大道至簡 簡中求道

王高

摘要：大道至簡是人類的智慧，這種智慧也蘊含在物理研究、物理學習和物理教學之中，值得我們擁有。本文從物理研究、物理學習、物理教學三個方面，結合實例分析領悟求簡之“道”，從而達到求真、向善、臻美之境界，讓物理教學回歸本真。

關鍵詞：大道至簡；智慧；研究；教學

中圖分類號：G633.7 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2016）07A-0104-04

大道至簡是流傳千年的中國四大智慧之一，可以理解為事物中的大道理（基本原理、方法和規律）是非常簡單的，簡單到一兩句話就能說清楚。

物理學是一門自然科學，也是最接近“道”的科學。物理學的發展過程就是不斷利用理論發現并解釋自然之道的過程，所以物理學習的本質就是知“道”、尋“道”和悟“道”的過程。物理教學的原動力是求簡，簡中求道，從而達到求真、向善、臻美之境界。

一、大道至簡是物理研究的基本出發點

物理研究的一個重要手段，就是把復雜問題簡單化，簡單問題模型化。簡單性是科學家進行研究的基本原則，也是始終堅守一個科學傳統。如果你要在物理長河所沉淀的邏輯中提取精華，那就只有兩個字——簡單，簡單就是最好的邏輯。翻開物理學史，眾多的物理學家正是基于大道至簡的思想，開展物理學研究，取得了舉世矚目的成就。因此，大道至簡是我們認知世界的基本準則，是物理研究的基本出發點，也是我們物理教學的基本之道。

伽利略對簡單性原理鐘愛有加，他認為“自然界總是習慣于運用最簡單和最容易、又是人們容易理解的方式來進行的”。他在研究石頭下落時，觀察到石頭從靜止開始，不斷獲得新的速度增量，認為應該相信這樣的速度增加是以極簡單和為人們十分容易理解的方式進行的，增加的方式沒有比以同樣方式重復更簡單的了，即速度是均勻增加的。于是，他仿照勻速運動的定義得出勻加速運動的概念：若一物體從靜止出發并在相等的時間間隔內獲得相等的速度增量，則稱該物體的運動為勻加速運動。

著名的α粒子散射實驗的設計者——盧瑟福同樣也具有簡單性的世界觀。他說過：我一直相信簡單性，我自己就是一個簡單的人。世界的簡單性直接決定了知識的簡單性。自然界一切物質都由最簡單的粒子組成，粒子運動經過最簡單的路徑，比如：光是沿著直線傳播的，行星的運動軌跡是圓形或者橢圓形的。科學研究的最后結果就是簡單性理論反映或表達物質世界的圖景與秩序。在1932年，玻爾說過：盧瑟福認為自然是簡單的，這正是別人注意不到，而他能有所發現的原因。也正因為盧瑟福相信自然的簡單性，因此他的實驗儀器是簡單的：用大的錫罐頭皮做β和γ射線靜電計，在它上面焊上更小些的煙草盒或香煙盒。絕緣用硫磺，因為當時沒有琥珀。他的研究方法是簡單的，實驗觀察、數據分析、提煉假說，建立模型。盧瑟福就是靠這么一些簡易自制的儀器做實驗，發現了α粒子散射現象，建立了原子核式結構學說，開拓了原子物理和核物理學的新疆域。

牛頓的光的色散實驗也是通過最簡單的實驗手段、利用最簡單的實驗器材——三棱鏡進行的。他把一個房間布置為暗室，只在窗子上開一個圓形小孔，讓太陽光從小孔射入，在小孔面前放一塊三棱鏡，立刻在對面墻上看到了像彩虹一樣的七色彩帶，這七種顏色由近及遠依次為紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫，而且，后人對這個實驗可以重復進行，也能得到與牛頓相同的實驗結果，簡單使實驗揭示了最深刻的科學真理。可見，大道至簡是我們認識真理和實踐真理的基本出發點。

愛因斯坦認為，簡單性是現實世界的一種客觀的、真實的屬性。他說：“自然規律的簡單性也是一種客觀事實，而且真正的概念體系必須使這種簡單性的主觀方面和客觀方面保持平衡”。

二、大道至簡是物理學習的思想源泉

實踐經驗告訴我們，復雜的事情往往在一分為二時就變得簡單了，再難的事情從簡單入手，循序漸進就能做成，因此，復雜的事情簡單做，簡單的事情重復做，重復的事情用心做，長此以往，一定能獲得成功。

