教给学生从物理学史中学习发现问题 提出问题的方法

尹德利

（北京市东方德才学校 北京 100026）

科学研究始于问题，英国科学哲学家波普尔如是说.著名物理学家爱因斯坦也认为：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决问题也许仅是一个数学上或实验上的技巧而已.而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，却需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步.”正是基于这一点，在《高中物理新课程标准》关于科学探究的7个要素中，“提出问题”排在第一位.提出问题是科学探究的前提，科学探究过程总是围绕着所要探究的问题展开的，正是因为有了明确、具体的探究问题，才能使探究过程具有明确的主题，使探究能沿着合理的猜想与假设一步一步走下去.如果没有发现问题，当然也就提不出问题，科学探究也就无从谈起.因此，培养学生发现问题、提出问题的能力应当引起教师足够的重视.

美国教育家布鲁巴克说过：“最精湛的教育艺术，遵循的最高准则，就是学生自己提出问题.”《课程标准》对学生提出问题的能力列出了两点要求：一是“能发现与物理学有关的问题”，二是“从物理学的角度明确地表述这些问题”.在实际探究教学过程中，发现问题往往较提出问题更困难.影响学生发现和提出问题的因素主要有两个：一是问题意识，二是思维方法.问题意识是由人的心理活动的两个方面所构成：一是好奇，它是问题产生的内驱力；二是质疑，反映了个体对问题的探究与批判精神.然而，光有好奇和质疑，却不能够提出有价值的探究性问题，有价值的探究性问题的提出，需要有正确的思维方法作指导.因此培养学生发现问题、提出问题的能力，需要从激发学生的问题意识和指导学生掌握科学的思维方法两个方面进行.

近年来，笔者一直致力于物理学史在高中物理探究教学中的应用研究，在汲取物理学家智慧，指导学生运用科学的思维方法进行科学探究方面进行了一些探索.下面就应用物理学史指导学生如何提出有价值的探究性问题谈点自己的做法和体会，如何激发学生的问题意识则不在本文讨论之列.

阅读物理学史，人们常常被物理学家那超人的智慧、巧妙的实验设计所折服.和他们所创造的物理学理论相比，更值得我们学习的是物理学家观察问题的角度，提出问题、分析问题和解决问题的思维方法.

那么，物理学家是如何发现问题、提出问题的呢？他们发现和提出问题的思维方法哪些是值得我们借鉴的呢？

1 新现象与原认知的矛盾冲突

我们每个人从出生到长大成人，就一直不断地和周围的世界打交道，在不断地学习、生活、工作过程中，逐渐形成了关于客观世界中物质及其运动规律的认识，即原认知.当人们观察到新的现象（实验事实）与原认知发生冲突时，问题就产生了.只不过，有的人善于抓住并加以研究，从而做出了惊人的科学发现，造福人类；有的人却思维迟钝，白白丢掉了科学发现的大好机会.科学史上伦琴发现X射线的故事对学生如何发现科学问题就很有启发意义.

X射线的发现源于对阴极射线的研究.1895年11月8日晚，德国物理学家伦琴用阴极射线管做实验.为了防止外界对阴极射线的影响，同时也不使管内的可见光漏出管外，他用黑纸板包着阴极射线管.伦琴给管子通电时，意外发现1m以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光.他将屏逐渐远离射线管，即使移到远离管子2m以外，仍有荧光，只是稍弱一些.这一现象使他十分惊奇.伦琴认为，荧光要靠光线照射才能激发，荧光是在阴极射线管通电时才发生的，而阴极射线管被黑纸板包着，不可能有光照射在荧光屏上，也不可能是阴极射线，因为阴极射线在空气中只能前进几厘米，不可能使2m外的荧光屏发出荧光.此现象引起了伦琴的疑问：荧光效应究竟是不是来自于阴极射线管？如果是，它到底是什么？伦琴的进一步研究导致他发现了X射线.

我们来看伦琴发现问题的过程.第一，伦琴发现了阴极射线管附近的荧光屏发出荧光的现象；第二，荧光效应的产生不符合原有的认知：被黑纸板包着的阴极射线管不可能有有光线射到荧光屏上，也不可能是阴极射线，因为阴极射线不可能使2m以外的荧光屏发出荧光，事实和原有认知发生了矛盾.伦琴在分析了这一矛盾后提出了问题.对伦琴来说，以上这个过程或许在一瞬间就完成了，但它的确是提出问题的两个环节：发现现象和对现象的质疑.

当新的实验事实无法用已有的理论做出解释，或者实验事实与理论的预期不一致时，促使物理学家提出问题：造成事实和理论不一致的原因是什么？通过建立新的猜想和假设，并设计更完善的实验方案，就可能做出新的理论发现，或修正旧理论的缺陷，或推翻旧理论建立新理论.

