物理学思考问题的“四大发明”

何晋中 晏廷飞

摘    要：思考问题是人们的重要心理活动，对发现问题、解决问题都有重要作用。思考问题的目的指向是为了更好地解决问题。物理学上分析问题、提出假说、实验验证、形成规律等科学研究方法对人们思考问题有重要启示，可以将其称为物理学思考问题的“四大发明”。

关键词：物理学;思考问题;分析问题;提出假说;实验验证;形成规律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）5-0057-4

物理学的发展对人类文明的贡献是巨大的，物理理论的发展促进科学技术的进步，将人类带入现代工业文明和信息化时代，为人类创造丰富的物质文明。比如，没有物理学家法拉第发现电磁感应现象，就不可能有发电机，也就谈不上现代工业文明。更重要的是物理学的研究过程为人类积累丰富的科学研究的方法和思考问题的策略。无论是物理还是其他领域，当遇到各种问题时，首要就是要思考问题，物理上思考问题有其独特的思维方法，例如构建质点模型时，采用抓住主要因素忽略次要因素的思维方法。物理上思考问题的方法对其他学科领域的研究和生活实际问题的解决有重要的启示。具体而言，主要有分析问题、提出假说、实验验证、形成规律四种，暂且将其称为物理学思考问题的“四大发明”。下面从上述四个方面探讨物理学对人类思考问题的启示。

1    对思考问题的思考

思考是人的重要心理活动，是人发现问题、解决问题必不可少的重要环节。对社会而言，有了思考社会才能不断进步，人们才能不断优化问题解决的方案，不断解决遇到的新问题;对个人而言，有了思考人的智慧才能不断增长，才能为社会贡献更大的力量，人生才有意义。

1.1    什么是思考问题

按照现代汉语词典的解释，问题包含四种含义：“①要求回答或解释的题目。②须要研究讨论并加以解决的矛盾、疑难。③关键;重要之点。④事故或麻烦。”[1]而思考是指人对于某一个或多个对象进行分析、综合、推理、判断的心理活动过程。“思考是能够帮助我们阐述或解决问题、做出决定、了解欲望的所有心理活动;思考是探寻答案，获取意义。”[2]思考问题可以认为是对题目、矛盾、疑难、关键之处、事故或麻烦等进行分析、推理，并给出解决方案，缩减现实情况与期望情形之间的差异的心理活动过程。

1.2    思考问题在解决问题中的地位

在人生的成长历程中，总要面对各种困惑，总会遇到各种需要解决的问题。只有学会思考，才能在面对不同情形时，分析问题、解决问题，理性做出决策。

发现问题后，通过思考问题，提出问题解决的具体方案，实现问题解决，然后在反思问题解决的思考过程中往往会发现新的问题，在这样的循环思考中往往会使得问题解决方案得到优化。可见，思考问题是解决问题过程中的核心关键环节，起到承前启后的重要作用，只有透彻地思考问题才能发现并解决问题。思考问题是发现问题、解决问题的纽带，只有思考问题才能解决已经发现的问题;思考问题是发现新问题的根本前提，要发现（新）问题需要对问题进行深入思考，将问题的脉络理清;在解决问题过程中，又会促进对问题的反思，从而可能导致问题解决者思考问题解决的其他可能方案、合理性等，进而发现新的有价值的问题。

