類法簡化了對同一類對象的共同性質(zhì)的認知，讓我們有可能從同一類對象中挑選最簡單的那一個進行研究，然后將認知推廣到同類其他對象。牛頓之所以對“蘋果會下落，月亮卻不下落”感到驚奇，就是因為蘋果和月亮都是被地球吸引的同一類對象，盡管運動性質(zhì)卻看起來完全不同。

1.1.2 挑選研究對象

觀察物理現(xiàn)象進行分類后就要具體挑選研究對象了，這時往往挑選同一類中最簡單的那一個，如果最簡單的還不夠簡單，則還可以極端簡化，甚至采用還原論的方法，將其拆開成更簡單的對象。例如研究月亮繞地球運動時，月亮和蘋果是同一類對象，顯然研究一個蘋果在地球吸引下的規(guī)律是更簡單的，至少可以隨便扔蘋果，扔出豎直上拋、平拋、斜拋等各種現(xiàn)象，這些都是研究月亮運動的線索，如果覺得蘋果還不夠簡單，還可以將其簡化成一個小球。如果不得不研究一個復(fù)雜對象，但是沒有最簡化的案例代表，那么可以采用還原論的方法，將復(fù)雜對象拆成簡單對象，之后再組合，這種方法在整個西方科學(xué)體系中是最廣為人知的了，物理研究對象最徹底，從最大的宇宙一直拆到最小的夸克、輕子等基本粒子。

1.1.3 明確研究問題

挑出最簡單的研究對象之后，還需要明確研究問題，這是因為一個對象往往涉及的物理性質(zhì)有很多，這里為了挑出要研究的問題，常用主次法。一個簡單的小球，其基本屬性是運動，以及由于運動帶來的能量、動量、角動量等屬性，這個小球有可能還帶電，這樣又涉及電性質(zhì)，而帶電電荷運動起來還涉及磁性質(zhì)，如果小球再碰上光子散射，可能又涉及光性質(zhì)。所以在研究時不得不明確自己的研究問題，即挑選出最想研究的性質(zhì)，例如，如果我們只關(guān)心小球的運動性質(zhì)，那么就不要把電、磁、光等其他性質(zhì)牽扯進來。這樣的方法可以簡單地稱為主次法，這種方法往往能簡化問題的復(fù)雜度，當然也可能帶來近似，因為暫時丟棄了一些次要因素。

1.1.4 量化描述性質(zhì)

明確了研究問題之后，就需要對問題所涉及的物理量進行量化描述，這是物理認知走向精確量化、公理化的關(guān)鍵一步，量化描述時常用類比法、轉(zhuǎn)換法等。物理性質(zhì)的量化描述就是定義和觀測物理量。例如描述小球平動，需要定義時間、位移、速度、加速度、質(zhì)量、動量。給出這些定義時，經(jīng)常用類比的方法，比如位移的概念直接類比人的視覺感受，位移大小可以類比人腳的特征長度，時間的長短可以類比地球自轉(zhuǎn)周期(日)、月球公轉(zhuǎn)周期(月)、地球公轉(zhuǎn)周期(年)。而有些物理量無法直接類比，就可以用轉(zhuǎn)換的方法變成可直接測量的，比如溫度的概念可以直接類比人的冷暖感受，可是溫度大小的測量在水銀溫度計中就不得不轉(zhuǎn)換為水銀長度的測量。

1.1.5 尋找實驗規(guī)律

在定義測量了各種物理量之后，接下來希望做的是找到這些量之間的關(guān)系，即經(jīng)驗規(guī)律，而尋找這些實驗規(guī)律時常用極端條件法、控制變量法。為了探索實驗規(guī)律，就要各種折騰研究對象，觀察記錄實驗現(xiàn)象，比如小球運動，勻速直線、自由落體、斜面下滑、平拋、斜拋。然而，為了找出和需要研究的問題有關(guān)的各種因素，往往需要用極端條件。伽利略理想斜面實驗中，沒有摩擦力的極限條件下，小球運動會如何？牛頓在地球表面平拋小球?qū)嶒炛?，讓小球的速度越來越大，推到極限會如何？兩個質(zhì)子在極端高速下相撞會如何？很多神奇的物理現(xiàn)象都是在極端條件下發(fā)現(xiàn)的。為什么要用極端條件法呢？極端條件實際上是將某個因素推到極限，壓制其他因素，從而凸顯該因素對所研究問題的影響。從另一個角度說，極端條件往往也是認知的邊界，突破這個邊界自然可能有驚喜。極端條件往往也伴隨著極端的技術(shù)進步。尋求物理量之間關(guān)系時，如果只有兩個物理量當然是簡單的，但實際上常常涉及兩個以上變量，這時就常常用控制變量法，即控制一部分獨立變量不變，只研究兩個變量之間的關(guān)系。比如熱學(xué)中理想氣體三定律，其實就是分別控制壓強、體積、溫度不變時得到的規(guī)律。