18世纪，在研究天王星的运行轨道时，科学家们发现它的实际轨道总是跟用万有引力计算出来的轨道有一定差异.为什么会出现这种差异？研究者根据这个差异，推测天王星外面还有一个未发现的行星在对天王星起作用，通过进一步的理论和实践研究，终于发现了海王星.

19世纪末，赫兹发现的光电效应现象无法用经典的光的电磁理论解释，对这个问题的深入思考促使爱因斯坦提出了光子说；20世纪初，英国物理学家卢瑟福做的α粒子散射实验促使卢瑟福抛弃了他的老师汤姆孙提出的枣糕模型，转而提出了原子的核式结构模型，但这一模型无法用经典的电磁理论来解释，对这个问题的解决促使玻尔提出了氢原子的量子理论.

由此可见，许多科学问题的产生，来源于新的实验事实与科学家原有的认知结构（已有理论）不一致.为了消除这种不一致，科学家或修正旧理论，或推翻旧理论提出新理论.

2 逻辑悖论

一门成熟的科学理论的首要标准是理论内在逻辑结构的自洽性、完备性.科学史上，运用逻辑悖论发现旧理论的错误进而推翻旧理论建立新理论的例子不胜枚举.例如，历史上亚里士多德关于“重的物体比轻的物体下落得快”的落体理论，提出后2 000年来西方无人表示怀疑，直到17世纪初才由意大利的一名青年学者伽利略从逻辑上发现了问题：如果重的物体比轻的物体下落得快，那么把一个轻的物体绑在重的物体上面，重的物体下落得比原来更快些还是更慢些呢？按亚里士多德的落体理论，两个物体绑在一起的重量显然比一个物体的重量大，应该下落得更快些；但是，两个物体绑在一起后，轻的物体下落得慢，就要拖重的物体下落的后腿，结果二者共同运动的速度反而比单独一个重的物体下落得要慢些.按同一个理论却得到了截然相反的结论，亚里士多德的落体理论显然是不自洽的，理论是错误的.问题也就提出来了：物体下落得快慢是由什么决定的呢？有什么规律？与物体的重量有没有关系？伽利略从逻辑上发现了亚里士多德落体理论的缺陷，经过认真地实验和理论研究，最终提出了正确的自由落体运动理论.

除了伽利略外，科学史上爱因斯坦与另外两位同事合作提出的“EPR悖论”，对量子力学的完备性提出了有力地反驳，对量子力学理论的发展产生深远影响.“双生子悖论”也曾对爱因斯坦的狭义相对论形成有力挑战.数学史上，英国数学家罗素提出的“罗素悖论”以及后来的几个悖论，触发了数学史上第三次危机，大大促进了数学基础理论的发展和数学分支学科的诞生.

3 逆向思维

逆向思维是创新思维的主要形式之一，运用逆向思维方法常常能提出新问题，并上升为科研课题.历史上，许多卓有成就的物理学家的研究课题就是从逆向思考中得来的.

例如，1820年丹麦物理学家奥斯特发现了通电导线使导线附近的小磁针发生偏转的现象，这是物理学史上一次划时代的发现.因为在此之前，人们一直认为电和磁没有任何联系.现在发现，既然电流可以产生磁场，那么磁场能不能产生电流呢？这是电流磁效应发现之后包括法拉第在内的许多物理学家思考的问题，他们纷纷设计实验进行探索.经过十年的不懈努力，法拉第终于发现了电磁感应现象及其规律——法拉第电磁感应定律，这一重大发现，进一步揭示了电和磁的内在联系，为麦克斯韦电磁场理论奠定了基础.

奥斯特的发现传到法国以后，法国物理学家安培运用逆向思维，同样做出了一系列杰出的发现.安培是这样想的：既然电流能对小磁针产生作用力使它偏转，根据力的作用是相互的，磁针（磁铁）也应该对电流产生作用力.那么磁铁对电流的作用力遵守什么规律呢？安培设计并完成了一系列电学实验，终于找到了磁场对电流作用力的规律，建立了他自己的一套电动力学理论.

1905年爱因斯坦提出的光量子理论，成功解释了光电效应，证明了光不仅具有波动性，而且还具有粒子性.光的波粒二象性引起了法国一位年轻学者德布罗意的思考.他想：既然平常视为波的光也具有粒子性，那么平常视为粒子的电子是否也有波动性呢？如果是，如何设计实验证实呢？德布罗意运用逆向思维提出了他的物质波理论，使他荣登上1929年度诺贝尔物理学奖的领奖台.

自然界物体之间力的作用的相互性以及不同形式的能量转化的相互性为逆向思维方法的广泛应用提供了广阔的思路，为科学理论向生产技术的转化提出了许多值得研究的问题或课题，许多科学技术的发明和应用都是运用逆向思维的结果.例如：电灯的发明实现了电能向光能的转化，太阳能电池则实现了光能向电能的转化.

