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摘要：作為描述客觀世界運轉規律的基礎學科之一，物理學中存在著非常嚴密的邏輯體系，并以各式各樣的公式的形式呈現了出來。本文將對如何建立公式體系進行具體的研究和討論，以大學物理教學為例，從對公式進行分類出發，再對建立不同學科板塊中的公式體系進行深入的討論，最后對物理教學中如何提升學生邏輯思維能力展開深入討論。
關鍵詞：大學物理；基礎物理；公式體系
物理學是描述客觀世界規律的基礎學科之一，是理工科學生的專業基礎課程。學好物理課程對提高學生的邏輯思維能力，為以后的專業課程打好基礎，甚至是對更深入地理解客觀世界規律來講，都是非常重要的。然而，物理課程中形式各樣的公式較為繁瑣，對學生來講難度較高，容易產生抵觸或是厭學情緒。在物理教學中引入公式體系教學方法，將公式分類后，引導學生對公式進行分類理解記憶，而不是去死記硬背，將有效地提高學生對物理學科的學習興趣以及學生的個人素質。本文將以大學物理課程為例，對如何建立公式體系進行深入討論。
一大學物理課程中的公式分類
大學物理課程一般持續兩個學期，內容涵蓋力學、波動、熱力學與統計物理、電磁學、光學、相對論以及量子物理等方面，范圍較廣，公式繁多。而從引入公式的層面，可將所有公式分為以下三種類型。
（一）經驗式
顧名思義，經驗公式是由經驗得來，也就是說，是由實驗觀測得來的，反應最基本自然規律的公式。對于這類公式，在教學中的方法只能直接給出，讓學生記下。好在這種類型的公式，通常在一個學科板塊中只有一個。如在力學中的牛頓第二定律和電學中的庫倫定律等。這里用庫倫定律進行舉例。這個公式是通過大量實驗所得來的關于帶電物質之間相互作用力的經驗公式。但是，為什么不是和電量成反比，或者為什么不是和距離的一次方成反比，甚至，為什么同性相斥異性相吸？這些問題我們是無法去討論的，我們只知道，自然規律就是這樣的。作為物理學科的研究者，我們需要做的事情是發現規律，研究規律，然后利用規律。因此在進行這一類公式的教學過程中，除讓學生記住公式形式以外，還應該引導學生提出質疑，讓學生明白如何去了解和運用自然規律。
（二）定義式
除經驗公式以外，為描述自然規律，還有一系列人為引入的物理量，如電場強度、電勢、電勢能等。引入該物理量的公式就是定義式。定義式是恒等式，任意情況下其形式都不改變，因此為與一般等式進行區分，可用三橫等號表示。在物理教學中，引入一個新的物理量一般都是教學重點和難點。這里需要注意的是，定義式與前面所講的經驗式從根本上來講是完全不一樣的，因此教學方法也一定要有所區別。定義式是人為引入的，引入時充滿了人的思維方式，因此引導學生理解引入這個物理量的基本思路是非常重要的。這里用電場強度定義式來舉例。如果像庫倫定律那樣，直接給出公式讓學生進行記憶，對于學生理解和運用這個公式都是非常不利的。首先，從實驗的角度講解為何要引入電場強度這個概念。庫倫定律描述的是電量和受力的關系，而人們發現在空間的一個確定點上，兩者之間的比例是一個不變量，能夠更加直觀地反映出該點的性質，因此引入了電場強度的定義。另外還可通過點電荷的庫倫定律，提出與空間確定點相關的不變量，如基本物理常數，點電荷電量以及兩電荷之間距離得出。還可以讓學生思考，同樣可以反映場內確定點上的不變量，為何引入電場強度時不是用電量比上受力？當理解這些問題以后，學生就可清晰地接收到引入思路，自然而然地接受這個公式。
（三）推導式
