例谈形成物理概念的逻辑和非逻辑途径
陈从生福建省福州格致中学
【摘要】物理概念是进行科学思想和科学方法教育的重要载体，教师在教学中引导学生归纳总结物理概念形成的逻辑和非逻辑途径，是科学思想和科学方法教育取得成功的关键所在。本文试从物理教学中的例子谈谈物理概念形成的逻辑和非逻辑途径。
【关键词】物理概念逻辑非逻辑
【中图分类号】G632【文献标识码】A【文章编号】1006－9682（2009）04－0145－02
爱因斯坦指出，物理概念的形成有两条途径：一是有意识的方面，即通过逻辑上思维的自由创造；另一是无意识方面，即通过非逻辑的直觉和想象。可以说，一个物理概念的形成，有着与之对应的科学思想和科学方法的形成。
《普通高中物理课程标准》在“课程目标”的“过程与方法”方面强调，需要让学生经历科学探究的过程，动手实践，学习科学方法，体会科学思想，这充分体现了新课程对物理教学中科学思想和科学方法教育的重视。物理概念是进行科学思想和科学方法教育的重要载体，教师在教学中引导学生归纳总结物理概念形成的逻辑和非逻辑途径，是科学思想和科学方法教育取得成功的关键所在。本文试从物理教学中的例子谈谈物理概念形成的逻辑和非逻辑途径。
一、物理概念形成的逻辑途径
在有意识方面，概念不是从感觉和归纳中得到的，而是逻辑思维的自由创造。
1．从分析流行概念入手
分析流行概念的目的有二，一是分析它们的正确性和适用性。每个旧的概念都只能在一定的范围内和特定的条件下成立。分析这些概念在科学的发展进程中如何从经验中形成又高于经验的地位和作用，可以打破人们对旧概念产生的一种“权威性”的思想禁锢，敢于批判旧概念，提出新概念。二是分析它们存在的合理性和对应性。如果新的实验事实或深入的分析已经证明旧概念的存在不再是充分合理的，它们应该被抛弃。如果它们仍有一定的存在合理性，但与对应的事物联系不那么全面和完整，它们应该被修改。正是在这样的自觉逻辑活动的基础上旧的概念体系逐渐被新的概念体系所代替。［1］
物理学的时空观从一开始就已渗透在整个物理教学的过程中。学生在学习物理知识的同时也受到一种时空观的教育。在相对论时空观的教学中，一方面，教师引导学生在讨论经典物理学的理论和成就的同时，应使学生初步了解经典物理学时空观被突破的过程和爱因斯坦构建相对论时空观的方法；另一方面，教师应引导学生认识经典物理学时空观的适用范围和局限性，即只有在低速（和光速相比）条件下，经典物理学的时空观才是有效的。所以有了相对论的新时空观，经典物理学时空观没有必要彻底被抛弃。
2．对广泛事实进行考察
科学的基本概念不是通过概括同类事物得到的，而是在对广泛范围的各种庞大事物的考察中形成的。这样的考察具有较大自由度，这是导致新概念形成的途径。［1］
在机械运动的概念教学中，从观察一些现象入手，如天体在运行，车辆在前进，机器在工作，人在行走等。尽管这些现象的具体形象不同，但我们可以撇开它的具体形象，从他们的共性去考察，就会发现有共同的特征，即一个物体相对于另一个物体的位置随时间在改变。我们把从一系列具体现象中抽出来，又反映着这一系列现象本质的特征，叫做机械运动。［2］
3．注重建立概念之间的联系
注重建立概念的内部联系，是发展基本概念的又一条重要途径。［1］
加速度概念教学的形成是以速度的概念作为基础的。教师在教学中先引导学生回忆速度的定义为物体的位移变化量与运动时间的比值，速度是描述物体位置变化快慢的物理量。然后进行类比，引导学生回答用物体的速度变化量与运动时间的比值来描述物体速度变化的快慢，而加速度就是物体速度的变化量与发生这一变化所用时间的比值。把加速度概念和速度概念进行类比，建立加速度概念和速度概念之间的联系，加深了学生对加速度概念的理解。
