例谈古诗词辅助的物理实验方法教育

李正福 熊万杰

(1. 中国教育科学研究院,北京 100088; 2. 华南农业大学电子工程学院,广州 510640)

实验是物理学的重要特性,物理教学过程必须以实验为基础,实验方法理应是学生学习物理的重要内容．[1]文学与科学分属不同领域,但文学创作和科学探索都属于创造性活动,都需要创新精神,在思维活动上有许多相通之处．比如,他们都注意对生活的观察和体验,都有一个对材料的收集和提炼的过程,都离不开假设和想象,等等．这就奠定了利用古诗词促进物理实验方法教学的思维基础．以古诗词为辅助,结合物理实验方法的具体内容,探索文理兼修、手脑双培、真善美融合的物理实验方法显性教育模式,既能弘扬中华传统文化陶冶情操,又能融合情感、理性与实验探索,有助于提高物理实验教学质量,更好地促进学生物理学科核心素养发展．

1 “东临碣石,以观沧海”与观察法

“东临碣石,以观沧海”出自三国时期曹操(155—220年)的《观沧海》,意思是说,东行登上碣石山,来观赏那苍茫的大海．该诗的后面几句“水何澹澹,山岛竦峙．树木丛生,百草丰茂．秋风萧瑟,洪波涌起”描述的则是诗人观赏到的景色:海水宽阔浩荡,山岛高高耸立;树木繁茂,花草丰美;洪波巨澜,汹涌起伏;不停运行的日月、星光灿烂的银河都似乎与这苍茫的大海存在某种关联．诗人游览、观看、欣赏如此浩瀚、雄壮的景色,为的是感悟和抒情:幸甚至哉,歌以咏志,以此展现自己博大的胸怀、开阔的胸襟、宏远的抱负．

事实上,人类探索自然、利用自然的一切实践活动都离不开观察方法．观察是最基本、最古老、最直接的科学方法,也是当今严密的科学研究中最常用的方法之一．[2]物理学中观察方法的应用当然不像诗人的观察那样,是为了借景抒情．但是,两者之间还是有些共同之处的,如曹操观沧海,是一种感官的观察,观察的就是沧海的现象和动向,是对自然现象在自然发生的条件下(不进行任何人工干预和控制)进行的考察．物理学中的观察除此之外,还必须有计划性和目的性,必要时借助观测工具和仪器来延阔视野、见微知著．例如,伽利略借助望远镜观察,发现了太阳黑子和木星的卫星,看到了前人所未见的天文现象;牛顿运用三棱镜观察,发现了白光是由赤橙黄绿青蓝紫7种单色光组成的复合光,改变了人们关于光的传统观念;荷兰的列文虎克制成显微镜,以此观察清澈见底的水,发现了大量的微生物……此外,物理学中的观察还要注重客观性、全面性和可重复性．科学的观察都要有详细的记录,对于观察中感知的各种资料、记录的各种数据要实事求是地对待．一个科学观察的结果必须能够被他人重复,才能得到认可．例如磁单极子的观测,美国物理学家凯布雷拉于1982年曾宣称,在他的磁单极子探测器中发现了一个带单位磁荷的粒子．但这是他在经过151天连续观察后得到的唯一的一个事例,这个观察现象不能被重复,所以不能认为是确凿的发现．[3]如果该发现被确认,现行的磁学理论将要被颠覆．

2 “两情若是久长时,又岂在朝朝暮暮”与假说法

“两情若是久长时,又岂在朝朝暮暮”出自宋代秦观(1049—1100年)的《鹊桥仙·纤云弄巧》．意思是说,两个人之间感情如果深厚而久远,又何必朝夕厮守?这里的“若”乃“假如”之意,实是描述一种假设,假设两情是深厚的、永恒的．这个假设导致的结论是:即便是两人暂时分别,感情也不会有丝毫的损伤．文学假设的本体和结论是一种因果关系,它们融合贯通、共同作用,提升了作品的感染力和表现力．科学假设的本体和推论也是因果关系,假设的本体一般就是一个新的理论和新的概念,根据它除了能够解释新发现的现象、实验结果外,甚至可以进一步预言未知的事实．

