王高

摘要：大道至簡是人類的智慧，這種智慧也蘊含在物理研究、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)三個方面，結(jié)合實例分析領(lǐng)悟求簡之“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；智慧；研究；教學(xué)

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

大道至簡是流傳千年的中國四大智慧之一，可以理解為事物中的大道理（基本原理、方法和規(guī)律）是非常簡單的，簡單到一兩句話就能說清楚。

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

一、大道至簡是物理研究的基本出發(fā)點

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

伽利略對簡單性原理鐘愛有加，他認(rèn)為“自然界總是習(xí)慣于運用最簡單和最容易、又是人們?nèi)菀桌斫獾姆绞絹磉M(jìn)行的”。他在研究石頭下落時，觀察到石頭從靜止開始，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)更簡單的了，即速度是均勻增加的。于是，他仿照勻速運動的定義得出勻加速運動的概念：若一物體從靜止出發(fā)并在相等的時間間隔內(nèi)獲得相等的速度增量，則稱該物體的運動為勻加速運動。

著名的α粒子散射實驗的設(shè)計者——盧瑟福同樣也具有簡單性的世界觀。他說過：我一直相信簡單性，我自己就是一個簡單的人。世界的簡單性直接決定了知識的簡單性。自然界一切物質(zhì)都由最簡單的粒子組成，粒子運動經(jīng)過最簡單的路徑，比如：光是沿著直線傳播的，行星的運動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，玻爾說過：盧瑟福認(rèn)為自然是簡單的，這正是別人注意不到，而他能有所發(fā)現(xiàn)的原因。也正因為盧瑟福相信自然的簡單性，因此他的實驗儀器是簡單的：用大的錫罐頭皮做β和γ射線靜電計，在它上面焊上更小些的煙草盒或香煙盒。絕緣用硫磺，因為當(dāng)時沒有琥珀。他的研究方法是簡單的，實驗觀察、數(shù)據(jù)分析、提煉假說，建立模型。盧瑟福就是靠這么一些簡易自制的儀器做實驗，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，開拓了原子物理和核物理學(xué)的新疆域。

牛頓的光的色散實驗也是通過最簡單的實驗手段、利用最簡單的實驗器材——三棱鏡進(jìn)行的。他把一個房間布置為暗室，只在窗子上開一個圓形小孔，讓太陽光從小孔射入，在小孔面前放一塊三棱鏡，立刻在對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，后人對這個實驗可以重復(fù)進(jìn)行，也能得到與牛頓相同的實驗結(jié)果，簡單使實驗揭示了最深刻的科學(xué)真理。可見，大道至簡是我們認(rèn)識真理和實踐真理的基本出發(fā)點。

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

二、大道至簡是物理學(xué)習(xí)的思想源泉

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

在物理學(xué)習(xí)中，對于復(fù)雜的物理過程我們常常將其分解成幾個簡單的過程，涉及多個物體時常常把研究的對象進(jìn)行隔離，這樣，將陌生的、復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)化為熟悉的、簡單的問題，這實際上就是應(yīng)用轉(zhuǎn)化的思想來研究問題、解決問題，轉(zhuǎn)化正是大道至簡的智慧在物理學(xué)習(xí)中的具體體現(xiàn)。

1.以道求簡

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，就是要在物理學(xué)習(xí)的尋道過程中，學(xué)會用簡明的視角、簡要的設(shè)計、簡捷的語言、簡單的方式來簡明扼要地表達(dá)。學(xué)習(xí)中要始終確立簡單化的意識，循序漸進(jìn)地認(rèn)識事物，理清知識之間的關(guān)系，以道求簡，直至大道至簡的境界。

研究一個做變速直線運動的物體在某段時間內(nèi)的位移時，我們會把它等效為一個勻速直線運動，這個勻速直線運動的速度就等于原來變速直線運動的平均速度，這兩個運動在同一時間內(nèi)的位移要保證相同。在v—t圖中，相當(dāng)于用一個矩形面積代替原來曲邊四邊形的面積，如圖1所示。同樣，建立平均速度概念的實質(zhì)也是把變速直線運動等效轉(zhuǎn)化為以平均速度為速度的勻速直線運動來處理。這樣，對任何一種變速直線運動，不論是勻加速的、勻減速的還是非勻變速的，都有■=■，或x=■t。對一些更復(fù)雜的變速運動，我們常采用微分的思想，把運動過程分解成若干個微小的過程，每一個微小的過程視為勻速運動來處理，即我們常說的化曲為直的方法。這些轉(zhuǎn)化過程中都有著相同的特征，把復(fù)雜的、陌生的變速運動轉(zhuǎn)化成簡單的、熟悉的勻速直線運動來處理，其本質(zhì)就是化繁為簡，這種思想方法對于物理學(xué)習(xí)具有重要的指導(dǎo)作用。

