8.物理精神与物理教学

什么是物理精神?物理精神就是物理学家在认知过程中形成的独立人格精神，简单说就是物理学家如何“做人”.物理学家们在认知世界的过程中发明了大量有效的方法，形成了物理方法，利用这些物理方法，物理学家构建了对世界的认知，而认知的过程和结果又深刻影响了物理学家自身的行为和思想，认知者会反省自身，形成对自身的约束和要求，形成了物理精神，物理方法和物理精神构成了物理文化，这深深影响了人类的发展进程.物理精神可以例举出许多，然而这些精神并不是孤立存在的，是有关联、有层次的.

科学精神主要是指学生在学习、理解乃至运用科学知识时形成的思维方式、批判质疑和勇于探究的行为表现.任何一种知识的发展和获得都离不开初始的质疑,一个具有创新能力的人一定是在不断的质疑和反思中,突破传统思想的束缚,发现新的规律和内容,进而带来质的飞跃推动学科向前发展.为培养学生的科学质疑意识,可重点讲解物理学史中有关质疑探索的科学家故事,引导学生感受当时的探索过程,形成勇于挑战未知的科学精神,并逐步养成积极思考的学习习惯.德国贵族出身的德布罗意却对科学产生了浓厚的兴趣,于是弃文从理,师从物理学家朗之万攻读博士学位,在他的博士论文里提出了一个大胆的猜想:既然波可以是粒子,那么反过来组成物质的基本粒子也应该和光子一样,既是粒子也是波,并且把这种波叫作“物质波”,且提出了波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系式.面对如此新奇的猜想,当时学术委员会对德布罗意的论文不置可否,朗之万无奈之下给爱因斯坦写了一封信,出人意料的是爱因斯坦给予了德布罗意猜想高度赞扬,因此德布罗意的理论得到了广泛的关注且获得了1929年的诺贝尔物理学奖.之后,由德布罗意思想建立波动力学的薛定谔以及用实验验证德布罗意波的戴维孙和汤姆孙,也分别获得了1933年和1937年的诺贝尔物理学奖.从德布罗意的故事可以看出质疑和突破偏见的能力对于物理学的发展至关重要,有助于培养和提高学生们的质疑意识和勇于探索的科学精神.

物理精神的建立都是围绕如何更好地建立物理认知而发展起来的，而随着认知的不断深入，物理精神也衍生出了层级结构，这里我们力图简化处理这些问题，所以只讨论了比较重要的一些物理精神，有不严谨之处.图1给出了一个示意图，追求真理、积极乐观、协作精神是在认知过程中随着认知的发展而逐渐建立起来的第一层级的精神，而每一种精神又会继续衍生出新的精神.

图1.追求真理、积极乐观、协作精神是第一层级的物理精神

追求真理的精神：最基本的物理精神是追求真理的精神，这是物理学家的基本信仰.从物理的定义中能看出物理认知的目的就是形成尽可能准确的系统化理论，特别是对整个世界的一个统一解释.在认知的各个环节中，都体现了物理学家的这种追求，求真的精神衍生出了一系列精神，如图2所示.

图2追求真理的精神会衍生出其他精神

客观的实事求是精神.这是客观研究对象的性质决定的，对自己不诚实、对研究对象观察、描述、研究的不诚实都会被实验无情地证伪.独立思考与怀疑的精神.这是因为人天生有各种缺陷，可能会犯各种错，再加上物理认知是可证伪认知，所以为了建立自己的认知，不得不坚持独立思考与怀疑，怀疑是为了更好的思考，修正错误，突破认知边界，逐渐逼近真理.之所以每个人都可以独立思考和怀疑，是因为研究对象的客观性决定了不同人的独立思考可以相互参考、达成共识，这与人文领域是有所不同的.现在有些人误解了怀疑精神，将其片面地理解为批判精神，凡事必批判，还演变成了对人的攻击，这是非常不合适的.物理中的怀疑精神仅是为了更好的思考，因为如果停止怀疑，就会停止思考.事实上，怀疑是非常积极的思考方式，可以从各个角度激发新的认知，刺激探索的欲望，拓展认知的边界，如果仅仅为了批判而批判，怀疑而怀疑，而不能提供新的认知，那不是真正的怀疑精神.严谨的分析精神.这是大家熟悉的精神，是与数理逻辑相关联的，在使用分析法、综合法、反证法、归纳法等数理逻辑时，严谨的分析精神是必然的.寻根究底的精神.由于物理认知追求的是整个宇宙的本质规律，这就决定了物理学家的思想绝不会停留在现象的表面，而是会不断挖掘现象背后更本质的原因，比如对于四大基本相互作用，物理学家的终极追求就是大统一理论.这种思维习惯让物理学家养成不停追问“为什么”的习惯，形成了寻根究底的精神.锲而不舍的精神.物理认知其实是艰难的，简单回顾一下物理学史，就知道对一个研究对象建立认知的过程往往需要多代人的努力，牛顿力学体系经历了上千年的积累才完成，量子力学的建立也用了近百年的时间，没有执着的锲而不舍的精神是无法完成这样的成就的.简单调查一下物理学前辈以及现在的物理学家们的工作习惯和工作时间，就会发现他们几乎就是勤奋的代名词，他们在自己研究领域的坚持，才完成了物理认知的不断积累.

