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淺談學習物理的方法


出處:《觀念物理VI》第六冊,第一章,2004


淺談學習物理的方法
【2006 雅虎奇摩舊文:2006-02-09 21:33】

《觀念物理》原書第1章的習題,大都沒有標準答案可言。關於「科學」或「物理」,也不是簡短的三言兩語就可以說清楚的,所以我希望把這份思考的工作,留給讀者同學。我改在這裡簡單討論一下,物理的學習方法。當然,要如何才能學好物理?同樣也是個沒有標準答案的問題。我想從比較物理初學者與物理學家之間的差異,希望能對同學有所啟示,進而發展出屬於自己的一套讀書方法。

「學校物理」與「真正物理」的不同

首先,我們要知道,在學校裡學物理,和真正的物理研究工作最大的不同是:學校裡所教的大多是「正確的」物理知識,讓同學在「正確」中學習;而真正的物理(或科學)研究,卻常是從「錯誤」中學習。因此,在學校物理中,我們常在尋找標準答案,對錯誤的想法往往並不很重視;但真正的物理研究中,卻總是在鑽研為什麼有這樣的錯誤。

然而,這並不是說學校物理有什麼不對,而是我們不應該把標準答案或教科書,視作是物理的全部,而束縛了我們的思考。牛頓名言中的「巨人的肩膀」,就是對學校物理最好的描述:由於有這個肩膀,我們因此可以看得更遠。推翻亞里斯多德「正確了二千多年」物理學的伽利略也說過:我所反對的不是亞里斯多德的學說,而是對這個學說的盲目信仰、不加批判。

因此,在學習物理的過程中,除了要學會已知的事實、定律與定理之外,也別忘了「科學只是暫時性真理」的這個特性,常常帶著批判與獨立思考的態度,主動學物理,而且不必怕犯錯。

初學者與物理學家之間的差異

一般初學者與科學家之間,有三個主要的不同。首先,由於實驗設備或儀器的幫助,例如顯微鏡、望遠鏡、人造衛星、太空梭等,科學家對自然現象的經驗,比起一般人或初學者來得多。因此,同學在接觸到任何物理新知時,不要只是想把結論或結果記下來,而是要去留意,這個理論或發現是透過什麼儀器或實驗步驟,才得出這樣的結論。雖然有許多實驗無法在中學實驗室裡完成,但是透過文字或影片,以及師長的說明等等,還是能擴展我們有限的感官經驗。

不過,我們也不必「迷信」這些實驗所得的結論,同學可以自己設想,若你是物理學家,你會怎麼來設計這個實驗?其實,科學家也是常常經由參考別人的實驗或理論,來設計或改善自己的實驗或學說。因此,若有機會參加科學展覽等活動,同學應該要把握,盡情發揮自己的想像力與創造力,或是主動和師長討論你的想法。

其次,對自然現象提出解釋時,一般初學者對「一致性」的要求往往不高;反之,科學家對科學理論彼此之間是否有矛盾存在,則是非常重視。舉個常見的問題為例,一本書靜止在桌上,它受有哪些作用力?很多同學也許只會回答出重力或地心引力(朝下),而忽略了桌子施給書本的支撐力(朝上)。可是,若是把場景改成,把書放在彈簧上(如圖),相信大多數的同學就會認為,書本除了受有朝下的重力之外,彈簧也給了書本一個朝上的作用力。

然而,對物理學家來說,解釋這兩個現象的原理是完全相同的,因此,若你對上述問題有不同的解釋的話,那麼就是忽略了「一致性」的問題。

物理學家往往期望在看似毫不相關的自然現象中,找到共通的原理原則;牛頓看到掉落的蘋果與月亮繞地球之間的關係,從而提出的萬有引力定律,便是很好的例子。而在面對未知的現象時,科學家則是希望能先從已知的事實、定律或原理中,找到合理的解釋;由天王星的攝動現象,發現海王星與冥王星的存在,就是個很好的例子。其他還有很多看似石破天驚的發現,例如相對論或量子論,都是在運用既有的知識,想去理解新的現象卻行不通時,「很自然」的發現或創造出來的新理論與新學說。這個對「一致性」的追求,愛因斯坦很貼切的說了「科學不過是每天思考的提煉而已」這句名言。

