科學(xué)探究物理模型創(chuàng)建途徑

1、科學(xué)探究物理模型創(chuàng)建途徑康孟孟 在20世紀(jì)初，美國(guó)人杜威（JDewey）指出，對(duì)于科學(xué)，學(xué)生要掌握的不只是知識(shí)，還應(yīng)包括過(guò)程或方法，現(xiàn)在，研究性課程已成為中國(guó)基礎(chǔ)教育改革的重點(diǎn)和突破口，而創(chuàng)建出實(shí)際問(wèn)題的理想模型的過(guò)程和方法的訓(xùn)練。應(yīng)該是研究學(xué)習(xí)中學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力培養(yǎng)的切入點(diǎn)之一。由于實(shí)際問(wèn)題中到處充滿著不能由單一線性關(guān)系代替的復(fù)雜的非線性關(guān)系。因此，要在實(shí)際問(wèn)題中，找出簡(jiǎn)單的理想模型來(lái)，往往是艱難的。實(shí)際上，物理學(xué)中的實(shí)驗(yàn)定律，在一定程度上都是近似規(guī)律。例如，教科書(shū)一直說(shuō)滑動(dòng)摩擦力的大小跟壓力成正比，與接觸面積無(wú)關(guān)，我們通過(guò)“研究影響摩擦力的因素”這個(gè)課題的探究活動(dòng)發(fā)現(xiàn)。實(shí)際情況與這種

2、說(shuō)有較大偏差，從原子尺度上的電磁相互作用看，不是“物體表面越光滑，摩擦力越小”。盡管如此，但這并不意味著在實(shí)際問(wèn)題中找不到理想模型來(lái)，本文試圖從研究復(fù)雜系統(tǒng)怎樣向簡(jiǎn)單有序躍遷的有關(guān)觀察實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)代神經(jīng)生理學(xué)和生理心理學(xué)關(guān)于人腦思維過(guò)程猜想的成就等方面探究物理模型的創(chuàng)建途徑，以同大家商榷。弱化條件使系統(tǒng)向有序躍遷顯現(xiàn)模型用心研究物理學(xué)本身的許多實(shí)際系統(tǒng)的躍遷實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)，一般情況下，把系統(tǒng)躍遷的條件弱化到一程度，系統(tǒng)顯現(xiàn)的模型是簡(jiǎn)單有序的；若條件強(qiáng)到超過(guò)某一極限，系統(tǒng)的變化出現(xiàn)混沌行為?；煦鐚W(xué)認(rèn)為混沌現(xiàn)象不全是混亂的無(wú)序，含有高級(jí)的有序。因此，學(xué)生在研究性學(xué)習(xí)的初級(jí)階段，要設(shè)法控制實(shí)驗(yàn)條件并且適

3、當(dāng)弱化，在系統(tǒng)初期有序變化的現(xiàn)象中找規(guī)律建模型。例如，在水的相變實(shí)驗(yàn)中，要找到有沸騰現(xiàn)象出現(xiàn)的簡(jiǎn)單模型，只有在不太高的溫度和較低的壓強(qiáng)下才能實(shí)現(xiàn)，若溫度和壓強(qiáng)高到一定程度，沸騰現(xiàn)象就不存在了。同樣有，在氣體狀態(tài)變化的實(shí)驗(yàn)中，高溫高壓下，不會(huì)得出理想氣體這個(gè)簡(jiǎn)單模型。又如，在單擺的周期振動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，只有在擺角小于5這樣的弱條件下，單擺的振動(dòng)才是簡(jiǎn)諧振動(dòng)模型，若把它變?yōu)槭芷日駝?dòng)且策動(dòng)力的強(qiáng)度和頻率增大到一定程度，振動(dòng)的規(guī)律就難以預(yù)測(cè)。再如，電磁波的傳播規(guī)律，在弱的電磁場(chǎng)中，存在相互疊加互不干擾獨(dú)立傳播的疊加的模型，但在強(qiáng)場(chǎng)中，如太陽(yáng)黑子活動(dòng)高峰期，電磁波傳播會(huì)趨于混沌能使通信中斷。顯然，為了能讓實(shí)際

4、系統(tǒng)的變化顯現(xiàn)簡(jiǎn)單的有序，我們?nèi)趸氖窍到y(tǒng)的外界條件，這些條件對(duì)決定系統(tǒng)的本身的性質(zhì)來(lái)說(shuō)是次要的，是應(yīng)該舍掉的。例如，在單擺簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期公式中就沒(méi)有擺角、擺球的質(zhì)量等次要因子。所以，錢(qián)學(xué)森說(shuō)“模型就是通過(guò)我們對(duì)問(wèn)題的分解，利用我們考察來(lái)的機(jī)理，吸收一切主要因素，略去一切不主要因素創(chuàng)造出來(lái)的一幅圖畫(huà)”。由前面物理模型的顯現(xiàn)過(guò)程可知，人為控制條件的實(shí)驗(yàn)在建模過(guò)程中起著決定性作用。猜想實(shí)驗(yàn)在前，創(chuàng)建模型在后。事實(shí)上，以往所有“自然規(guī)律”都是通過(guò)人們的思維，根據(jù)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`所得的資料或經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)化成的各種模型。下面我們探究我們是如何用大腦進(jìn)行分段思維從物理現(xiàn)象中提煉出物理模型最后活用模型解決問(wèn)題的。得表

