什麼是ETA物理認知模型

2019年10月教育部印發《關於深化本科教育教學改革 全面提高人才培養質量的意見》、《教育部關於一流本科課程建設的實施意見》，強調本科教學的重要性。物理教育作為基礎科學教育顯然是尤其需要重視的。要想做好物理教育，則要理解什麼是物理，更要研究清楚物理認知的基本規律[1-3]，再根據認知規律的指導去做好物理教學，否則就只能跟著國外的所謂先進教學法迷失方向了。本文將介紹對物理認知規律的總結，即ETA物理認知模型。

物理本質上是人類對整個自然界形成的可證偽的系統化認知，物理學家最終的目標是試圖用少數幾個基本原理解釋整個自然界，然而在實際的認知過程中，是要明確到一個具體研究對象而展開認知的。這個研究對象如何選取？確定之後如何才能構建出一套物理的認知呢？我們可以根據物理學家在實踐中的嘗試總結歸納出一個物理認知模型——ETA物理認知模型，如圖1所示。

ETA物理認知模型由11個具體認知步驟構成，可以劃分為實驗物理認知、理論物理認知、應用物理認知三個認知階段，實驗物理認知和理論物理認知對應的是科學探索過程，應用物理認知則對應技術應用過程。注意這裡實驗物理、理論物理、應用物理的含義和通常大家概念中的理解有一定區別，這裡強調的是其認知上的含義，而不是知識角度的理解。為了實現每個認知步驟的目標，要採取相應的物理方法，也就是物理學家做事的方法，而貫穿每個認知步驟的是物理學家追求真理、積極樂觀的物理精神，即物理學家做人的方法。下面分步驟解釋整個認知過程。

1.1 實驗物理認知

1.1.1 觀察物理現象

物理認知的第一步就是用人天生的感知能力去觀察世界，其實從嬰兒有了感知能力，就已經開始了這個過程。儘管物理是為了研究整個自然界，但真的去觀察這個世界時，會發現太複雜了，所以實際研究時總要想方設法地簡化研究對象，這時常用的一個方法就是分類法。稍微了解一點自然科學的人都知道，分類法在自然科學認知中有廣泛的應用，比如生物學家的域、界、門、綱、目、科、屬、種分類法，物理學家的力、熱、電、光等。分類法的好處在於，同一類的對象可能有共同的規律，所謂規律是不變的性質，當你解剖一隻麻雀了解其結構之後，你就可以猜想所有的鳥類可能都和麻雀的結構差不多，所以有「麻雀雖小，五臟俱全」的說法。分類法簡化了對同一類對象的共同性質的認知，讓我們有可能從同一類對象中挑選最簡單的那一個進行研究，然後將認知推廣到同類其他對象。牛頓之所以對「蘋果會下落，月亮卻不下落」感到驚奇，就是因為蘋果和月亮都是被地球吸引的同一類對象，儘管運動性質卻看起來完全不同。

1.1.2 挑選研究對象

觀察物理現象進行分類後就要具體挑選研究對象了，這時往往挑選同一類中最簡單的那一個，如果最簡單的還不夠簡單，則還可以極端簡化，甚至採用還原論的方法，將其拆開成更簡單的對象。例如研究月亮繞地球運動時，月亮和蘋果是同一類對象，顯然研究一個蘋果在地球吸引下的規律是更簡單的，至少可以隨便扔蘋果，扔出豎直上拋、平拋、斜拋等各種現象，這些都是研究月亮運動的線索，如果覺得蘋果還不夠簡單，還可以將其簡化成一個小球。如果不得不研究一個複雜對象，但是沒有最簡化的案例代表，那麼可以採用還原論的方法，將複雜對象拆成簡單對象，之後再組合，這種方法在整個西方科學體系中是最廣為人知的了，物理研究對象最徹底，從最大的宇宙一直拆到最小的夸克、輕子等基本粒子。