在物理學習中，對于復雜的物理過程我們常常將其分解成幾個簡單的過程，涉及多個物體時常常把研究的對象進行隔離，這樣，將陌生的、復雜的問題轉化為熟悉的、簡單的問題，這實際上就是應用轉化的思想來研究問題、解決問題，轉化正是大道至簡的智慧在物理學習中的具體體現。

1.以道求簡

物理中的“道”就是物理的核心概念、規律、思想方法等等，物理的本質在于求簡，就是要在物理學習的尋道過程中，學會用簡明的視角、簡要的設計、簡捷的語言、簡單的方式來簡明扼要地表達。學習中要始終確立簡單化的意識，循序漸進地認識事物，理清知識之間的關系，以道求簡，直至大道至簡的境界。

研究一個做變速直線運動的物體在某段時間內的位移時，我們會把它等效為一個勻速直線運動，這個勻速直線運動的速度就等于原來變速直線運動的平均速度，這兩個運動在同一時間內的位移要保證相同。在v—t圖中，相當于用一個矩形面積代替原來曲邊四邊形的面積，如圖1所示。同樣，建立平均速度概念的實質也是把變速直線運動等效轉化為以平均速度為速度的勻速直線運動來處理。這樣，對任何一種變速直線運動，不論是勻加速的、勻減速的還是非勻變速的，都有■=■，或x=■t。對一些更復雜的變速運動，我們常采用微分的思想，把運動過程分解成若干個微小的過程，每一個微小的過程視為勻速運動來處理，即我們常說的化曲為直的方法。這些轉化過程中都有著相同的特征，把復雜的、陌生的變速運動轉化成簡單的、熟悉的勻速直線運動來處理，其本質就是化繁為簡，這種思想方法對于物理學習具有重要的指導作用。

2.簡中尋道

從復雜的問題情景中把握簡單的本質，從復雜問題中發現簡單的方法，就是要在“追簡”的過程中尋“道”，這是我們研究、學習物理中需要遵循的一條基本原則。

在“探究加速度與力的關系”的實驗中，猜想與假設是一個非常重要的環節。教師首先要創設一個情境，例如，將競賽用的小汽車與一般小汽車（質量相當）比較啟動的快慢，初步得出物體受力越大、加速度越大的結論，然后讓學生對加速度與力之間的定量關系進行猜想，可能有：a∝F、 a∝F2、a∝■…對于這些猜想，還需教師引領學生學會分析判斷，進行合理的取舍，進一步做出定性的假設，以明確探究的方向。一般的教材中都是假設a∝F，并對該假設進行實驗驗證。這個假設有依據嗎？有！正是依據伽利略“相信自然界規律是簡單的”，那么，a與F之間的定量關系應該遵從簡單的原則，即：a∝F。endprint

在實驗測量中我們經常將某些不易顯示、不易直接測量的物理量轉化為易于顯示、易于直接測量的物理量。例如，電阻率的直接測量很難，我們是通過測量被測元件的電壓、電流，用歐姆定律求出電阻，再由電阻定律R=ρ■求出電阻率ρ。這里的間接測量實際上也是一種轉化。物理學習中一旦尋到了這個“道”——轉化，就可以舉一反三，進行更多的測量，如導電膜的厚度、不易測量的長度、面積等。

如圖2的導電柱體，中間是空的，長為l、橫截面的外周是邊長為a的正方形，內周是類似橢圓的形狀，材料的電阻率為ρ，現要測量其空心部分的截面積S0。我們可以在其兩端加上電壓U，并測出電流I，得到柱體的電阻R=■=ρ■，可得截面實心部分面積S′，則空心部分截面積為S0=a2-■。

三、大道至簡是教師教學智慧的體現

大道至簡中的“簡”是反復演變后的精髓經過濃縮后的表象，因而不能理解為一般意義上的簡單。世上的事情難就難在簡單，簡單是真理，簡單是智慧，簡單是厚積薄發的力量。教學的原動力是追簡，自然而然形成的簡就是真，合情合理形成的簡就是善，藝術加工形成的簡就是美。真、善、美是物理教學追求的最高境界。對于物理教師來說，能把復雜的東西教得簡單，會把簡單的東西教得有厚度，讓學生從一個概念、一個公式、一種方法中感受到物理的魅力，真正喜愛上物理。大道至簡，返璞歸真，這正是教師教學智慧的體現。