5、象舍實(shí)驗(yàn)得模型舍表象創(chuàng)建模型現(xiàn)代神經(jīng)生理學(xué)和生理心理學(xué)關(guān)于人類思維基礎(chǔ)的研究提供了人腦思維為什么能從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象躍遷到模型這一過(guò)程的大量信息，探究分析這些信息發(fā)現(xiàn)，這一過(guò)程也是將反映條件或手段弱化的過(guò)程，即所謂“善學(xué)者，得魚(yú)忘筌，不善學(xué)者，刻舟求劍”。割裂腦的研究表明，大腦由左右兩半球組成，左右兩半球?qū)φZ(yǔ)言信息和非語(yǔ)言信息的處理能力是不同的。一般來(lái)說(shuō)，左側(cè)大腦對(duì)語(yǔ)言信息的處理能力較強(qiáng)，而右側(cè)大腦對(duì)非語(yǔ)言信息的處理能力較強(qiáng)，而在日常生活中我們的一切活動(dòng)是如此地協(xié)調(diào)一致，這是因?yàn)閮蓚?cè)大腦半球之間有著豐富的神經(jīng)纖維聯(lián)系，彼此保持著相互密切的信息交換，抽象思維和形象思維在這里交叉互補(bǔ)，相互激發(fā)。要有效地獲

6、得模型，形成理論，需要兩個(gè)半球通過(guò)中央連合體的協(xié)同工作。令人遺憾的是，這種合作活動(dòng)往往不是能同時(shí)一步實(shí)現(xiàn)的。精神分析學(xué)在腦解剖學(xué)發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上對(duì)裂腦人的奇異現(xiàn)象作了深入分析后得知，人類通過(guò)進(jìn)化成熟了的語(yǔ)言邏輯思維壓制著人類原始具有的直覺(jué)認(rèn)識(shí)功能。由此可見(jiàn)，人類的大腦有固執(zhí)于事物的表面形態(tài)、拘泥于言和存心于象的頑固習(xí)慣。因此，創(chuàng)建模型的過(guò)程是分步迂回進(jìn)行的。第一步是系統(tǒng)表象的獲得階段。為了突出表象，實(shí)驗(yàn)手段在大腦國(guó)弱化退位，這時(shí)要盡量讓學(xué)生用多種感管感受悟?qū)ο螅竽X的這種形為是“忘卻語(yǔ)言”的活動(dòng)；第二步是從表象認(rèn)識(shí)中總結(jié)規(guī)律創(chuàng)建模型的階段，這時(shí)期要用人類的深層次意識(shí)直覺(jué)體悟表象的內(nèi)存本質(zhì)聯(lián)系，當(dāng)表

7、象條件弱化退位，茅塞頓開(kāi)便是模型創(chuàng)生之日。對(duì)我們多數(shù)漸悟者來(lái)說(shuō)，這一階段往往需要一段較長(zhǎng)的時(shí)間。例如，對(duì)牛頓第二定律F=ma模型的理解，丁肇中在中學(xué)時(shí)代就想了數(shù)周之久。通過(guò)重重障礙獲得的物理模型在不用時(shí)，在大腦中一般是靜態(tài)的。要用物理模型解決動(dòng)態(tài)問(wèn)題,還需要訓(xùn)練學(xué)生怎么樣利用想象力將靜態(tài)的模型動(dòng)起來(lái)形成物理過(guò)程。用力分析畫(huà)狀態(tài)活用模型想過(guò)程利用物理模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)，首先要根據(jù)實(shí)際問(wèn)題中研究對(duì)象的受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確分析，接著用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，得到實(shí)際問(wèn)題的簡(jiǎn)化物理模型后，再啟動(dòng)想象力大膽推猜此問(wèn)題的模型中各物理量的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，這一過(guò)程跟前面建模過(guò)程相反，是一個(gè)將題設(shè)中各動(dòng)態(tài)條件巧妙添加的過(guò)程。為了能用數(shù)學(xué)語(yǔ)言準(zhǔn)確描述這一動(dòng)態(tài)問(wèn)題中各物理量間的定量關(guān)系，用草圖將這一動(dòng)態(tài)過(guò)程中的典型狀態(tài)構(gòu)畫(huà)出來(lái)，動(dòng)態(tài)過(guò)程中各物理量的幾何關(guān)系就會(huì)躍然紙上，實(shí)際問(wèn)題中的動(dòng)態(tài)物理情景就會(huì)自然想象，