积极乐观的精神：物理学家尽管追求的是终极真理，但事实上由于各种限制，物理认知只是有效认知，这就让物理学家们发展出了积极乐观主义精神，由此又衍生出了一系列精神，如图3所示.对于物理学家来说，积极乐观就是想法设法向真理迈进一步.比如选择相信这个世界可能会有大统一理论，因为如果不相信，就不会付出努力，也就没有结果，这其实是一种积极乐观精神.作为量子力学创始人之一的普朗克,他一生勤勉、治学严谨又谦虚和善,他的成就离不开他日复一日的刻苦专研和深入思考,给物理学界带来了重大变革.然而在那个动荡的年代,普朗克的家人相继离世,1909年妻子去世,1916年一个儿子不幸在第一次世界大战中战死,1917年和1919年两个女儿又先后死于难产,1944年另一儿子又被希特勒处死,亲人们的相继离世并没有击垮普朗克,他用奋发忘我的工作抑制自己的悲痛,尽管他全部的藏书和演算手稿在战火中尽数被毁,也依然没能阻挡住他探索世界的脚步和执着的内心.爱因斯坦曾说过:“跟普朗克生活是一件愉快的事,他总能带给人希望和快乐,却从不曾将自己的痛苦显露”.普朗克勇于面对不幸,积极调节自我,坚忍不拔,自我约束,勤勉刻苦等品质都是学生们学习的榜样,所以培养和提高学生健康生活有助于学生们用自己的热情和个性书写动人的华章.

其实怀疑的精神也可看作是一种积极乐观精神，因为如果不怀疑，就会停止思考，从而也无法有新的发现，选择怀疑就是选择了更积极的做法.需要注意的是，这不是简单的盲目乐观主义，而是要在乐观的态度下积极想办法前进.

图3积极乐观的精神会衍生出其他精神

不怕失败、勇于尝试的探索精神.从物理认知的历史可以发现，认知过程中常常伴随着大量的失败，正是积极乐观的精神，让物理学家们不怕失败，勇于尝试，不断探索物理的未知领域.比如对受控核聚变的研究，即使国家点火装置（NIF）遭受了挫折，物理学家们也不会停止探索的步伐.这里需要注意的是，失败不是成功之母，成功才是成功之母，失败的经验是知道这样做不可能成功，而成功则是知道这样做可能成功，认知的道路是不断积累成功的案例，模仿成功的经验，取得认知的突破.

可证伪的实证主义精神.物理学家追求的是真理，但有趣的是无论从认知规律上，还是从认知逻辑上，都不能确保认知的结果是真理，用悲观的观点看，物理的研究从根本上说无意义，但物理学家采用了积极乐观的精神，退一步寻求有效理论，来不断逼近真理，并用可证伪的实证方法来检验认知的有效性，这就让物理学家们养成了实证主义精神.然而正是这样一种积极乐观退而求其次的实证主义精神帮助人类在物理认知上取得了巨大的进步，以至于不少人误解物理是真理，甚至迷信物理，或者说迷信科学.包容的开放精神.物理是对未知的探索，未知充满各种可能，包容的开放精神让我们有可能抓到通往真理的线索，当然还需要严谨的分析精神剔除无效的线索.另一方面，物理认知的探索又是非常艰难的，充满不确定性，应该包容失败，采取开放的态度对待探索中的各种问题.小目标精神.物理认知的终极目标是宏伟的，然而现实是每个人的能力是有限的，对于每个人来讲，目标定的过于远大，实际上不可能实现，这时就需要改变策略，定一个通过适当努力就可以实现的小目标，不断实现小目标，积累下来就是大的进步，这实际上也是积极乐观主义精神的一种体现，更重要的是这种不断成功的正反馈会给物理学家带来强烈的自信和成就感，从而成为重要的认知驱动.