1.3    思考问题的目的指向是问题解决

思考问题的目的指向是为了解决问题，为了更好地解决问题或者解决更多的问题。解决问题可以分为三个层面：首先是知识层面。当面对一个问题时，如果问题解决者具备与待解决问题相关的丰富的知识，则利用已经具备的知识可以轻松解决问题。相对而言，这类问题解决难度较低。例如，争论火热的转基因食品问题，如果争论者具备转基因的相关丰富知识，则无需进行争论，问题的答案自明。其次是思维层面。当面对的问题相对复杂，而问题解决者知识储备不够，或者需要解决的是一些未知的待探索领域時，可以从思维的层面来分析、思考问题，从而达到解决问题的目的。还是以转基因问题为例，普通大众也好，新闻媒体从业人员也罢，显然不具备足够的与转基因相关的知识，但是大众可以思考：转基因在美国普及了吗？美国的公司向我国输入转基因食品种子是为了造福我国人民吗？转基因公司过去有过什么劣迹吗？向我国输入转基因是纯商业行为吗？……通过这些问题的思考，自然可以明白我们是否需要接受国外转基因食品的输入。再次是价值观层面。当问题复杂且涉及长远规划和重大战略决策时，就需要从价值观的角度去思考问题，对问题的解决做出指引。还是以转基因食品为例，习近平总书记关于农业和转基因的指示就是从价值判断的角度为我们给出答案。习近平总书记在参加十二届全国人大四次会议一些代表团审议时就农业和粮食方面的问题做了重要讲话，指出“农业稳则天下安”。关于转基因习总书记在2013年12月23日中央农村工作会议上的讲话时指出：“一是确保安全，二是要自主创新。也就是说，在研究上要大胆，在推广上要慎重。转基因农作物产业化、商业化推广，要严格按照国家制定的技术规程规范进行，稳打稳扎，确保不出闪失，涉及安全的因素都要考虑到。要大胆创新研究，占领转基因技术制高点，不能把转基因农产品市场都让外国大公司占领了。”这些讲话、指示没有从专业知识或思维分析的角度解决问题，而是从价值判断的高度指明了“把饭碗牢牢端在自己手上”。

2    物理学思考问题的“四大发明”

物理学的一个显著特征是高度量化，甚至在一些错综复杂的领域里，问题具有多样性和复杂性，也可以对问题进行分解、分类去处理，并通过实验验证、测量、严密推理达到极高的精度。同时，也常常从定性或半定量的方法入手，用等效性、对称性、守恒性等思想方法，抓住问题的本质，把许多看似不同的事物，通过抽象化的方法统一起来，简化事物的多样性和复杂性，用极简的公式（规律）进行解释，从而达到探索事物的普遍性、预测事物发展的未来。例如，从奥斯特发现“电生磁”的效应后，法拉第重做了奥斯特等实验，并对这一问题进行分析，发现以前的实验分为两类：一类是电流对磁体的作用，另一类是电流对电流的作用。法拉第根据对称性的思考，推想出还可能存在磁场对电流的作用，并在日记中明确写下“磁能转化成电”的重要假说（1822年）。为了验证这一假说，法拉第进行了长达10年之久的实验验证，终于在1831年8月29日发现了“磁生电”现象，并于当年11月24日写出正式报告，正式定名“磁生电”现象为“电磁感应”。物理学上分析问题、提出假说、实验验证、形成规律对其他领域思考问题、最终解决问题有很好的启示。

2.1    分析问题

物理上遇到具体问题时，首先要分析问题。分析问题主要包括两个方面，第一是分析问题的价值，该问题是否具有一定的普遍性;第二是该问题与哪些因素有关。如果问题具有价值，就需要进一步找到影响问题解决的主要因素，为后面猜想可能存在的一般规律、通过实验总结规律、用实践检验规律、完善规律等环节奠定基础。例如，在力学中分析问题时常采用隔离法。隔离法是指对物理问题中的单个物体或单个过程进行分析、研究的方法。把要分析的物体从相关的物体体系中隔离出来，作为研究对象，将其所处环境作理想化处理，只分析该研究对象以外的物体对该对象的作用力，不考虑研究对象对其他物体的作用力，从而能够更好地剔除分析问题时的干扰因素，抓住本质因素，为学生通过实践掌握“隔离法从整体到局部的思维特点、运用分析问题时的适用情况、运用隔离法时的步骤”等一般性规律奠定基础。

物理上分析问题的思维方式对人们思考一般性问题有很好的启发。遇到问题，先思考问题的价值，思考问题是否有普遍性，再分析与哪些因素有关。如果问题有价值及普遍性，那么才算是一个真问题，才有花费时间、精力解决的必要性。分析问题与哪些因素有关是为提出假说、实验验证假说、形成普遍性规律奠定基础，最终为解决更多的普遍性问题提供指导与借鉴。