1.2 理論物理認知

人的認知并不滿足于只得到一系列經(jīng)驗規(guī)律，因為這像盲人摸象一樣，得到的是看起來沒有關(guān)聯(lián)、片面的、大量的非系統(tǒng)化認知，這時物理學(xué)家開始探索整頭大象的圖像——這些經(jīng)驗規(guī)律背后更簡單的原因，即追求公理化認知系統(tǒng)，這種認知系統(tǒng)實際上是從數(shù)學(xué)認知系統(tǒng)借鑒的。如果能從經(jīng)驗規(guī)律中找到基本公理，或者假設(shè)基本公理，并只用數(shù)理邏輯系統(tǒng)化推導(dǎo)出所有的經(jīng)驗規(guī)律，這將是物理認知系統(tǒng)極大的簡化與進步，特別是這讓我們看起來構(gòu)建了整頭大象的圖像。

1.2.1 建立理想模型

為了建立這個理論，第一步要做的事情是建立模型，此時常用理想模型法。常見的如質(zhì)點、理想氣體、點電荷、電流元、理想流體、夸克等等。顯然這些模型都是極端理想化的，是同一類研究對象中最能體現(xiàn)共同本質(zhì)，而又最簡單的代表，或者是采用還原論的想法，人為拆解出來的理想對象，顯然，理想模型法是對實際對象的一種近似法。

1.2.2 建立公理認知

在理想模型的基礎(chǔ)上，就可以嘗試構(gòu)建公理化認知體系了，而這時常用的方法就是數(shù)理邏輯法、簡單歸納法、猜想法等。顯然這時要求邏輯上是嚴格的，必然使用基本的數(shù)理邏輯方法，比如分析法、綜合法、反證法、歸納法等，實際上整套公理化認知都是數(shù)理邏輯。公理化體系中，公理選擇并不是唯一的，如何選是非常重要的，不同的公理選擇可能會導(dǎo)致整個體系看起來截然不同，當然物理量定義不同也會影響公理化體系，選擇的一個常用標準是要使得整套公理化體系盡量簡化優(yōu)美，即奧卡姆剃刀。公理可以從已有的經(jīng)驗規(guī)律中簡單歸納，例如熱力學(xué)第一定律可以看成是經(jīng)驗規(guī)律的總結(jié)，也可以從已有的實驗規(guī)律中反推出來，但無論如何，公理都只是一個猜想。猜想法其實往往是基于研究者以往的經(jīng)驗積累和現(xiàn)有研究對象之間的關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的，無論怎么產(chǎn)生出來，我們都假設(shè)這是一個公理，然后將其推廣適用于同一類的研究對象，其正確與否是和實驗檢驗相關(guān)聯(lián)的，如果是錯的，一定會被證偽。所以猜想法只是一種有效的思維方式，并不是嚴格正確的數(shù)學(xué)邏輯。有趣的是，這種不怎么嚴格的簡單歸納法、猜想法給我們帶來很多認知上的突破，數(shù)學(xué)中也有很多類似的案例，比如著名的黎曼猜想、龐加萊猜想等。

1.2.3 實驗證偽檢驗

構(gòu)建了公理化體系認知后，有一個很關(guān)鍵的問題是，這套理論對不對呢？物理的認知邏輯要求可以用實驗來檢驗，但是不可證偽的理論，實驗檢驗是沒有意義的，因為它總是對的；而可證偽的理論，盡管實驗不能證明其正確，但是如果理論是錯的，則一定可以被證偽，這樣留下來的理論就有可能是正確的。這里物理學(xué)家充分體現(xiàn)了一種積極樂觀主義精神，盡管我們希望追求的是真理，但在不可能的情況下，退而求其次，一個有效理論也總比什么都沒有強。實驗證偽時常用特例法。模型和公理化體系建立后，原則上該研究對象的某一類性質(zhì)都可以由公理化體系完備自洽描述，自洽性是邏輯的自然要求，而完備性則是能推導(dǎo)出該研究對象的所有相關(guān)性質(zhì)，這樣一來就可以對研究對象的行為進行預(yù)言了，而這些預(yù)言是可以用實驗來檢驗的。受限于實驗條件或者理論推導(dǎo)的困難程度，這些預(yù)言往往是針對一些極端的特例，比如廣義相對論預(yù)言日食時星光偏轉(zhuǎn)，統(tǒng)計物理預(yù)言低溫時玻色-愛因斯坦凝聚等等。盡管只是特例，但只要實驗與理論不符合，就可以直接證偽理論。證偽的關(guān)鍵意義在于找到理論有效的認知邊界，在邊界內(nèi)，這套理論是有效的，邊界外，理論失效，需要重新構(gòu)建。實際上，可證偽性保證了物理認知體系是個開放體系，是探索性的認知模式，可以不斷發(fā)現(xiàn)新的認知，而不可證偽的理論則是封閉體系，劃定范圍后再也無法跳出來。人類歷史上，這兩種方式都曾經(jīng)采用過，中世紀的歐洲采用封閉的認知體系后，經(jīng)歷一千多年的黑暗時期，而文藝復(fù)興后采用開放的可證偽的認知體系，則在短短幾百年內(nèi)實現(xiàn)了工業(yè)技術(shù)革命、信息技術(shù)革命，并且邁入了生物技術(shù)革命，人類認知甚至強大到超越人類所能承受的程度。