1.1.3 明確研究問題

挑出最簡單的研究對象之後，還需要明確研究問題，這是因為一個對象往往涉及的物理性質有很多，這裡為了挑出要研究的問題，常用主次法。一個簡單的小球，其基本屬性是運動，以及由於運動帶來的能量、動量、角動量等屬性，這個小球有可能還帶電，這樣又涉及電性質，而帶電電荷運動起來還涉及磁性質，如果小球再碰上光子散射，可能又涉及光性質。所以在研究時不得不明確自己的研究問題，即挑選出最想研究的性質，例如，如果我們只關心小球的運動性質，那麼就不要把電、磁、光等其他性質牽扯進來。這樣的方法可以簡單地稱為主次法，這種方法往往能簡化問題的複雜度，當然也可能帶來近似，因為暫時丟棄了一些次要因素。

1.1.4 量化描述性質

明確了研究問題之後，就需要對問題所涉及的物理量進行量化描述，這是物理認知走向精確量化、公理化的關鍵一步，量化描述時常用類比法、轉換法等。物理性質的量化描述就是定義和觀測物理量。例如描述小球平動，需要定義時間、位移、速度、加速度、質量、動量。給出這些定義時，經常用類比的方法，比如位移的概念直接類比人的視覺感受，位移大小可以類比人腳的特徵長度，時間的長短可以類比地球自轉周期（日）、月球公轉周期（月）、地球公轉周期（年）。而有些物理量無法直接類比，就可以用轉換的方法變成可直接測量的，比如溫度的概念可以直接類比人的冷暖感受，可是溫度大小的測量在水銀溫度計中就不得不轉換為水銀長度的測量。

1.1.5 尋找實驗規律

在定義測量了各種物理量之後，接下來希望做的是找到這些量之間的關係，即經驗規律，而尋找這些實驗規律時常用極端條件法、控制變量法。為了探索實驗規律，就要各種折騰研究對象，觀察記錄實驗現象，比如小球運動，勻速直線、自由落體、斜面下滑、平拋、斜拋。然而，為了找出和需要研究的問題有關的各種因素，往往需要用極端條件。伽利略理想斜面實驗中，沒有摩擦力的極限條件下，小球運動會如何？牛頓在地球表面平拋小球實驗中，讓小球的速度越來越大，推到極限會如何？兩個質子在極端高速下相撞會如何？很多神奇的物理現象都是在極端條件下發現的。為什麼要用極端條件法呢？極端條件實際上是將某個因素推到極限，壓制其他因素，從而凸顯該因素對所研究問題的影響。從另一個角度說，極端條件往往也是認知的邊界，突破這個邊界自然可能有驚喜。極端條件往往也伴隨著極端的技術進步。尋求物理量之間關係時，如果只有兩個物理量當然是簡單的，但實際上常常涉及兩個以上變量，這時就常常用控制變量法，即控制一部分獨立變量不變，只研究兩個變量之間的關係。比如熱學中理想氣體三定律，其實就是分別控制壓強、體積、溫度不變時得到的規律。

1.2 理論物理認知

人的認知並不滿足於只得到一系列經驗規律，因為這像盲人摸象一樣，得到的是看起來沒有關聯、片面的、大量的非系統化認知，這時物理學家開始探索整頭大象的圖像——這些經驗規律背後更簡單的原因，即追求公理化認知系統，這種認知系統實際上是從數學認知系統借鑑的。如果能從經驗規律中找到基本公理，或者假設基本公理，並只用數理邏輯系統化推導出所有的經驗規律，這將是物理認知系統極大的簡化與進步，特別是這讓我們看起來構建了整頭大象的圖像。

1.2.1 建立理想模型

為了建立這個理論，第一步要做的事情是建立模型，此時常用理想模型法。常見的如質點、理想氣體、點電荷、電流元、理想流體、夸克等等。顯然這些模型都是極端理想化的，是同一類研究對象中最能體現共同本質，而又最簡單的代表，或者是採用還原論的想法，人為拆解出來的理想對象，顯然，理想模型法是對實際對象的一種近似法。