科学假设是科学家为解释新的实验事实,立足于已有的科学理论并进行必要的逻辑推理而提出来的学术思想．这其实是一种科学研究方法,因此又称为假说法,物理学中有许多重大的发现和发明都是运用假说方法取得的．例如黑体辐射(如图1),人们根据实验数据得到了入射光的波长与辐射强度的曲线(图中的空心点),而维恩用热力学方法导出的公式在长波部分与实验结果不符,瑞利和金斯用分子动力学的方法得到的曲线在紫外波段(图中的短波部分)与实验结果有较大的背离,史称“紫外灾难”．这就说明旧的理论已经不能说明新的实验事实了．1900年,普朗克针对此问题提出著名的量子假说,认为能量不是连续的,而是一份一份的,据此成功地解释了热辐射现象．

图1 黑体辐射波长与辐射强度的关系

假说在未经检验之前只是一种带有方向性的有待验证的学术思想,如果后来的实践或实验证明它是正确的,那么它就上升为科学理论,否则就需要进行修改,以提出新的假说,直至达到目标为止．可见,假说要发展成为“定律”也必须依靠大量的观察和实验的事实．例如,1956 年,当精确的实验结果把“τ-θ疑难”尖锐地摆到物理学家面前时,杨振宁和李政道敏锐地审察了从未被怀疑的宇称守恒定律的适用范围,大胆提出了弱相互作用中宇称不守恒的假说．随后,吴健雄和她的实验合作组成员一起进行了一个Co-60原子核β衰变实验,首次得到了宇称不守恒的实验证据．紧接着,加温、莱德曼和温里克进行了π的μ子衰变和μ子的电子衰变,得到了同样的结论．以后的半年之内,大概有几百个这方面的实验出来,从而证实了这一假说的正确性,导致了物理学理论的一个突破性进展．[4]

3 “醉卧沙场君莫笑,古来征战几人回”与统计法

“醉卧沙场君莫笑,古来征战几人回”出自唐代王翰(687—726年)的《凉州词》,其意思是说,即便饮酒醉倒了,躺在沙场上,你也莫要取笑,自古以来又有几人能够在征战中全身而退．的确,战争是残酷的,从古到今,人类经历过大大小小的战争无数,参与战争的人千千万万,但真能从战争中全身而退的人却为数不多．尽管诗人想表达是今日要一醉方休,即使醉倒在战场上又何妨,此次出征要将自己的安危置之度外,为国效力．但从方法论的角度来看,这句诗实际上不自觉地运用了统计法．这种方法是指通过分析和解释大量数据或事例,得出这些数据或事例背后隐藏的某种规律性,从而做出一定的结论．物理学中的统计方法是一种从微观结构上来研究物质的宏观性质及其规律的方法．运用统计方法要抓住两个要素,一是需要有大量的样本,二是从大量的样本中导出某种结论．“古来征战几人回”中,古往今来大量的战争事例就是样本;“几人回”,也就是少部分的人能够回来,这是通过统计后得到的结论．

图2 伽尔顿板实验

物理学中有一个伽尔顿板实验(如图2):在一块竖直木板的上部规则地钉上铁钉,木板的下部用竖直隔板隔成等宽的狭槽,从顶部中央的漏斗形入口处投入小球,板前覆盖玻璃使小球不致落到槽外．小球从入口处投入,在下落过程中将与铁钉发生多次碰撞,最后落入某一槽中．实验结果发现:投入单个小球,小球与铁钉碰撞后落入哪个槽中具有随机性．大量小球同时投入或单个小球分别多次投入,最终会出现统计规律性:落入中间部位槽中的小球总是较多,而落入两侧槽中的小球总是较少．这说明,当落入隔槽的小球数目足够大时其分布具有统计规律．

19世纪后半叶,人们认识到,在由大量粒子组成的系统中,用每个粒子的机械运动规律来描绘整个系统的状态是难以实现的．事实上,1mol物质就含有阿伏伽德罗常数(6.02×1023)个粒子,如果对每个粒子列出一个牛顿力学方程去求解它的速度、位移和加速度,其计算量是难以想象的．因此,只有借助于数学中的概率论对大量偶然现象作统计的处理,才能找到把个别粒子的无规则运动与观察到的宏观现象联系起来的途径,也就是说,多体系统在整体上表现出某种统计规律性．运用统计方法,人们知道大量微观粒子所组成的系统,其压强与粒子运动的剧烈程度正相关,与单位体积内粒子的个数成正比．

