摘 要
大學物理學習對很多學生來說是一個巨大挑戰，嚴重的還會引發其心理問題。本文從物理認知規律角度分析這種現象產生的原因，並由此提出ETA物理學習法。
Physics learning is a big challenge for most undergraduate students. Some students may get serious psychological problems. In this paper we try to find the reason of physics learning problems in the cognitive view, and introduce the ETA Physics Learning Method as a solution.
大學物理學習對很多學生來說是一個巨大的挑戰，在從中學學習過渡到大學學習的過程中尤其明顯[1]，少部分學生還會出現不及格、學業警告等嚴重情況，極少數學生甚至出現焦慮、壓抑等心理問題，這是高校中普遍存在的現象。本文將聚焦這個切實存在的問題，嘗試描述清楚這一現象，總結學生自己的反思，基於ETA物理認知模型[2]對其進行分析，並提出ETA物理學習法，即針對於學習困難，可操作的改善學習的應對策略。希望這些策略能有效幫助學生克服學習上的障礙，使其建立學習上的自信，進而享受大學物理學習的快樂。
需要說明的是，本文是基於筆者本校學生的研究，可能有一定局限性，希望研究結果能具有一定參考意義。此外，下文中的物理認知、科學認知等術語均指向於ETA物理認知。
1 學習困難現象描述
大一新生剛進入學校時，學習和思考模式還停留在高中階段，面對大學物理課程內容多、數學要求高的現實，很多學生出現了學習上的不適應，一個典型的學習困難演化進程可以作如下的描述。
（1） 聽課。通常，問題會首先出現在聽課上。聽不懂課程，跟不上節奏，不知道重點。開始還可以，慢慢就學不會了。學期初感覺還不錯，學期末感覺就不好了。
（2） 自學複習。之後就體現在自學複習上。自學學不懂，思考慢，效率低，不能系統理解知識。腦子裡只有高中內容，學不會、記不住大學內容。不知道要學到什麼程度，不知道還有其他學習資源，無法說清楚自己學過什麼。
（3） 作業和考試。接著作業出現問題。感覺老師上課講的內容和作業不一樣。做題慢，作業不能及時完成。
然後時間管理出現問題。一門課程要花很多時間，其他課程沒有時間學了。
考試開始出現問題。簡單題做錯，細節不會，難題不會做；感覺老師上課講的內容和考試不一樣。
（4） 學習狀態。學習狀態變得異常。注意力不集中，容易做其他事，如打遊戲、睡覺。慢慢感覺對學習失去興趣，有無力感；沉迷遊戲，曠課。
（5） 學業和心理問題。學業出現明顯問題。課程不及格、緩考、曠考，不及格學分過多，被學業警告。
更加嚴重的會伴隨出現心理問題。典型的現象是失去自信，心理上出現兩種極端。一種是壓抑。不好意思問同學問題，怕給老師、同學添麻煩，躲在宿舍不願見人，感覺人生無意義，走到極端變成抑鬱症。另一種是焦慮。感覺沒法和同學競爭，煩躁，情緒崩潰，出現傷害自己和他人、損毀物品的衝動，走到極端變成躁狂症。有時兩種心理都有，出現雙相情感障礙。
2 學生自我反省原因
對於這樣的現象，通常學生大都會有自己的反省，試圖尋找解決問題的辦法。但學生往往認知上有局限，找不到有效的原因和辦法。我們先試著分析一下學生常見的反省和思考。
智商不夠。學生比較容易得出這個結論，特別是在和優秀同學比較時就更容易這麼想。例如高考生和物理競賽生比較時，就覺得競賽生都是「大神」，只能「膜」。但學生歸結出這個原因之後，對其學習卻沒有任何幫助，因為它不是有效的原因，而且容易使自己產生消極情緒。在這樣的認知下，其解決的辦法應該是提高智商。可智商似乎是由基因決定的，是天生的，個人無法採取任何有效的辦法改變現狀，這只能讓其更加絕望。