1.3 應(yīng)用物理認知

一旦知道了物理認知的邊界，就可以在邊界內(nèi)到處應(yīng)用這些認知了。首先可以解釋以前發(fā)生過的現(xiàn)象，否則理論就錯了，其次還可以預(yù)言將會發(fā)生的現(xiàn)象，否則理論就失去了意義，而面對當下時，這些認知可以指導(dǎo)人類去和世界交互，進行各種技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造。應(yīng)用物理認知階段常用的方法是類比、邏輯推理等。最直接的應(yīng)用就是類比，找到一個差不多的研究對象就套上去試試，有時類比不是那么直接，那就需要做一些邏輯推理。在做技術(shù)應(yīng)用時，需要做的類比就更多，要將不同研究對象的特性都類比應(yīng)用到同一個對象上，例如手機的功能就集成了相機、電腦、電話等各種功能，再本質(zhì)一點，需要類比應(yīng)用力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、量子力學(xué)等理論。從某種角度來說，應(yīng)試教育就是應(yīng)用物理認知階段的教育。

以上就是一個完整的物理認知模型，實際上就是物理認知的規(guī)律，這里為了方便記憶，用實驗物理(Experimental Physics)、理論物理(Theoretical Physics)、應(yīng)用物理(Applying Physics)的英文首字母將模型命名為ETA物理認知模型。注意這里對三個名詞的理解和一般的理解是有所不同的，一般會將實驗物理理解為物理實驗，理論物理理解為某種理論體系，應(yīng)用物理理解為某種應(yīng)用理論，強調(diào)的是其知識層面上的含義，在ETA模型中，則強調(diào)的是建立認知層面上的含義。實際上，在實驗物理認知階段，是可以隨機探索、可以完全不懂理論知識的。例如，開普勒并不懂牛頓的天體運行理論，但這并不妨礙他發(fā)現(xiàn)開普勒三定律。在理論物理認知階段，需要做的是根據(jù)有限的實驗線索，構(gòu)造完整理論的理解，所以愛因斯坦才在《物理學(xué)的進化》里說構(gòu)建理論的過程像福爾摩斯探案，很多學(xué)生和部分教師理解的理論物理其實是應(yīng)用物理，以為學(xué)會一套理論，到處應(yīng)用就是理論物理了。在應(yīng)用物理認知階段，實際上并不一定是有了理論才去用，即便是只有實驗規(guī)律一樣可以用，例如高溫超導(dǎo)理論并不成熟，但并不妨礙超導(dǎo)量子干涉器件的發(fā)明和使用，所以對應(yīng)英文的翻譯是Applying Physics，而不是一般使用的Applied Physics。有了ETA模型就可以理解許多和物理相關(guān)的問題了。

