物理学中的科学方法及其教育功能初探

张建清

摘要：近代科学诞生的主要标志，是建立了一套有别于古代和中世纪的自然观和方法论，近代科学方法最大的特色就是实验方法的应用和牢固确立、实验—数学方法、科学归纳法和直观—演绎法的结合、简单和统一的审美方法。

关键词：科学方法；物理学；教育功能

中图分类号：G632.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2013）09-0093-03

近代科学方法的先驱培根把科学方法比作在黑暗中给人照路的明灯。另一位科学方法论的先驱笛卡儿则断言：“方法，对于探求事物真理是绝对必要的。”爱因斯坦之所以能够在科学上做出划时代的贡献，被誉为世纪最伟大的科学家，是与他的科学思想、科学方法分不开的。关于科学方法，中国学者也有自己独到的见解。任鸿隽视科学方法为“科学的种子”。在他看来，“现代的科学与它的方法已经合而为一，不能指出某部分是方法，某部分是科学，因为方法只是研究科学的一些过程。我们不能说结果是科学，过程不是科学，因为广义地说来，所有的科学都是在过程中的。”事实上，在科学研究中，一切理论的探索，归根结底也是方法的探索，二者可以说是相辅相成、相得益彰的。也许正因为科学方法与科学自身的关系如此紧密，许多学者甚至把科学方法和科学等量齐观。

一、科学方法的分类

学科方法的构成要素主要有：（1）对事实的观察，包括称之为实验的人为的观察。（2）把相同的事实归纳起来，标上名称以备应用，比较和分类，其目的就是给一堆事实标上名称，可称为一般前提。（3）演绎，使我们从一般前提再回到个别事实，它教我们从那个标签上找到所期待的那些事实。（4）证明，就是根据事实来确定我们的结论是否正确的过程。

（一）科学的实验方法

近代科学方法最大的特色之一就是实验方法的应用和牢固确立。古代科学的研究方法是观察、猜测、直觉、概括、演绎等。直到中世纪后期和文艺复兴时期，西方近代科学才逐渐从自然哲学的母体中分离出来，走上了独立发展的道路。而其中科学的实验方法是近代科学从自然哲学中独立出来的催化剂，同时也是推动近代科学迅猛发展的一个最基本、最重要和最普遍的方法。物理实验方法是指人们根据研究的目的，利用物理仪器设备，人为地控制或模拟物理现象，排除各种偶然、次要因素的干扰，突出主要因素，在有利的条件下能重复地去研究物理现象及其规律。对物理实验方法的创立并把它应用于检验科学知识做出巨大贡献的人当属伽利略。自由落体问题的研究是伽利略力学研究的突破口。对于自由落体问题当时盛行亚里士多德的观点，即自由落体以匀速下落，其速度的大小与落体的重量成正比。伽利略首先利用逻辑推理的方法指出亚里士多德落体观念的逻辑矛盾，接着用实验事实来驳斥亚里士多德的落体观念。为了让人们清楚地看到球体下落的过程，伽利略设想了一种“冲淡冲力”的方法：将长约8米的光滑木板放置成一斜面，斜面的夹角可随意调节。使重量不同的小球从同一高度沿斜面同时滚下，夹角越小，小球滚得越慢，这就好比冲淡了引力。伽利略发现，重量不同的球在相同的斜面上滚动的速度是相同的，与斜面倾角的大小无关。作为其极限情形，当斜面倾角为90°时，小球的滚动就成了自由落体。由此得出结论——物体自由下落的速度与其重量无关。这一实验也因其巧妙的设计被英国著名的杂志《物理学世界》评为“历史上最美丽的十大物理实验”之一。伽利略在推导“惯性定律”的过程中，还第一次采用了理想实验的方法。他首先假定小球从一个无摩擦的斜面上滚下来，然后在一个无限延伸的光滑平面上运动。很显然，没有摩擦的斜面和无限延伸的平面是不存在的。这些实验虽然只是想象中的实验，但它是建立在可靠的事实基础上的，这种抽象的方法既弥补了实验条件的限制，所得的结论又能令人信服。伽利略正是靠自己出色的实验奠定了近代物理学之父的尊位，事实上也是因为科学实验，使他成为整个近代科学的揭幕人。最善于进行理想实验的科学家是爱因斯坦，这是他科研方法的重要组成部分和显著特点。爱因斯坦从16岁起就在头脑中做“追光”的理想实验，开始思索“如果我以光速追随光波将会看到什么？”正是它推动着爱因斯坦对物理学中传统观念进行重新审理，萌发狭义相对论的思想。为证明同时性的相对性，爱因斯坦提出了著名的理想实验——“车厢试验”。他就是用这列理想化了的“火车”，为我们证明了事件的同时性因参照系的差异而差异，这也就是“同时”的相对性。