1.課堂呼喚“簡約”

對于物理教學，有的教師把內容弄得很深奧，那是因為沒有看穿實質；有的教師把它搞得很復雜，那是因為沒有抓住教學內容的關鍵。大道至簡意味著教學要“少而精”，能夠透過現象看本質。所以，我們的物理課堂呼喚“簡約”，特別是現在的學生學業負擔過重，大家都認為亟須減負增效，簡約課堂就顯得格外重要了。“簡約”其實就是簡易、簡單。教學目標要簡潔、明了、具體，有可操作性和可測性；教學內容要簡約、恰當、充實，能夠突出重點、突破難點，把握關鍵點；教學手段、技術要適合、有度，體現科學性、針對性和實用性；針對訓練要實用、典型、精準，有針對性、實效性。總之，課堂教學要簡約到不難為學生，簡單到不拒絕任何一個學生。把深奧的道理說淺顯，把復雜的問題做簡單。大凡最普遍、本真的東西都是最簡單的，這是我們識別事物真偽的一條準則，也可以作為評價一堂好課的重要標準。

對于物理知識的簡約可從以下三方面著手：①知識概念化。物理中有著大量的概念，這些概念都是用最精練的語言揭示事物的本質屬性，例如，加速度是描述速度變化快慢的物理量，反映的是速度變化的快慢，而不是增加的速度。概念化，符合科學的簡單性原則。②知識網絡化。就是尋找知識之間的內在邏輯關系，把知識連成線、構成面、織成網，結構簡化的知識體系，使知識的學習更迅速、更高效，學習能做到“綱舉目張”。③知識模型化。物理所分析、研究的實際問題往往都很復雜，為了便于分析與研究，我們常常對實際問題做科學抽象的處理，用一種能反映原物本質特性的理想物質（過程）或假想結構去描述實際的事物（過程），這種“簡化”的過程就是模型化，它能使復雜問題簡單化、復雜過程簡單化，便于對問題的理解與研究，也有助于抽象思維的訓練。

2.教學重在“悟道”

在課堂上，把簡約出的空間和時間還給學生，教師要變“習題”為“問題”， 變“授受”為“悟道”，讓學生的學習更主動，更自由，學生通過自己的思考、體驗、揣摩，悟出物理之道。經驗告訴我們，有的知識講得越多，學生越不明白，而讓學生自悟自得，效果會更好，這需要教師通過非常巧妙、到位的設計和智慧的引導，促進學生悟道、悟情。

我們知道，開普勒的天文學和伽利略的動力學在各自的領域中都是優美和諧的，但都存在一定的局限性，如果把這兩個方面的理論放在一起時就有不和諧之處。如何使天上物體的運動和地上物體的運動有一種共同的、簡單的描述？牛頓從開普勒第三定律出發，經過研究發現，使行星保持在它們各自軌道上的力的性質是相同的，力的大小同它們到旋轉中心的距離平方成反比。他用這個關系計算了月亮保持在自己軌道上所需要的力，并與地球表面的重力比較之后，發現它們符合得相當好，而且，萬有引力作用下的天體運動遵從動力學的規律，牛頓實現了天體運動與地上物體運動的統一。在萬有引力定律教學中，教師不僅讓學生正確理解、應用該定律，還要引導學生悟出定律的簡單性：牛頓只用了3個字母（m、r和F），就揭示了廣袤的宇宙中萬物的相互關聯性，這定律幾乎是簡單到了極頂。進而領悟萬有引力定律的簡單美、和諧美。簡單在科學史上已成為一個理論是否美的標尺——簡單就是美。

大道至簡，智慧之道，這種智慧蘊含在物理研究、物理學習和物理教學之中，值得我們去領悟和擁有。

責任編輯：徐瑞泰

Abstract： That “The most valuable principle is the simplest one” is humans wisdom， which can also be found in physics research， learning and teaching. This paper， starting from physics research， learning and teaching， cites some examples to analyze and interpret the simplest principles so that we can reach the level of truth， goodness and perfection， letting physics teaching return to its original value.

Key words： most valuable but simplest principle； wisdom； instructionendprint