2.2    提出假说

恩格斯说：“只要自然科学在思维着，它的发展形式就是假说。”人的意识有主观能动性，在认识世界的过程中，人们通过思维提出各种假说。由于认识都是建立在假说的基础上的，可以说自然科学的进步就是不断提出更好的假说的过程。假说是物理上进行科学研究的一种重要的方法。物理学理论的发展史可以说就是假说的形成、发展和假说之间的竞争、更迭的历史。例如，在研究磁现象时，安培通过分子电流假说将电流产生的磁场和磁体产生的磁场相统一。再比如，关于原子结构模型从汤姆孙的葡萄干布丁模型到卢瑟福的原子核式结构，再到波尔模型的争论、更迭，科学家们通过假说让人们的认知逐渐逼近客观真理。人类对自然界客观规律的认知还只是冰山一角，对很多领域还处于无知或者一知半解状态。通过假说可以将人们的认识从已知推向未知，进一步将未知变为已知。不仅是物理学的研究如此，科学假说还可以被借鉴到其他学科的科学研究之中。

假说对科学问题研究起纲领性的引导作用。首先，假说引领实验的设计和实施。利用科学假说，研究者（问题解决者）在寻找现象间的因果关系、事物内部结构及其起源和演化的规律时能更好地按照要求有目的、有计划地设计和实施系列实验。其次，假说引导理论的构建。当科学假说能够被观察和实验支持，假说就会发展成为构建相关科学理论的基础，就可以实现对科学理论的定义或者补充。利用假说的研究方法，人们对自然界的认识和改造就可以沿着“经验事实—假说—新经验事实—新假说—新理论……”路径不断深入、发展。

2.3    实验验证

实验是物理学的基础，更是物理学的魅力所在;实验是物理学的内容，更是物理学研究的重要方法。物理学上往往需要进行定量或半定量的研究后归纳得出规律，这就需要进行实验，在尊重客观实验事实的基础上经过分析、综合等思维推理过程得出结论——科学规律。物理学上每个物理规律的得出都离不开实验，例如，牛顿第一定律、阿基米德原理等都是通过观察实验、分析推理最终得出的科学规律。实验验证也是物理学家思考问题的重要方法。物理学家在进行科学研究时，往往先提出自己的观点，然后通过设计实验来验证自己的观点。即通过实验可以对一些理论、观点进行证实或证伪。例如，前面所述的卢瑟福通过粒子散射实验中出现大角散射与汤姆孙提出的关于原子结构的葡萄干布丁模型不符的事实，从而否定了该模型。

实验验证对人类思考问题的启示在于处理问题时要有求证的意识，要有实事求是的思想。在遇到问题后，首先提出问题解决方案，然后试点，试点过程中发现新问题，提出修正方案，再试点，经过不断试点后完善方案，总结经验，形成可供借鉴的问题解决策略进行推广辐射。例如，我们在进行青藏铁路、港珠澳大桥等重大基础设施建设过程中遇到一些难题，没有可供借鉴的经验时，都采用过提出方案小范围试点，在实践中不断完善，待实验验证可行后再正式实施、大范围推广的策略。

2.4    形成规律

物理规律是物理学大厦的重要支柱，它是某一类物理现象、物理过程的本质进行相互联系在人的头脑中的反映。它是人们对观察到的物理现象、物理过程进行深入思考，探究其本质联系，并总结、升华的结果，用语言文字或数学公式简洁地表述出来，它是物理上进行科学研究的重要内容，也是物理上对问题进行思考的重要方法。例如，行星运动、潮起潮落、物体下落等自然现象，都能用万有引力定律解释。又如，利用欧姆定律，结合串、并联电路中电流、电压的实验关系，通过数学知识可以抽象出串、并联电路总电阻的计算公式。规律的总结，是为了将具体、形象的经验进行科学抽象形成一般的可供借鉴的解决问题的知识，其目的是为了解决问题。“只有掌握了物理规律，才能遵循这些规律去分析、处理千变万化的物理问题。”[3]物理学上思考问题一定会经历从个别到一般性的规律，找到与具体问题相对应的普遍性规律。面对问题找普遍性规律是物理上研究问题的重要方法。