2.簡中尋道

從復(fù)雜的問題情景中把握簡單的本質(zhì)，從復(fù)雜問題中發(fā)現(xiàn)簡單的方法，就是要在“追簡”的過程中尋“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”的實驗中，猜想與假設(shè)是一個非常重要的環(huán)節(jié)。教師首先要創(chuàng)設(shè)一個情境，例如，將競賽用的小汽車與一般小汽車（質(zhì)量相當(dāng)）比較啟動的快慢，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∝■…對于這些猜想，還需教師引領(lǐng)學(xué)生學(xué)會分析判斷，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，并對該假設(shè)進(jìn)行實驗驗證。這個假設(shè)有依據(jù)嗎？有！正是依據(jù)伽利略“相信自然界規(guī)律是簡單的”，那么，a與F之間的定量關(guān)系應(yīng)該遵從簡單的原則，即：a∝F。endprint

在實驗測量中我們經(jīng)常將某些不易顯示、不易直接測量的物理量轉(zhuǎn)化為易于顯示、易于直接測量的物理量。例如，電阻率的直接測量很難，我們是通過測量被測元件的電壓、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。這里的間接測量實際上也是一種轉(zhuǎn)化。物理學(xué)習(xí)中一旦尋到了這個“道”——轉(zhuǎn)化，就可以舉一反三，進(jìn)行更多的測量，如導(dǎo)電膜的厚度、不易測量的長度、面積等。

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

三、大道至簡是教師教學(xué)智慧的體現(xiàn)

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

1.課堂呼喚“簡約”

對于物理教學(xué)，有的教師把內(nèi)容弄得很深奧，那是因為沒有看穿實質(zhì)；有的教師把它搞得很復(fù)雜，那是因為沒有抓住教學(xué)內(nèi)容的關(guān)鍵。大道至簡意味著教學(xué)要“少而精”，能夠透過現(xiàn)象看本質(zhì)。所以，我們的物理課堂呼喚“簡約”，特別是現(xiàn)在的學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)過重，大家都認(rèn)為亟須減負(fù)增效，簡約課堂就顯得格外重要了?！昂喖s”其實就是簡易、簡單。教學(xué)目標(biāo)要簡潔、明了、具體，有可操作性和可測性；教學(xué)內(nèi)容要簡約、恰當(dāng)、充實，能夠突出重點、突破難點，把握關(guān)鍵點；教學(xué)手段、技術(shù)要適合、有度，體現(xiàn)科學(xué)性、針對性和實用性；針對訓(xùn)練要實用、典型、精準(zhǔn)，有針對性、實效性?？傊?，課堂教學(xué)要簡約到不難為學(xué)生，簡單到不拒絕任何一個學(xué)生。把深奧的道理說淺顯，把復(fù)雜的問題做簡單。大凡最普遍、本真的東西都是最簡單的，這是我們識別事物真?zhèn)蔚囊粭l準(zhǔn)則，也可以作為評價一堂好課的重要標(biāo)準(zhǔn)。

對于物理知識的簡約可從以下三方面著手：①知識概念化。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)的簡單性原則。②知識網(wǎng)絡(luò)化。就是尋找知識之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系，把知識連成線、構(gòu)成面、織成網(wǎng)，結(jié)構(gòu)簡化的知識體系，使知識的學(xué)習(xí)更迅速、更高效，學(xué)習(xí)能做到“綱舉目張”。③知識模型化。物理所分析、研究的實際問題往往都很復(fù)雜，為了便于分析與研究，我們常常對實際問題做科學(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)（過程）或假想結(jié)構(gòu)去描述實際的事物（過程），這種“簡化”的過程就是模型化，它能使復(fù)雜問題簡單化、復(fù)雜過程簡單化，便于對問題的理解與研究，也有助于抽象思維的訓(xùn)練。

2.教學(xué)重在“悟道”

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

我們知道，開普勒的天文學(xué)和伽利略的動力學(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，如果把這兩個方面的理論放在一起時就有不和諧之處。如何使天上物體的運動和地上物體的運動有一種共同的、簡單的描述？牛頓從開普勒第三定律出發(fā)，經(jīng)過研究發(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。他用這個關(guān)系計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，萬有引力作用下的天體運動遵從動力學(xué)的規(guī)律，牛頓實現(xiàn)了天體運動與地上物體運動的統(tǒng)一。在萬有引力定律教學(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)生悟出定律的簡單性：牛頓只用了3個字母（m、r和F），就揭示了廣袤的宇宙中萬物的相互關(guān)聯(lián)性，這定律幾乎是簡單到了極頂。進(jìn)而領(lǐng)悟萬有引力定律的簡單美、和諧美。簡單在科學(xué)史上已成為一個理論是否美的標(biāo)尺——簡單就是美。

大道至簡，智慧之道，這種智慧蘊含在物理研究、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