1.2.2 建立公理認知

在理想模型的基礎上，就可以嘗試構建公理化認知體系了，而這時常用的方法就是數理邏輯法、簡單歸納法、猜想法等。顯然這時要求邏輯上是嚴格的，必然使用基本的數理邏輯方法，比如分析法、綜合法、反證法、歸納法等，實際上整套公理化認知都是數理邏輯。公理化體系中，公理選擇並不是唯一的，如何選是非常重要的，不同的公理選擇可能會導致整個體系看起來截然不同，當然物理量定義不同也會影響公理化體系，選擇的一個常用標準是要使得整套公理化體系儘量簡化優美，即奧卡姆剃刀。公理可以從已有的經驗規律中簡單歸納，例如熱力學第一定律可以看成是經驗規律的總結，也可以從已有的實驗規律中反推出來，但無論如何，公理都只是一個猜想。猜想法其實往往是基於研究者以往的經驗積累和現有研究對象之間的關聯產生的，無論怎麼產生出來，我們都假設這是一個公理，然後將其推廣適用於同一類的研究對象，其正確與否是和實驗檢驗相關聯的，如果是錯的，一定會被證偽。所以猜想法只是一種有效的思維方式，並不是嚴格正確的數學邏輯。有趣的是，這種不怎麼嚴格的簡單歸納法、猜想法給我們帶來很多認知上的突破，數學中也有很多類似的案例，比如著名的黎曼猜想、龐加萊猜想等。

1.2.3 實驗證偽檢驗

構建了公理化體系認知後，有一個很關鍵的問題是，這套理論對不對呢？物理的認知邏輯要求可以用實驗來檢驗，但是不可證偽的理論，實驗檢驗是沒有意義的，因為它總是對的；而可證偽的理論，儘管實驗不能證明其正確，但是如果理論是錯的，則一定可以被證偽，這樣留下來的理論就有可能是正確的。這裡物理學家充分體現了一種積極樂觀主義精神，儘管我們希望追求的是真理，但在不可能的情況下，退而求其次，一個有效理論也總比什麼都沒有強。實驗證偽時常用特例法。模型和公理化體系建立後，原則上該研究對象的某一類性質都可以由公理化體系完備自洽描述，自洽性是邏輯的自然要求，而完備性則是能推導出該研究對象的所有相關性質，這樣一來就可以對研究對象的行為進行預言了，而這些預言是可以用實驗來檢驗的。受限於實驗條件或者理論推導的困難程度，這些預言往往是針對一些極端的特例，比如廣義相對論預言日食時星光偏轉，統計物理預言低溫時玻色愛因斯坦凝聚等等。儘管只是特例，但只要實驗與理論不符合，就可以直接證偽理論。證偽的關鍵意義在於找到理論有效的認知邊界，在邊界內，這套理論是有效的，邊界外，理論失效，需要重新構建。實際上，可證偽性保證了物理認知體系是個開放體系，是探索性的認知模式，可以不斷發現新的認知，而不可證偽的理論則是封閉體系，劃定範圍後再也無法跳出來。人類歷史上，這兩種方式都曾經採用過，中世紀的歐洲採用封閉的認知體系後，經歷一千多年的黑暗時期，而文藝復興後採用開放的可證偽的認知體系，則在短短幾百年內實現了工業技術革命、信息技術革命，並且邁入了生物技術革命，人類認知甚至強大到超越人類所能承受的程度。