形成规律对人们思考问题的启示在于，启发人们在日常生活中要注意将验证假说的感性经验进行升华，上升到理论的高度，形成新假说、新理论，才能更好地被他人借鉴，才有推广价值。当把经验升华后，经验就会成为人们解决实际问题的一般性知识，甚至成为人们认识客观世界的方法论。例如，当人们在工程技术中遇到困难时，先通过实验积累经验，获得成功后总结经验，升华经验为理论并推广。

3    结束语

历史上阿基米德判断皇冠是否为真金与曹冲称象的情境出奇相似，且他们都是为了解决面临的实际问题。然而，曹冲称象只是解决一个问题，而阿基米德在解决实际问题之后将经验升华成理论，形成了物理学上的浮力定律。曹冲虽然聪慧，但与浮力定理的发现失之交臂，可以说是“千古遗憾”。他不能将称象的经验进一步发展成为能够指导解决更多问题的一般性理论，有很多因素，比如曹冲年幼，思维还处在发展期，不成熟，其称象的方法也许只是一时灵感。而阿基米德是物理学家、哲学家，具备物理学上思考问题的系统方法和素养，具备物理学上思考问题的策略和迁移能力。曹冲和阿基米德对所面对的问题所追求的目标可能不同，曹冲可能就是“一事一议”，仅立足于解决当下的问题，而阿基米德作为科学家，有探究本质、寻找一般性规律的欲望。但是，最根本的原因在于，曹冲对科学研究，对物理学研究而言是一个“素人”，不具有物理学上系统的思考问题的素养，也就不具备建立分析问题、提出假说、实验验证、形成规律的思考问题的方法。曹冲称象是建立在只要船的吃水线一样，船上物体的重量就一样，是一个等效替换，只是一个等效思想。他建立了一个等效的假说，没有证明假说是否正确，缺少实验验证，更没有把问题抽象成一般问题，然后找到普遍规律。曹冲没把物理学思考问题的“四大发明”依次用一次，不能发现浮力定律，这说明系统掌握思考问题的“四大发明”很重要。

物理学上科学研究的方法很多，比如观察法、比较与分类、分析与综合、归纳与演绎、理想化方法、类比法、数学方法等，这些方法能够对人们思考问题提供启示，可以迁移到其他学科的研究和生活中实际问题的解决中，但这些方法是微观层面的具体方法。本文所述思考问题的“四大发明”：分析问题、提出假说、实验验证、形成规律，是在问题解决过程中更宏观的思考问题的方法，每一种方法都对应多种微观物理方法，更能够提纲挈领地对人们思考问题提供启示。将物理上思考问题的思维方法迁移到其他领域的问题解决中，遇到问题时按照“先分析问题，提出理论假设，然后做实验验证假设，并推广到一般”，最终解决问题。物理学的思考研究方法已经成为普遍的思考研究方法，例如，我国进行改革开放设立经济特区，进行先行先试，总结经验并推广;最近几年设立的自贸区，前段时间支持深圳建设中国特色社会主义先行示范区，以及新一轮高考改革以浙江、上海先行试点后在具备条件的省份逐渐推开，无一不是这样的思维方式。这些改革措施所反映出的思考问题的思路与物理学上思考问题的方式高度一致，这也足以证明在物理教学中注重思考问题的方法教学是非常重要的。

参考文献：

[1]中国社会科学院语言研究所词典编辑室.现代汉语词典（第5版）[M].北京：商务印书馆，2009：1431.

[2][美]文森特.赖安.拉吉罗.思考的艺术（第10版）[M].金盛華，李红霞，邹红，等，译.北京：机械工业出版社，2013：4.

[3]张宪魁，李晓林，阴瑞华.物理学方法论[M].杭州：浙江教育出版社，2007：264，266.

（栏目编辑    罗琬华）