學得不夠。有些學生會覺得學得不好是因為時間不夠用，學習程度不夠。他們經常的說辭是給我足夠的時間，我應該能學好。這個原因在一定程度上是合理的，因為按照這個邏輯，投入更多的時間應該能改善學習狀況。實際上，確實有學生減少休息和娛樂的時間，全力投入學習後，最後改善了學業狀況。但這裡的問題是，具體要投入多少時間呢？如果過多佔用了休息時間，影響了健康，這就是不可持續的。還有，各門課都需要時間，總的時間又是有限的，如果一門課佔用時間過多，分配給其他課程的時間就不得不減少，最終的結果依然是無法完成學習任務。
做題不夠。這是學生在考試中遇到不會做的題時最喜歡給出的理由。但問題是做多少題才夠呢？這種邏輯暗含的意思是，最好刷過原題，考試時就能照搬了，但怎樣才能刷到老師要考的題目呢？其實這是不可證偽的命題，是應試思維形成的慣性。中學時學生就被灌輸「好好做題就能考上好學校」。如果考上了，當然覺得這是做題的功勞，如果沒考上，只能怪自己做題不夠。灌輸這種思想的人永遠正確，因為這樣就不用承擔任何失敗的責任。這種思想對改善學業的作用是隨機的，意義不大，而且做更多的題意味著花更多的時間，對學業困難的學生來說實際上是不可能做到的。
不適合學物理。在經歷了多次嘗試，不能擺脫學習困境之後，學生往往會絕望地得出這個結論，同時也給自己學得不好找到了理由。然後會想，也許換個專業就好了。確實，有學生轉了專業後學習成績真的變好了，例如有物理專業的學生轉去學英語，成了英語系第一名。儘管這個「不適合學……」的理由同樣是沒解決真正的問題，對改善學習沒有幫助，但確是一個合理規避困難的好方法。
可以發現，學生自我反省找到的原因往往不可證偽，而且都是片面的碎片化認識，無法有效解決自己的問題。實際上學生如果能找到真正的原因，也就不會出現學業問題了。
3 基於認知規律分析
那麼學生出現學業問題的真正原因是什麼呢？我們可以從ETA物理認知模型[2]出發分別審視這些學生的思維特徵和大學物理課程的特點，然後用ETA模型詳細解釋學習困難的各種現象。
3.1 ETA物理認知模型
這個物理認知模型將物理認知規律總結為實驗物理認知（Experimental Physics）、理論物理認知（Theoretical Physics）、應用物理認知（Applying Physics）三個模式，每個模式都有其認知目標和具體的認知步驟，簡稱ETA物理認知模型。（為了簡化，下文各物理認知省略物理二字）其中，實驗認知、理論認知是為了探索未知，對應於基礎科學研究的過程；應用認知則對應於技術應用研究的過程。ETA認知模型給出了如何思考的導航圖（圖1）。它所對應的每一步認知都需要相應的如何做事的方法，也就是物理方法[3]。為了完成物理認知，對認知者有如何做人的要求，也就是物理精神[4]。我們分析學生學業問題的理論基礎就是物理認知模型、物理方法、物理精神。
3.2 中學思維特徵
我們從認知角度分析這些學生的思維特徵。學生在中學是如何學習的呢？一般情況下是教師上課講解原理、公式，之後講例題，再讓學生做習題、刷題，反覆多次後學生熟練掌握知識。學生在這種模式下形成的是應用認知模式，就是快速記住理論，然後拿來靈活應用。應用認知模式下，學生會被訓練出相應的做人做事方法。做事的方法主要是靠邏輯推導，覺得什麼都能推導出來，尤其是中學題目都是人為設計出來的，都有解，所以學生更加強了這種印象。做人的方面傾向於嚴謹、完美，不允許自己犯錯，特別是高考題目相對簡單，做錯了就考不上好學校，所以有些學生對自己近乎苛刻，甚至犯了錯也會刻意隱藏，不讓別人發現。
3.3 大學課程特點