4．运用数学工具加以表达
物理学的发展与数学密不可分，数学不只是演绎推理的工具，也是创造和表达基本概念的工具。著名物理学家汤姆逊说过：“如果不能用数学来表示，那么你的认识是不够的、不能令人满意的，可能只是初步的认识，在你的思想上，还没有上升到科学的阶段，不论你讲的是什么。”［1］
现代物理学从诞生之日起就与数学结下了不解之缘，绝大多数物理概念不仅具有质的规定性，而且具有量的可测性，数学为物理概念的量化和应用提供了保证。如力、速度、加速度、位移、质量、重力、温度、电阻率等等，都可以用简捷的数学公式来表达。
5．形成和发展基本概念体系
科学的基础是基本概念，正是在基本概念上才有了科学的体系。任何基本概念的形成和发展都会影响到概念体系的构成和演变。［1］
在司南版高中物理必修二“高速世界”的教学过程中，教师应使学生有着这样的认识：牛顿力学体系是在“绝对的时空观”这个基本概念的基础上建立的。爱因斯坦为了保持物理学定律在逻辑上的一致性和麦克斯韦电磁理论的有效性，对牛顿力学体系中的基本概念——时间做出了重要的修改，构建了新的时空观，在崭新的时空观的基础上创立了狭义相对论。除了时空观以外，引力也是牛顿理论体系中的一个重要的基本概念。爱因斯坦在这个基本概念上也创立了对引力的新认识，从而提出了广义相对论。
二、物理概念形成的非逻辑途径
在物理概念形成的过程中，心理因素特别是信念、直觉、形象思维、想象等有着重要的作用。
1．信念是理智品质的重要因素
在一切有意义的科学工作背后，每个科学家必定有一种关于世界合理性或可理解性的信念。正是这样的信念在激励和支撑着科学家，给他们一种超个人的力量，使他们关注着人类和社会的发展。［1］
在电磁感应的教学中，教师可以对电磁感应的发现作进一步的解释。在奥斯特发现电流的磁效应之后不久，物理学家们开始了磁生电的实验研究。但许多实验都失败了。在一次次的失败之后，许多物理学家都开始怀疑磁能否生电，并逐步退出了这方面的研究。然而，整整十年的探索，整整十年的失败，丝毫也没有动摇法拉第“磁能生电”的坚定信念。他想到的是“如果试验不成功，这只能表明我还考虑得不够周全。”“即使实验真的不能成功，那也应该把原因找出来。”法拉第凭着坚定的信念，终于发现了电磁感应现象。［3］
2．直觉是科学研究最可贵的因素
在爱因斯坦看来，科学研究方法中“真正最可贵的因素是直觉”。直觉指的是人在不自觉时突如其来出现的对某一个问题的理解或顿悟。有时人们把这种顿悟称作“灵感”、“启示”等。直觉是一种非逻辑的思维能力，是面对各种可能性做出正确选择的重要能力。［1］
众所周知的阿基米德定律就是凭直觉解决疑问的例证。阿基米德在面临“结构复杂的金冠是否用同等重量的白银掺假”问题时百思不得其解。正当阿基米德为揭示皇冠的秘密日夜苦思冥想时，却在浴盆里沐浴时顿悟出浮力定律。科学家正是凭着跳跃性的直觉思维使他们的疑问迎刃而解。
3．形象思维是自由创造的内部因素
科学家创造性思维的特征就在于先进入利用形象思维或表象思维的阶段，它导致了概念的形成。从这样的科学方法论出发，我们应该在物理教学上充分利用和发展形象思维的重要作用。［1］