2 從認知角度回答錢學(xué)森之問

從ETA物理認知模型出發(fā)，可以對著名的錢學(xué)森之問——“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出人才？”給出認知角度的回答。這實際上是因為現(xiàn)有的教育強調(diào)的是應(yīng)用物理認知能力培養(yǎng)，而缺失了實驗物理認知能力培養(yǎng)和理論物理認知能力培養(yǎng)，也就是缺失了科學(xué)探索能力培養(yǎng)。從中學(xué)的應(yīng)試教育，到大學(xué)教學(xué)內(nèi)容強調(diào)為了將來有用，都是想著記住一套有用的理論，然后到處應(yīng)用。這種認知模式不能全部歸咎于高考指揮棒，實際上更本質(zhì)的原因是順應(yīng)了經(jīng)濟發(fā)展的需要。新中國成立之初，我們科技落后太多，為了快速趕上發(fā)達國家，最好的辦法就是用應(yīng)用物理的認知方式，快速學(xué)習(xí)先進科技，然后類比使用。這種方式非常有效，改革開放40年，中國已經(jīng)在高鐵、橋梁、盾構(gòu)機、電子商務(wù)等很多方面處于領(lǐng)先地位，這種有效性讓大家習(xí)慣地誤以為科技認知就是這種模式，產(chǎn)生了國外沒有的我們不敢做，國外有的我們跟風(fēng)做的現(xiàn)象。直到現(xiàn)在，大學(xué)里搞科研，靠的是引進人才，而這些引進的人才大多就是把在國外的研究照搬到國內(nèi)，大學(xué)里搞教學(xué)，靠的是學(xué)國外的教學(xué)內(nèi)容和方法，比如照搬哈佛的通識教育，照搬在線學(xué)習(xí)(資源共享課程，開放課程，MOOC)、翻轉(zhuǎn)課堂 (協(xié)作學(xué)習(xí)，同伴學(xué)習(xí)，混合式學(xué)習(xí))、探究學(xué)習(xí) (基于問題的學(xué)習(xí)，基于項目的學(xué)習(xí)，基于研究的學(xué)習(xí))[4]。這種情況下怎么可能出杰出的大師級人才呢？大師之所以稱為大師，就是他們對事物有自己獨到的見解，而不是照搬別人的認知。如今國家的發(fā)展已經(jīng)到了新階段，最先進的技術(shù)被封鎖，有些領(lǐng)域我們自己就是最先進的，這時再靠應(yīng)用物理認知模式已經(jīng)無法支撐國家的發(fā)展了，所以國家對教育，尤其是對本科教育提出了新的要求。提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，一流本科課程建設(shè)，從教育部頒發(fā)的文件中可以看到多處強調(diào)“創(chuàng)新”，這里的創(chuàng)新顯然已經(jīng)不是應(yīng)用層面的創(chuàng)新了，因為中國的專利數(shù)早就是世界第一了，這里的創(chuàng)新是對未知探索的創(chuàng)新，是像當年力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、量子力學(xué)那樣推動了人類文明的創(chuàng)新。從ETA物理認知模型中可以看到，這種創(chuàng)新需要的是實驗物理認知能力、理論物理認知能力。所以從認知角度看，為了培養(yǎng)能支撐國家發(fā)展的杰出人才，物理教育需要按照ETA物理認知模型給出的認知規(guī)律，完整地培養(yǎng)學(xué)生的實驗物理認知能力、理論物理認知能力、應(yīng)用物理認知能力。這樣的物理教育可以稱為ETA物理教育，圍繞這種理念設(shè)計的教學(xué)方法，可以稱為ETA物理教學(xué)法，實際上就是按照物理認知規(guī)律來組織教學(xué)內(nèi)容，再按照認知的不同階段選擇具體的教學(xué)手段。這種教學(xué)法的一個優(yōu)點是，可以在證偽環(huán)節(jié)，快速帶領(lǐng)學(xué)生走到認知的邊界，學(xué)生只要再往前邁出一步，就可以超越教師，為認知作出新的貢獻，而這正是教育的核心，否則只能一代不如一代，更不可能出大師了。

3 結(jié)語

ETA物理認知模型實際上是關(guān)于物理認知規(guī)律的研究結(jié)果，或者說是關(guān)于“物理研究”的研究，對于未知的物理研究對象來說，ETA模型給出了物理認知的全景導(dǎo)航圖和方法庫。

得到這個模型的過程很漫長，也很痛苦，因為要對物理領(lǐng)域的大量案例進行總結(jié)、拆解、歸納，研究出的結(jié)論還要有普適性，經(jīng)得起檢驗，在沒有得到結(jié)論之前，甚至?xí)X得這種認知規(guī)律是不存在的，因為太多的故事告訴我們，物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)看似偶然和幸運。

幸運的是，我們竟然總結(jié)出了這套認知規(guī)律，并且可以由此去解釋很多和物理相關(guān)的問題。例如物理方法[5]，它是指在完成物理認知的過程中所采用的方法，如分類法、控制變量法等，是物理學(xué)家做事的方式。再例如物理精神[6]，它是物理學(xué)家在認知過程中形成的對自我的要求和約束，如追求真理、積極樂觀等，是物理學(xué)家做人的方式。物理方法和物理精神構(gòu)成了物理學(xué)家認知能力的核心，也就是物理文化。物理教育本質(zhì)上就是傳承這種文化，繼承了這種文化的人構(gòu)成了物理社區(qū)，社區(qū)的規(guī)則制度則是為了保證這種文化的生存與發(fā)展。

物理文化代表的是人類對未知對象的有效探索能力，也是國家未來發(fā)展需要的核心能力，如果能讓這種文化普及到國民大眾，成為公民基本能力之一，讓物理文化植根于民族的文化中，顯然對整個國家和民族的進步都有巨大的意義。