這裡以大學物理課為例，從認知角度看大學課程的特點。大學物理課程內容多，用到的大學數學也較多。儘管教師有各種風格、各種側重，但基本上來說其教學內容都可以分為實驗認知內容、理論認知內容和應用認知內容。這些內容都是圍繞著研究對象構建的，具體可以參照圖1分析，反映了物理學家的認知歷程。學生在學習這些內容時，實驗認知部分一般比較直觀且較簡單，需要記憶。理論認知部分需要理性推導，尤其是對數理邏輯結構要非常熟悉，再加上要運用大學微積分等不熟悉的數學知識，所以學生感覺較難。應用認知部分主要依賴推導，但前提是要對實驗認知部分和理論認知部分比較熟悉。一般來說，教師為了講得比較有系統，通常偏重於應用認知模式，喜歡從公理出發推導出所有的知識點，包括對實驗的解釋、應用的舉例等。沒有經驗的教師可能時常遊走於實驗認知、理論認知、應用認知之間，來回跳躍，呈現出知識傳輸的碎片化傾向。
3.4 困難現象分析
下文將用ETA物理認知模型詳細解釋學生學習困難的各種現象。
（1） 聽課。學生聽不懂課程主要是因為大學物理內容豐富，需要通過完整的實驗、理論、應用三種認知模式來理解。但是學生在學習中卻還在使用中學階段的應用認知模式，根本不知道自己該做什麼，加上大學數學這個攔路虎，所以常常覺得「霧裡」「無理」。例如實驗認知的部分是需要記住的，但學生常常覺得應該推導出來，可問題是理論還沒學會呢，談何推導。理論認知部分注重的是構建理論的過程，常常用到不太嚴謹的邏輯過程，例如類比、猜想、簡單歸納，學生卻覺得不嚴謹，無法理解。如果教師講課注重知識的系統性，偏重於採用應用認知模式講課，學生就會相對較適應，通常會給予這樣的教師好評。這種情況下，由於對大學數學知識不熟練，且對物理概念缺乏實驗認知的構建過程，又只會按照應用認知模式進行線性的推導思考，學生便常常卡在一個不理解的點上，跟不上節奏。如果教師無法系統化講解，而是在三種認知模式間跳來跳去，學生就會更加挫敗和無助。
（2） 自學複習。學生自學時同樣由於只採取應用認知模式，總想著像中學一樣把什麼都推導出來，結果卻發現無從下手。學生搞不清楚大學物理的概念、理論是從哪裡來的，用自己高中的知識又推導不出來，因此就學不會、記不住，腦子裡只有高中的知識。線性推導的思考過程進行不下去，效率就低了，也無法形成系統，學習失去了方向，學生不知道自己要學到什麼程度，更講不清楚自己學了什麼。
（3） 作業和考試。而作業出現問題就更加正常了。由於實驗認知、理論認知不熟悉，這樣就失去了做應用認知的基礎，學生甚至根本不理解題目在說什麼，找不到題目和上課內容的內在聯繫。
由於中學思維的慣性，學生仍然相信靠自己的「獨立思考」能把這些內容學懂，所以會花大量的時間推導一個公式，完成一道題。結果就是時間根本不夠用，任務無法及時完成，時間管理完全亂套。
這時為了趕時間，學習開始浮躁，聽課、看書、做題都停留在了表面上能看懂、細節不理解、推不出來的情況。由於基本功不夠，考試時遇上簡單的題也會做錯，難題更加不會做，甚至覺得考試和上課根本不是一回事。這時學生更加堅信是自己題目做得不夠多，但實際上是根本沒有更多的時間去做題。
（4） 學習狀態。學習上出了問題，學生首先想到的是自己的問題，可能自己智商不夠，不夠努力，題目做得不夠多，那麼解決的辦法是笨鳥先飛，應該更加努力地學習。但是根本學不懂，這時又不想讓別人覺得自己很「菜」，不好意思問同學、助教、老師，只能勉強自己學習，長期的逼迫壓抑，思維開始停滯。大腦為了保護自己，避免受到進一步傷害，就開始注意力不集中，容易轉移到其他事情上——打遊戲，睡覺，至少不會過度傷害大腦。面對根本不可能完成的學習任務，無力感、無助感就出現了，開始曠課、沉迷遊戲，至少在其他事情裡不會那麼無助、痛苦。時間久了，興趣就轉移了。有的學生經受打擊之後，懷疑自己其實並不適合學物理，趁早轉系去學一個自己能學明白的專業，儘管這樣做沒有找到解決學習問題的根本方法，但確是一個有效合理規避問題的好辦法。