1.3 應用物理認知

一旦知道了物理認知的邊界，就可以在邊界內到處應用這些認知了。首先可以解釋以前發生過的現象，否則理論就錯了，其次還可以預言將會發生的現象，否則理論就失去了意義，而面對當下時，這些認知可以指導人類去和世界交互，進行各種技術發明創造。應用物理認知階段常用的方法是類比、邏輯推理等。最直接的應用就是類比，找到一個差不多的研究對象就套上去試試，有時類比不是那麼直接，那就需要做一些邏輯推理。在做技術應用時，需要做的類比就更多，要將不同研究對象的特性都類比應用到同一個對象上，例如手機的功能就集成了相機、電腦、電話等各種功能，再本質一點，需要類比應用力學、熱學、電磁學、光學、量子力學等理論。從某種角度來說，應試教育就是應用物理認知階段的教育。

以上就是一個完整的物理認知模型，實際上就是物理認知的規律，這裡為了方便記憶，用實驗物理(Experimental Physics)、理論物理(Theoretical Physics)、應用物理(Applying Physics)的英文首字母將模型命名為ETA物理認知模型。注意這裡對三個名詞的理解和一般的理解是有所不同的，一般會將實驗物理理解為物理實驗，理論物理理解為某種理論體系，應用物理理解為某種應用理論，強調的是其知識層面上的含義，在ETA模型中，則強調的是建立認知層面上的含義。實際上，在實驗物理認知階段，是可以隨機探索、可以完全不懂理論知識的。例如，克卜勒並不懂牛頓的天體運行理論，但這並不妨礙他發現克卜勒三定律。在理論物理認知階段，需要做的是根據有限的實驗線索，構造完整理論的理解，所以愛因斯坦才在《物理學的進化》裡說構建理論的過程像福爾摩斯探案，很多學生和部分教師理解的理論物理其實是應用物理，以為學會一套理論，到處應用就是理論物理了。在應用物理認知階段，實際上並不一定是有了理論才去用，即便是只有實驗規律一樣可以用，例如高溫超導理論並不成熟，但並不妨礙超導量子幹涉器件的發明和使用，所以對應英文的翻譯是Applying Physics，而不是一般使用的Applied Physics。有了ETA模型就可以理解許多和物理相關的問題了。

從ETA物理認知模型出發，可以對著名的錢學森之問——「為什麼我們的學校總是培養不出傑出人才？」給出認知角度的回答。這實際上是因為現有的教育強調的是應用物理認知能力培養，而缺失了實驗物理認知能力培養和理論物理認知能力培養，也就是缺失了科學探索能力培養。從中學的應試教育，到大學教學內容強調為了將來有用，都是想著記住一套有用的理論，然後到處應用。這種認知模式不能全部歸咎於高考指揮棒，實際上更本質的原因是國家發展的需要。新中國成立之初，我們科技落後太多，為了快速趕上發達國家，最好的辦法就是用應用物理的認知方式，快速學習先進科技，然後拿來各種類比使用。這種方式非常有效，改革開放40年，中國已經在高鐵、橋梁、盾構機、電子商務等很多方面處於領先地位，這種有效性讓大家習慣地誤以為科技認知就是這種模式，導致國外沒有的我們不敢做，國外有的我們跟風做。直到現在，大學裡搞科研，靠的是引進人才，而這些引進的人才大多就是把在國外的研究照搬到國內，大學裡搞教學，靠的是學國外的教學內容和方法，比如照搬哈佛的通識教育，照搬在線學習(資源共享課程，開放課程，MOOC)、翻轉課堂 (協作學習，同伴學習，混合式學習)、探究學習 (基於問題的學習，基於項目的學習，基於研究的學習)[4]。這種情況下怎麼可能出傑出的大師級人才呢？大師之所以稱為大師，就是他們對事物有自己獨到的見解，而不是照搬別人的認知。如今國家的發展已經到了新階段，最先進的技術被封鎖，有些領域我們自己就是最先進的，這時再靠應用物理認知模式已經無法支撐國家的發展了，所以國家對教育，尤其是對本科教育提出了新的要求。提高人才培養質量，一流本科課程建設，從教育部頒發的文件中可以看到多處強調「創新」，這裡的創新顯然已經不是應用層面的創新了，因為中國的專利數早就是世界第一了，這裡的創新是對未知探索的創新，是像當年力學、熱學、電磁學、量子力學那樣推動了人類文明的創新。從ETA物理認知模型中可以看到，這種創新需要的是實驗物理認知能力、理論物理認知能力。所以從認知角度看，為了培養能支撐國家發展的傑出人才，物理教育需要按照ETA物理認知模型給出的認知規律，完整地培養學生的實驗物理認知能力、理論物理認知能力、應用物理認知能力。這樣的物理教育可以稱為ETA物理教育，圍繞這種理念設計的教學方法，可以稱為ETA物理教學法，實際上就是按照物理認知規律來組織教學內容，再按照認知的不同階段選擇具體的教學手段。這種教學法的一個優點是，可以在證偽環節，快速帶領學生走到認知的邊界，學生只要再往前邁出一步，就可以超越教師，為認知作出新的貢獻，而這正是教育的核心，否則只能一代不如一代，更不可能出大師了。