（二）科学实验与数学方法的结合

数学方法是指在科学研究中，应用数学提供的概念、符号和规则进行定量的描述、推导和演算，然后对数学结果进行分析和判断，从量和结构方面运用数学形式表示事物的特征和规律。数学方法为物理学研究提供了精确的形式化语言和表达工具。数学方法较少地受物质和技术条件的限制，依靠其抽象推理可以从理性上认识客观世界，也便于物理理论的推广。在近代科学中将数学理性和实验理性有机结合起来的这种方法突出地表现在伽利略的力学研究中。伽利略以准确的数学语言证明物质运动的规律和表达物理的定律。他认为数学是人类思维的一种完全可靠的逻辑形式。“大自然这本书是用数学的语言写成的”。不懂数学语言，就不能揭开自然界的奥秘。伽利略不仅巧妙设计了前面谈到的斜面实验，还以自己提出的“匀加速度”和“惯性”等重要概念为前提，以几何图解法等数学方法为手段，根据“速度与降落时间成比例”的假设得出球和斜面的坡度虽然都可不同，但小球沿斜面滚下的距离总是与时间的平方成正比的结论。当倾角等于90°时，就过渡到了自由落实运动，这就是物理学中的落体定律：物体坠落所经过的空间按时间的平方而增加。用现代数学语言表述，这个定律可写成s=1/2gt2。从以上可以看出，伽利略在研究力学的过程中把实验和数学结合在一起，既注重逻辑推理，又依靠实际观察和实验检验，这就构成了一套完整的行之有效的科学研究方法：观察现象→提出假设→逻辑推理→实验检验→数学演绎→形成理论。为物理学的发展开辟了新的途径。英国科学史家亚·沃尔夫评价伽利略的实验—数学法：“伽利略对于落体定律、单摆和抛射体运动的研究，树立了科学地把定量实验与数学论证相结合的典范，它至今仍是精密科学的理想方法。”的确，伽利略所运用的这套科学研究方法，直到今天对我们的科学工作者，在科技创新方面仍有着重要的指导作用。

（三）归纳—演绎法

归纳法即从实验出发，由特殊到一般的认识方法。英国著名哲学家弗兰西斯·培根在他于1620年出版的《新工具》一书中提出了这种重要的认识方法，即从“简单的感觉知觉出发，建立新的思维方式，以直接到达事物的本性。”这种被称为“科学归纳法”的认识方法，强调认识自然过程中物理实验的作用，以归纳的思维为指导，对由观察、实验所获取的经验材料进行逻辑的分析和整理，以求得出科学结论。物理学中的归纳法就是在物理现象中通过对一些个别的经验事实和感性材料进行概括和总结，从中抽象出一般的结论、原理、公式和原则的一种逻辑推理方法。演绎法是以理论为主，由一般到特殊的认识方法。法国哲学家笛卡儿在他的《方法论》一书中提出了数学演绎法。他认为认识自然界客观规律的基本方法，就是用理性的逻辑思维，从直观认识的“首要和基本的原则”中演绎出这些规律。胡明复把归纳与演绎视为科学方法的特点：科学之方法，乃兼合归纳与演绎二者。先做观察，微有所得，乃设想一理以推演之，然后复做实验，以视其合否。不合则重创一新理，合而不近精切则修补之，然后更试以实验，再演绎之，如是往返于归纳与演绎之间。归纳与演绎既相间而进，故归纳之性不失，而演绎之功可收，斯为科学方法之特点。物理学中的演绎法是从一般物理规律引出对特殊事例结论的逻辑推理与认识的方法。也就是说，它与归纳法相反，是从一般到特殊（或个别），由共性推广个性的方法。牛顿在科学方法上的重大贡献就是把归纳法与演绎法结合起来。他认为：“虽然用来从实验和观察中进行论证不能算是普遍地结论，但它是事物的本性所许可的最好的论证方法，并且随着归纳的愈为普遍，这种论证看来也愈为有力。”牛顿的自然哲学思想以及归纳法和演绎法相结合，模型和数学相结合的科学研究方法，不仅使他成功地建立了经典力学体系，实现了物理学史上第一次大综合，而且推动了近代科学的大发展。同样，在科学史上，有许多科学家正是把归纳与演绎法结合起来加以正确运用，从而导致科学上的重大发现。