（5） 學業和心理問題。如果沒有找到有效解決問題的方法，那麼在這種學習狀態下，掛科、緩考、曠考就是必然的了，積累下來，就是學業警告、試讀、退學。
在心理上帶來的最大衝擊就是失去自信，尤其是看到身邊有人比自己優秀，學習看起來很輕鬆的時候。由於中學一般成績都還不錯，否則也不能考上好大學，這時的心理落差就更大，無法接受自己的不完美。由於大學成績一般，也不再有人關注誇獎自己，而自己又找不到改善的辦法，這時情緒會向兩個極端發展。一種是壓抑，感覺自己太差了，人生沒有意義，躲在宿舍不見別人，逐漸把自己封閉起來，長期壓抑的結果造成身體多巴胺分泌異常，形成了事實上的身體傷害。一種是焦慮，煩躁，情緒崩潰，出現傷害自己和他人、損壞物品等行為，長期積累的效果也會導致身體的損傷，比較常見的如肝功能異常。甚至有人兩種情緒都有，出現雙相情感障礙。
需要注意的是其他的原因，如情感、家庭、社會、生存壓力等，也能造成類似的心理傷害，學業問題僅僅是其中的一種。只是由於在高校裡，學業問題是學生面臨的主要壓力來源，所以學業問題成為心理問題的一個主要誘因。
4 綜合設計應對策略——ETA物理學習法
分析清楚了學習困難背後的原因，相應的解決辦法也就可以找到了。首先要解決怎麼學的問題，再解決怎麼學好的問題。
4.1 怎麼學
其實就是按照認知規律學習，也就是將ETA物理認知模型作為思考的模式，按照這個模型的導航，收集整理相應每個步驟需要的知識。整個知識體系串起來就是一個圍繞研究對象展開的思維導圖。其中實驗認知部分需要記憶，理論認知部分需要推導，應用認知部分則在理解實驗認知、理論認知的基礎上再做推導。一定要明白的是，物理也是需要記憶的，不是只有公式推導。在這個過程中，還要理解這些認知是怎樣構建起來的，需要用到哪些物理方法。更加重要的是要學會物理學家做人的方法，尤其是在實驗認知、理論認知的探索模式中需要的積極樂觀精神，具體來說就是不怕失敗、勇於探索、包容開放、善於規劃等精神。
但這是理想情況，實際情況是有很多約束的。例如學生學習時間有限，學習效率相對較低，不知道學到什麼程度。這時怎麼辦呢？這就涉及到學習內容的選擇、學習方式的設置、學習程度的檢驗。
學習內容的選擇。這取決於多種因素，對學習困難的學生來說，學習內容越少越好。在教師水平尚可的情況下，學生可以將學習內容限定在教師上課講的內容和布置的作業題上。這樣選擇，一定程度上是為了滿足考試的最低要求，通常教師為了鼓勵學生認真學習，有部分考試內容是直接和上課內容、作業題相關的。即使看起來很難的題目也可以通過邏輯分析和課堂內容、作業題關聯起來。如果教師教學水平不足，則可以找一本最薄的教材或者最簡單的網絡課程作為學習內容。這裡學生有個誤區，總覺得學得越多越好，這是受應試思維影響了。應試條件下，學生追求的是不能錯，所以要記住所有要求掌握的知識，考試時才有可能不錯。但在學習都困難的條件下，應該採用實驗認知、理論認知的探索認知模式，採取積極樂觀的態度，先立足於最低要求，學懂一點總比學不會強。千萬不要給自己樹立一個高不可及的目標，否則執行時會不斷受到打擊，心理上就崩潰了。應該設定觸手可及的小目標，一點點前進，不斷形成正反饋，有了成就感，自信才會建立起來。選定學習這些內容後，就可以按照ETA模型導航，將學習內容分為實驗認知、理論認知、應用認知，該記憶的記住，該推導的理清楚邏輯。即使學習內容不完整，有些地方邏輯不會推導，也沒關係，至少將該學的內容先記住再說。真的完成了最低要求，如果還有時間精力，則可以繼續按照ETA模型導航，探索完整系統的認識。