ETA物理認知模型實際上是關於物理認知規律的研究結果，或者說是關於「物理研究」的研究，對於未知的物理研究對象來說，ETA模型給出了物理認知的全景導航圖和方法庫。

得到這個模型的過程很漫長，也很痛苦，因為要對物理領域的大量案例進行總結、拆解、歸納，研究出的結論還要有普適性，經得起檢驗，在沒有得到結論之前，甚至會覺得這種認知規律是不存在的，因為太多的故事告訴我們，物理規律的發現看似偶然和幸運。

幸運的是，我們竟然總結出了這套認知規律，並且可以由此去解釋很多和物理相關的問題。例如物理方法[5]，它是指在完成物理認知的過程中所採用的方法，如分類法、控制變量法等，是物理學家做事的方式。再例如物理精神[6]，它是物理學家在認知過程中形成的對自我的要求和約束，如追求真理、積極樂觀等，是物理學家做人的方式。物理方法和物理精神構成了物理學家認知能力的核心，也就是物理文化。物理教育本質上就是傳承這種文化，繼承了這種文化的人構成了物理社區，社區的規則制度則是為了保證這種文化的生存與發展。

物理文化代表的是人類對未知對象的有效探索能力，也是國家未來發展需要的核心能力，如果能讓這種文化普及到國民大眾，成為公民基本能力之一，讓物理文化植根於民族的文化中，顯然對整個國家和民族的進步都有巨大的意義。

參考文獻

[1]萬象有法，物理本色——訪物理學院穆良柱老師[EB/OL].(2015-06-29)[2019-10-30]. http://llt.pku.edu.cn/?p=2024.

[2]穆良柱.什麼是物理及物理文化[J].物理與工程,2019,29(1):15-24.

MU L Z. What is physics and its culture[J]. Physics and Engineering, 2019, 29(1): 15-24. (in Chinese)

[3]穆良柱.什麼是物理與物理的認知過程[J].大學物理,2018,37(1):21-24.

MU L Z. The definition of physics and the process of physical cognition[J]. College Physics, 2018, 37(1): 2124. (in Chinese)

[4]張睿,王祖源,顧牡,等.「網際網路+」環境下大學物理教學改革歷程與趨勢[J].中國大學教學,2019(2):64-67.

[5]穆良柱.什麼是物理方法[J].大學物理,2018,37(2):18-21.

MU L Z. Methods of physical cognition[J]. College Physics, 2018, 37(2): 18-21. (in Chinese)

[6]穆良柱.什麼是物理精神[J].大學物理,2018,37(3):26-28.

MU L Z. What are the spirits of physicists[J]. College Physics, 2018, 37(3): 26-28. (in Chinese)

作者簡介:  穆良柱，男，北京大學物理學院副教授，主要從事普物教學、物理認知研究等工作，[e-mail]。

引文格式:  穆良柱. 什麼是ETA物理認知模型[J]. 物理與工程，2020，30（1）：優先出版.

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