大量事实证明，我们可以对原有的知识、观念和思路进行溯本求源，逆向思考，从而拓宽新的思路，提出新的问题，发现解决问题的新方法、新途径，这种思维方式叫做逆向思维.在物理课堂教学中，教师可以向学生提供某些物理知识发现的背景史料和思想观念，启发学生能否运用逆向思维，尝试提出一些有价值的探究性问题，看其是否在某些方面与历史上著名物理学家的想法不谋而合？

4 类比

类比是人们认识客观世界、建立科学理论的一种常用思维方法.康德曾说过：“每当理智缺乏可靠论证的思路时，类比这个方法往往指引我们前进.”德国物理学家欧姆，在从事研究工作的时候，科学上还没有电动势、电流、电阻等明确的概念，更没有可以精确测量它们的仪器.在研究中，他把电流跟热流、水流进行类比，看到电势差在形成电流与温度差和高度差在形成热流和水流过程中起着类似的作用.他运用类比法，猜测电流跟电势差成正比，并且设计实验来检验自己的猜测.通过大量的实验研究和数据分析，他终于找到了影响电流大小的公式，即著名的欧姆定律.

同样，量子力学的创始人之一薛定谔从经典力学和几何光学的类比中建立了他的量子力学的波函数理论；英国物理学家卢瑟福在α粒子散射实验基础上，受到日本物理学家长冈半太郎的“土星模型”的启发，提出了与太阳系行星运动模型类似的原子核式结构模型.

历史上，“光以太”的概念也是物理学家们运用类比推理提出来的.机械波（如声波）的传播需要介质，那么传播光的介质是什么呢？物理学家把它称之为“以太”.如果存在以太的话，以太又具有哪些性质呢？围绕寻找“以太”和“以太的性质”，19世纪的物理学家们做了大量的理论和实验工作，迈克耳孙－莫雷实验结果最终却否定了“以太”的存在，为爱因斯坦的狭义相对论提供了实验基础.

由此可见，类比法虽然能为科学研究提供方法和思路，但有一定的局限性，类比法得出的结论是否可靠，需要由实验进行检验.课堂教学中，在讲授力、热、光、电等不同物理现象时，教师要启发学生自觉运用类比法提出探究问题，进行猜想与假设，并沿着猜想与假设的方向设计实验方案进行验证和分析.

5 对称思考

自然界许多事物都具有对称性，这种对称性体现着自然界事物的美与和谐.在物理学中，某种对称性总是与某种守恒律联系在一起的.对称性作为一种思维方法，在物理学理论的发展中也起着很重要的作用.爱因斯坦最初正是基于对称性的思考，提出了他的狭义相对论.在一篇论文中，爱因斯坦写道：“麦克斯韦电动力学——象它现在通常为人们所理解的那样 —— 应用到运动物体上，就要引起不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的.”他举例说，当一个磁体与一个闭合线圈发生相对运动时，线圈内就会产生感应电流.按照麦克斯韦理论，以线圈为参照物，磁铁在运动，运动的磁铁在周围就会产生一个变化的涡旋电场，驱动线圈中电荷做定向运动；如果以磁铁为参照物，磁铁不动，周围就没有涡旋电场，这时线圈中的带电粒子在洛伦兹力作用下做定向运动.参照物是人为选取的，磁铁周围的电场存在与否决定于人们选取哪个参照物.这个结论难以让人理解.对电磁现象对称性的深入思考，结合迈克耳孙 －莫雷实验的零结果，促使爱因斯坦创立了狭义相对论.

对称性思考在高中物理教学过程中应用广泛.高中物理教材中介绍的许多运动模型都具有对称性，如竖直上抛运动、简谐运动、匀速圆周运动等，许多典型的电场和磁场也都具有高度的对称性.针对这种对称性，教师要引导学生思考：自然界为什么有些事物和现象有对称性而有些却没有？这种对称性说明了什么？如何运用对称性方法发现问题、提出问题和解决问题等.

“它山之石，可以攻玉”，当学生在探究活动中苦于提不出问题、找不到探究方向时，往往是他们面对问题不知如何进行思考的时候.这时，教师不妨利用物理学史料、物理学家的故事来启迪学生的思维，让他们从物理学家那里汲取智慧，学习他们思考问题、提出问题的方式方法.

1 李艳平，申先甲.物理学史教程.北京：科学出版社，2003

2 周晓军.中学物理教学中培养学生提问能力的探究.物理教学探讨，2006（7）

3 郭奕玲，沈慧君.诺贝尔物理学奖（1901－1998）.北京：高等教育出版社，1999

4 廖伯琴.高中物理课程标准解读.武汉：湖北教育出版社，2004