學習方式的設置。前面分析過，學生受中學應試訓練的影響，加上中學題目總是可解的，總覺得什麼都是可以推導出來的，所以他們在學習大學物理內容時，也希望什麼都可以自己推導出來。然而在實際執行時，他們就會發現一方面根本不會推導，另一方面也沒有足夠時間。所以在學習方式上也要做出新的設置。同樣採取積極樂觀態度，首先立足於「學」，再進步到「思」，也就是要處理好「學」和「思」的關係。顯然模仿學習的難度要比「獨立思考」的難度要低，所以在完成學習任務時，應該把絕大部分的內容都用「學」的方式來完成。也就是在遇到困難的地方，或者直接去看任課教師的相關講解，或者翻閱教材的相關部分，或者網上查找相關內容（由於疫情的緣故，絕大部分課程現在都有網上慕課），更直接的是問同學、助教、教師，包括不會做的作業題，可以直接看答案。但也要注意，應該留一點點內容，例如四道作業題中留一道題目，甚至只留一個題目中的一小問，通過「思」的方式來學習，也就是給自己留一點點挑戰的小任務，用來鍛鍊思維、提高能力。對於學習狀態好的學生，留給自己的挑戰任務可以難一點、多一點，但對於學習狀態不好的學生，這種挑戰剛開始的時候越少越好，甚至可以沒有。這個過程可以形象地類比為，先爬上巨人的肩膀，然後再往上跳一跳。而什麼都自己推導的思路，就相當於幻想自己短時間內可以成長為巨人，顯然不切實際。實際上，真實的科研過程也是這個思路，先做文獻閱讀，了解和學會最前沿認知，再往前進步一點點，就可以領先了。
學習程度的檢驗。本來系統的檢驗方式應該是按照ETA模型導航，看每一步的認知目標是否完成。但在實際執行中，學習困難的學生往往缺乏經驗。這時可以用一個模糊但有效的判據，即在不看書和答案的情況下，看是否能給別人講清楚，或者，能否在一張白紙上把相關的內容都順暢地寫清楚。這種方式之所以有效，是因為他人和自己的認知規律本質上是一樣的，給別人或者自己講解的過程就相當於做實驗檢驗，不符合認知規律的理解通過實驗就被證偽了，這樣就能發現哪部分認知有缺陷。需要注意的是，因為學習方式主要是學，學是順著別人的思路走，看起來很順暢，有時候就會想當然，總會忽略一些細節，所以檢驗的時候經常容易卡住。這時不要受應試思維的影響，認為這是智商低的表現，相反應該覺得高興，因為檢驗環節的設置本來就是為了幫助發現哪些內容還沒有掌握，此時應該繼續學習巨人的想法，爬上巨人肩膀就好了。實際上人類對未知對象的認知能力是非常有限的，過程也非常漫長，例如克勞修斯建立熵的概念用了15年時間，而我們在課堂上大約2個小時就講完了。所以學習新知識遇到困難是再正常不過的事，相反，中學這種什麼都能推導出來的狀態才是不正常的。
4.2 怎麼學好
以上解決的是怎麼學的問題，懂了這些是不是就能考好了呢？不一定的。因為考試好還有一些細節上的要求，這時要解決如何學好的問題。首先要保證對學習內容足夠熟悉，熟能生巧，考試時才可能把難題做出來。其次還要保證時間精力的持續投入，打持久戰，完成從量變到質變的飛躍。最後還要設置好學習環境，保證大腦的學習狀態。
重複記憶，熟能生巧。為了對內容足夠熟悉，其實就是要重複加強記憶。一個有效的辦法就是每天都學習這門功課。每天重複，當然就會記憶深刻。在中學，這種重複的過程是靠做題完成的；在大學，這個環節幾乎沒有了，教師上課甚至不講例題，所以需要學生自己在學習日程上安排這個環節。最忌諱的就是突擊學習一下，然後又好多天不學，本來學得就不牢固，很快又遺忘了。