4 “欲把西湖比西子,淡妆浓抹总相宜”与类比法

“欲把西湖比西子,淡妆浓抹总相宜”出自宋代苏轼(1037—1101年)的《饮湖上初晴后雨》,其意思是说,如果把美丽的西湖比作美人西施,那么淡妆也好,浓妆也罢,总能很好地烘托出她的天生丽质和迷人神韵．这就是把西湖之美和西施之美做了比较,是一种典型的类比法,简言之,就是把两个同类事物,或是不同类事物的同类特征进行比较．物理学中的类比法与之类似,就是根据两个研究对象在行为或性质方面的相似之处,应用逻辑分析和推理找出它们的共性或相同、相似之处．此外,使用类比法也有助于打通学生物理情感世界,给学生创造“最佳思维环境”以使学生猜想出新授知识的内容、结构、研究思想与方法,激发学习的积极性,变被动听为主动做．[5]可以用来类比的两种物质,要么具有简单的共存关系,如正负电荷和相异磁极之间类比,它们都存在相互吸引力;要么具有可能存在的因果关系,如具有波动性的微观粒子和经典波类比,既然经典波有波动方程,微观粒子也应该有,这就是薛定谔方程;要么具有对称关系,如负电子和正电子类比,它们分别具有正能量和负能量．

在文学作品中运用类比方法,比平铺直叙更为含蓄而有意味．例如李白就用“桃花潭水深千尺,不及汪伦送我情”将潭水之深与汪伦对他的感情之深做了类比;杜牧的“停车坐爱枫林晚,霜叶红于二月花”将霜叶之红与二月花之红做了类比;柳宗元的“千山鸟飞绝,万径人踪灭”通过对山上动物的隐匿和路上的人迹罕至进行类比,让冰雪的寒冷和环境的冷清跃然纸上……物理学中运用类比方法,则能有许多新的发现,尤其是在材料不足、难以进行归纳和演绎论证的情况下,类比不失为一种打开思路、由此及彼的认识途径．粒子波动性的提出是法国物理学家德布罗意将光学现象与力学现象作了科学的类比后提出的一种假说．考虑到光的运动服从最短路程原理即费马原理;而经典力学中质点的运动遵循力学的最小作用量原理(即在物体一切可能的物理行为中,其实际的行为一定是作用量最小的那个行为),而这两个原理具有相似的数学表达式和思想内核,基于以上类比,德布罗意大胆推论,粒子应该和光一样也具有波粒二象性．既然粒子也具有波动性,那么这种波动就成为物质波,也称为德布罗意波．德布罗意的科学预言于1927年被电子衍射实验所证实．

5 小结和启示

物理课程既要培养学生物理核心素养,也要促进学生核心素养的发展．[6]物理学科核心素养,主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任,而中国学生发展核心素养除了包括科学精神、理性思维、勇于探究之外,还包括人文积淀、人文情怀、审美情趣等,强调引导学生理解和掌握人文思想中所蕴含的认识方法和实践方法,能关切人的生存、发展和幸福,具有艺术知识、技能与方法的积累．中国古诗词意境悠远、哲理深厚,富有节奏和韵律,饱含想象与联想,充满思辨与论争,是美的浓缩,是思维的结晶,是方法的硕果．利用古诗词促进物理实验科学方法教学,学生不仅能够掌握实验方法,提高物理学科核心素养,还能够感受到美的力量,得到人文素养的提升．有鉴于此,我们尝试在思维互通的基础上将古诗词与物理实验方法教育相互融合,先分析古诗词中某些与方法论相关的描述,挖掘其中蕴含的具体方法,再将之与物理实验进行匹配关联,使得文理相互渗透和融合,力争以诗情画意之美增益科学之美,从而激发学生的求知欲和好奇心,给物理科学方法的阐释增添感染力、亲和力和吸引力．