协作精神：物理学家在认知过程中，会发现自身认知能力有限，这时就需要不断和他人合作，这时又发展出了协作精神.协作精神又可以衍生出许多精神，如图4所示.协作精神不是物理人特有的，其他学科也需要协作精神，但物理的协作精神由于有了认知上的可证伪保证，相对来说是比较有效的.

图4协作精神会衍生出其他精神，最重要的是公正精神

协作精神中最重要的一条是公正精神，就是客观公正地评价和尊重他人的认知贡献.事实上，没有这一点就无法建立人和人之间的信任，也就无法合作.物理论文引用系统的建立，同行评议机制的建立等等，都是公正精神的具体体现.在协作中是需要协商决策问题的，这时民主精神相对是最有效的.至少各种可能的意见都可以平等地表达出来，大家有知情权和选择权.对于一个成熟的物理人社区，民主方式往往是最有效的，例如教授治校的教授会制度等等.但对于进入一个全新认知领域的协作，或者不成熟的物理人社区协作，则要小心民主陷阱.这里并没有给出所有的物理精神，只是列举了一些重要的典型的物理精神，这些精神都是在物理认知过程中，逐渐发展出来的对做人的要求，这和做事的要求一样，都是为了建立起一个人对世界的有效认知，物理精神和物理方法一起构成了物理文化，这正是物理学家对世界进行认知给我们带来的精神财富.需要注意的是以上列出的是相对普适性较强的物理精神，学生可以通过接受物理教育而具备这些精神，而有些精神则取决于特定的文化背景和个人特质.这就是为什么我们可以培养物理学工作者，但是不能直接培养出一个爱因斯坦的原因.但是一旦有了物理方法和精神形成的物理文化环境，爱因斯坦们，诺贝尔奖获得者们会自己长出来.

从物理认知的起点出发，就能理解什么是物理，物理认知是如何建立的，物理方法、物理精神是如何在认知过程中形成的，即物理学家是如何做事、做人的，而这些构成了物理文化的核心.物理学家们正是在这样的文化基础上组成了物理社区，形成了物理学家的共同体，这种共同体甚至是跨越国界的.关于物理的学习、教育、研究、政策制定等相关的问题，原则上由此出发去思考会有助于找到解决问题的方法.物理文化的核心是建立有效认知，物理教学与研究实际上都是完整认知过程的训练，需要经历实验物理、理论物理、应用物理，这个过程中不仅能学习有效的物理方法，还能养成物理精神.从这个角度说，物理教育实际上代表了自然科学教育，应该在国民教育体系中占有更重要的地位，而不是变成选考科目.应试教育最大的问题是只进行应用物理的思维训练，忽略了实验物理、理论物理中探索创新思维的训练.对于著名的钱学森之问：“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才？”尽管可能有各种其他的因素，但从物理认知规律的角度来看，我们也许可以知道答案了.如果能在物理教学和研究中回到物理定义的本质，从认知的起点出发，有意识地遵循认知过程的规律，相信对人才培养和科学研究都会起到有益的推动作用.另一方面，物理教育的价值还在于，一旦学生通过物理教育具备了认知能力，就可以对世界认知，形成世界观，对人生认知，形成人生观，对什么是重要的认知，形成价值观.一旦有了独立的认知，就不再会轻信他人，这时就具备了怀疑和批判的能力，会了解自己想做什么，能做什么，会独立选择该做什么，不该做什么，只有这样才能称为有独立的人格.这正是蔡元培先生说的“人格”教育的基础，没有认知能力，不可能奢谈人格.因为这些认知能力，人才具备了基本尊严.为什么要用物理的认知方式？因为这是迄今为止人类最有效的认知方式.希望能有更多的人理解什么是物理及物理文化，从而在物理教学中传递物理文化，在物理研究中发展物理文化，在政策制定中保护物理文化，在国民大众中普及物理文化.

再强调一下宇宙.自然界的物理规律不会变，但物理学在前进，世界由于物理学的发展变得更美好，人类的文明程度也会越来越高.让我们共同创造美好的明天，实现中国的强国梦！