但學生不是只學一門課程，通常學生每個學期會有5～7門課程，這些課程都要每天學習嗎？時間夠嗎？顯然每門課程都需要每天學習。有人會認為這不可能，因為學一門都很費勁，怎麼可能每門功課每天都學，時間根本不夠。其實真的執行下來就知道，由於主要採取「學」的方式，所以完成學習任務的時間會大幅縮短。當天學新內容需要的時間會多一點，但第二天複習的時候，這個時間就會縮短，第三天再複習的時候，時間會更短，往往十多分鐘就可以完成。這樣就有充足的時間，每天復盤，不斷加強記憶。一般的經驗是，每天聽課、自學、做作業、復盤的時間在8～10個小時就足夠了，能堅持一個學期就會有明顯效果，能堅持兩年就非常優秀了。
持續投入，打持久戰。顯然這種學習過程是持久戰的過程，而這時就需要時間和精力的持續投入。為了保證精力充沛，最重要的是要睡眠好，然後是營養和鍛鍊。這就要求養成固定的作息習慣，按時睡覺，按時吃飯，保證營養（可以學習一點兒營養學的基本知識），堅持每天鍛鍊（需要學習一點兒鍛鍊的常識，劇烈運動不適合每天進行，柔和一些的有氧運動可以每天都有）。學習日程安排上最好也是固定時間做固定的學習。其實就是讓身體和大腦養成習慣，形成慣性，容易持久。
優化環境，保證狀態。最後需要注意的是學習環境的設置。通常較好的環境是圖書館、自習教室，這些地方的環境設置就是適合學習的，而且周圍都是努力學習的同學，自己也不好意思不學。顯然宿舍不是一個好環境，宿舍本來的設置就是為了睡覺休息，在宿舍學習很可能一會兒就躺下睡了。
5 結語
本文主要聚焦的是學生大學物理學習困難的現實問題，描述了典型的學習困難發展進程，討論了學生的自我反省，分析了學業困難現象背後的原因。分析的理論依據是ETA物理認知，即ETA物理認知模型、物理方法、物理精神。本文所提出的ETA物理學習法，即應對學習困難的有效策略，主要解決了如何學和如何學好這兩個問題。
如何學的策略其實就是要突破中學應用認知教育帶來的局限，也就是應用認知模型以及相對應的做人做事方面的局限，學會全面系統的ETA物理認知模型、物理方法、物理精神，其本質就是學會科學認知能力，即如何思考、如何做事、如何做人。從整個分析中，我們可以看到這三個方面是一個整體，通常情況下如何思考決定了如何做事、如何做人。完整的認知能力才能有效解決學生面臨的問題。
如何學好的策略其實就是學習習慣的養成，解決的是熟練程度和持久學習的問題。習慣的養成在開始的時候總是不太習慣，需要一個適應期，堅持一個月左右就基本形成新的習慣了。其實就是身體和大腦都適應了。
如果能將這套策略堅持下來，熟能生巧，學習效率就會提高，就可以節省出時間去探索更多有意義的問題。完整的認知能力培養，特別是探索能力的增強可以為個人發展尋求更多方向和空間，就可以有效解決內卷帶來的心理問題。希望本文的研究對學習有困難的學生能夠起到一些幫助作用。
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作者簡介: 穆良柱，男，北京大學物理學院教學教授，主要從事普物教學、物理認知研究等工作，muliangzhu@pku.edu.cn。
引文格式: 穆良柱. 什麼是ETA物理學習法——基於物理認知規律的大學物理學習困難現象分析與應對策略[J]. 物理與工程，2022，32（2）：網絡首發.
Cite this article: MU L Z. The ETA physics learning method：The analysis and solution of physics learning problems for undergraduate students based on the physical cognition theory[J]. Physics and Engineering, 2022， 32（2）：online first. (in Chinese)
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