如在原子物理中人们对原子模型的认识先有汤姆逊的“带有葡萄干的蛋糕模型”，后有卢瑟福的“太阳系的行星模型”。再如，诺贝尔物理学奖获得者威尔逊在青年时期曾于1927年到过英国的本内维斯峰天文台休闲数周，山上云雾飘渺的奇景给他留下了深刻的印象。后来当卡文迪许实验室主任汤姆逊提出需要一种能显示出电子路径的仪器时，在没有类似仪器参考的情况下，他马上想到了山上观察到的云雾。凭借着他对大自然瑰丽壮美的热爱和丰富的形象思维能力几经试制，终于成功地制造出威尔逊云室。
4．想象是科学研究中的实在因素
爱因斯坦有一句名言：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，想象力是科学研究中的实在因素。”在科学研究中，不仅要对已经存在的自然现象进行解释和说明，更重要的是要从观察实验所得到的经验材料中去分析把握事物的内部特征和内部过程的相互作用和相互联系，在这里，科学的想象就是十分必要的。［1］
在学生学习电学的知识时，教师可以在教学中贯穿相关的史实来使学生更好地想像“电”。200年前，“电”以陌生的面目出现在人类面前，人们看不到电的运动形态。美国物理学家富兰克林在思考中想起哗哗流淌的小河——电是否像流水那样发生位移运动？于是，他把电想像成一种流体，这种充塞于一切物体的流体有时稳定，有时流动；稳定时物体不带电，流体过多时带正电、过少时带负电；流体有趋于稳定的倾向，这种倾向表现为吸引力，引力太强就发生电火。尽管这其中难免有些错误的想像，在当时还不可能形成科学的物理理论，但至少已为电荷、电流、带电体等概念以及物体的起电、中和等规律勾画出了粗略的框架，为现代电磁学理论的建立开辟了道路。［3］
5．科学美是对美的认识的更高层次
在物理学中体现的科学美是人们对于美的认识的一个更高层次。美的规律对于人类进行科学活动有着重要的认识论和方法论的意义。［1］
物理概念、规律表达上的简炼、准确，是物理学家对科学简洁美不断追求的体现；运动与静止、引力与斥力、反射与折射以及电、磁、光三者的相互关系，体现了物理理论的对称与统一；下抛与上抛、加速与减速、地面物体运动与天上星体运动的统一，体现了物理理论的自洽和完备；相对论在时间和空间上达到高度的对称美、简洁美和统一美，堪称20世纪物理学的美学珍品。在物理教学中不但要使学生获取系统的物理知识，提高科学能力，而且要让学生以享受美、追求美为动力，达到在科学美的“王国”中自由翱翔的境界。
6．内心自由是大自然难得赋予人类的礼物
内心的自由在于思想上内部不受权威和社会偏见的束缚，也不受违背哲理的常规和习惯的束缚。内心的自由是大自然难得赋予人们的一种礼物，也是值得个人去追求的一个目标。［1］
伽利略坚持真理、捍卫真理，坚持宣传“日心说”，即使被宗教法庭判处终身囚禁，也没有被强权所屈服，仍在家中写下了《两种新科学的对话》一书。布鲁诺也是为了坚持“日心说”，受到宗教法庭的迫害，他宁愿自己被烧死，也要将人类引进真理的殿堂，表现了为科学献身的大无畏精神。很多事例可以告诉学生，任何科学认识的产生和科学创造的出现都是在冲破前人的局限、摆脱对权威的迷信和改变传统思维定势下实现的。
三、结语
高中学生尚缺乏物理学知识的系统学习，难以理解和体会物理概念形成中所蕴涵的科学思想和科学方法。因此，教师应通过自己对物理概念的理解和再创造，从物理概念的形成过程中去挖掘其中的科学思想和科学方法，并以学生能够接受的方式向他们展示，启发学生的思考和领悟。这对于从整体上提高学生的科学素养具有十分重要的作用。
参考文献
1朱鋐雄.物理教育展望.华东师范大学出版社，2002（2）：86～93
2阎金铎、王志军、俞国祥著.北京师范大学，1998（6）：82～83
3程九标、张宪魁、陈为友.物理发现的艺术.中国海洋大学出版社，2003（1）：286、400