最後,在推理自然現象時,初學者往往只能藉助具體的事物或現象,而科學家則較會使用一些抽象的理論模型。例如分析一顆掉落的石頭時,初學的同學往往認為,重的石頭會掉落得比較快,然而科學家卻會從力與加速度的關係,甚至從動能與位能的變化來思考。

物理教育的重要目標之一,是希望同學能學會這些思考的工具(定義、定理等)。舉例來說,「功」就是一個抽象的物理概念,你用力去推一道牆,十分鐘之後,你累得半死,但是你所做的功卻等於零!又例如位能,一個物體,不論是放在低處與高處(具體現象),它都是同樣的一個物體,然而卻具有不同的重力位能(抽象觀念)。

為什麼會這樣?想理解這些概念,就得從「定義」出發。簡單來說,定義可說是科學家「發明」出來的思考工具,就像工匠使用的鐵鎚或螺絲起子一樣,大家都從學習使用這些工具開始,然後因為使用的經驗豐富,瞭解這些工具的威力,而一直沿用下來;或是遭遇到不可解決的問題,從而發現改進的空間,甚或發明新的定義、定理。

如何解題?

物理學家花了很多精神與心血,在理解自然現象,希望從中找出一些數量上的關係,以便能解釋或預測這些自然現象。因此,解題活動不論在學校物理或真正的物理,都扮演很重要的角色。然而,解題不是天才專屬的「黑盒子」,任何人,只要有心,藉由瞭解解題的過程,願意練習,熟能生巧,還是能大幅提升解題功力的,尤其是在學校物理的範圍裡。

波里雅(George Polya, 1887-1985)的《怎樣解題》(How to Solve it)一書,無疑是討論這個問題的經典。書中說到解題的四大步驟:

1. 瞭解問題:有哪些已知數與未知數。
2. 尋找關係:找出已知數與未知數之間的關聯;可從相關的定理、定律或模型等去尋找線索。
3. 數學計算:從上述的數量關係,實際執行數學運算。
4. 驗算答案:思考計算所得的答案,看看是否合理,或其物理意義為何。

這四個步驟中的重頭戲,是在找出已知數與未知數之間的「數量關係」。所謂困難的題目,往往會讓同學感覺,題目並沒有提供「足夠」的已知數,而讓同學找不出合適的關係,此時,同學就得利用既有知識或常識,自己去補足這些條件。遇上這類題目,同學就得多花些時間思考,經過嘗試錯誤,或參考範例、請教師長同學等,才能找出自己思考上的盲點——由於遺漏了什麼觀念,導致無法在已知數與未知數之間拉上關係。要克服這類難問題,除了多做題目,累積經驗之外,實在沒有更好的解決辦法。

在解題上,同學另一個常出錯的地方,是在數學計算上。因此,同學要能區別出,自己是物理觀念不清楚?遺漏了什麼思考線索?或是在數學計算過程上出錯?從這些地方來自我診斷,就不難看出自己該在什麼地方去加強。

知不知,上矣

最後我想藉老子《道德經》裡的「知不知,上矣」這句話來做個總結。在遭遇學習困難的時候,若能稍微跳脫出來,自我分析一下,自己是「什麼(what)不懂」?再想想是「為什麼(why)不懂」?在自己已經懂得的觀念,與正在學習的新知識之間,有什麼關聯或矛盾?很多的困難,往往在問過自己這些問題之後,自然就迎刃而解了。

本章的主旨,就是希望給同學,在自我診斷與克服學習困難上,提供一些可能的線索。




《觀念物理》中文版首頁:


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