（四）简单和统一的审美方法

牛顿在他的名著《自然哲学的数学原理》中写到，“自然界不作无用之事。只要少做一点就成了，多做了却是无用；因为自然界喜欢简单化，而不爱用多余的原因来夸耀自己。”牛顿力学的三大定律与万有引力定律，全面地概括了从文艺复兴以来各种纷繁的力学、天文学等的研究成果，以简单的形式成功地统一了天上和地上的物体的运动，充分显现了简单性原则的神奇力量。爱因斯坦则从更高的逻辑起点把物理学引向高速宇观世界，并且把牛顿力学囊括在内，并明确提出了逻辑简单性原则。他说：“我们在寻求一个能把观察到的事实联结在一起的思想体系，它将具有最大可能的简单性。我们所谓的简单性，是指这体系所包含的彼此独立的假设或公理最少，因为这些逻辑上彼此独立的公理的内容，正是那种尚未理解的东西的残余。”自19世纪能量守恒定律被发现后，许多物理学家都相信物质世界的统一性，爱因斯坦则把探索和理解自然界的这种统一性作为他的最高目的，并贯穿于整个探索过程中。爱因斯坦的探索性的演绎法、逻辑简单性原则、唯美学原则、形象思维等科学方法就是其集中的体现。爱因斯坦相信，世界是和谐的、有规律的，而且这种规律是可以被认知的。他说：“相信世界在本质上是有秩序的和可认知的这一信念，是一切科学工作的基础。”也就是说，任何科学家的研究工作，都是从世界的合理性和可知性这个信念出发的。这是一个不可或缺的预设，缺少了它，科学家的工作就成了无源之水、无本之木。他自己这样来描述这种信念：“在一切比较高级的科学工作背后，必定有一种关于世界的合理性或者说可理解性的信念，这有点像宗教感情。”这种深挚的信念正是鼓舞研究者强烈热情的主要源泉。

二、科学方法具有教育功能

著名科学史家萨顿在论及实验方法的教育功能时曾说：“实验方法一直就培育着最精致的思维戒律，……正是实验方法才使人类的理性能充分发挥它的潜力，而与此同时，它本身又明白地显示了它的局限性而且提供了限制它的方式。它证明了真理的相对性，同时又使对它的客观性和它的近似程度的估量成为可能。更为重要的是，它教导人们要不偏不倚（或至少要努力做到）地追求完整的真理，而不仅仅追求也许能适合一时需要的或者使人高兴的那部分真理。”在物理的教学过程中科学方法的最大价值也许正是它的教育功能。科学方法不仅是认识自然的利器，也是认识社会以及人生的有用助手和工具。伏尔泰曾经提出，牛顿的方法决不限于物理学，它一般而言对于所有人类知识也成立。经过科学方法的训练和熏陶的心智，不仅能够应对日益扩张的科学知识前沿，更重要的是能够成为现代科学社会的健全公民。对此，皮尔逊洞若观火：“近代科学因其训练心智严格而公正地分析事实，因而特别适宜于促进健全公民的教育。于是，就科学对于实际生活的价值而言，我的第一个结论指向它在方法上所提供的有效训练。受到科学方法训练的人，将把他的科学方法带进社会问题的领域。他将不满意仅仅是表相的陈述，不满足仅仅诉诸想象、激情、个人偏见、盲目的情绪，他将要求推理的高标准、对事实及其结果的洞见，他的要求不能不充分地有益于共同体。”

参考文献：

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