由于物理學具有非常嚴密的邏輯結構，在引入經驗式和定義式的分類以后，剩下的所有公式都可被分為第三類，也就是由經驗式和定義式結合推導而來的公式。推導式數量繁多，不同條件下會有不同變形。從考試的角度來講，其地位重要，與解題過程的直接關聯性最大。在講解推導式的過程中，首先需提及其所涉及的基礎公式，然后給出具體推導過程直至得出最終結論。這里需要學生理解公式的來源，接受公式之間推導的邏輯關系，最后掌握得出的推導式結論。對于推導過程較為繁瑣的公式，也可建議學生對其結論進行記憶，以便考試時能夠直接進行運用。
二不同學科板塊中公式體系討論
大學物理教學內容涵蓋面廣，普遍涉及基礎知識，涉及板塊較多。本文中討論的公式體系法并不適用于所有板塊，其中有以下兩個原因：第一，對本質體系較為簡單的板塊，如波動學和相對論，基礎物理中涉及的公式較少，直接理解即可，無需分類整理；第二，某些板塊中還存在學科本身體系并不連貫的性質。如基于統計的熱力學，內部分類相對獨立的光學等。本節將對除去以上板塊以外的內容進行討論。
（一）質點運動學
運動學中，以牛頓第二定律為開端，可分為力在空間和時間上積累兩大路線。通過引入功的概念，也就是力在空間上的積累，結合牛頓第二定律，則可引入動能定理、機械能守恒定理等。另一條路線則是通過引入沖量的概念，也就是力在時間上的積累，同樣結合牛頓第二定律，引入動量定理、動量守恒定理等。
（二）剛體力學
在剛體力學中，關鍵點是基于學生比較熟悉的質點運動學給出在剛體力學中相應的新物理量，并掌握剛體力學中新物理量與質點運動學中所熟悉的物理量之間的對應關系。最早引入的是力矩，相應于質點運動學中力的概念。其次是轉動慣量，相當于質量。有了這兩個新物理量，就可得到轉動定律，相當于質點運動學中的牛頓第二定律。然后可以分成兩條路線，一條對應功的概念得出剛體力學中的動能定理、機械能守恒定理；另一條結合動量矩的概念得出動量矩守恒定理。當公式體系完整以后，可給出剛體力學與質點運動學中公式的對應關系，方便學生理解和記憶。
（三）電磁學
電磁學一般分為靜電、靜磁、電磁感應三個板塊。靜電從庫倫定律出發，引入電場強度概念后，一條線是從做功的角度引入電勢能，以及后續一系列相關概念如電勢、電容及相關定理或推論。另一條是結合疊加原理得出高斯定理，并結合導體和電介質的相關屬性得出后續結論。靜磁從磁感應強度概念開始，求解受力和做功是一條線，另一條線則是從畢薩定律出發，結合疊加原理得出安培環路定律以及后續結論。電磁感應由引入電動勢概念出發，結合法拉第電磁感應定律，然后聯合靜電和靜磁的結論，最終得出麥克斯韋方程組。由于本文中以大學物理課程為例，本節中對公式體系的探討較為淺顯。但對于涉及更深知識層面的專業課程，本方法同樣適用，只需對基礎層面的公式體系進行延伸即可將該課程的主干搭建完成。
三建立公式體系對提高邏輯思維能力的作用
在當下信息獲取非常方便的現代化社會中，相比知識而言，方法和體系的重要性就變得更加明顯。由于高考制度，導致小學和中學的教育較為傾向于應試教育，也就是說更加注重知識而不是方法和習慣。但在信息爆炸的今天，只要離開了閉卷考場，任何知識層面的東西輕而易舉就可以獲得。因此作為學生走向社會之前緩沖區的大學教育，就不應再過于注重知識，而應該更加注重素質。對于物理教學，這點轉變尤其明顯。在中學時，由于無法講授微積分、矢量運算等基本知識，很多結論只能讓學生死記硬背。而到了大學階段，一切需要構建體系的內容都已準備完畢，我們更應該邏輯嚴密地將整個物理世界搭建的過程呈現在學生面前。物理學作為自然科學的基礎學科之一，具有非常清晰的體系和嚴格的邏輯關系。因此學好物理基礎課程的重點，不應該再是記住相應的公式定理，而是掌握其中的科學邏輯思維，并且學會自己對凌亂的體系進行信息提取和總結整理，以培養學生個人的邏輯思維和整理能力。甚至不僅是對理工科學生，對任何人而言，良好的邏輯思維能力都是必不可少的重要素質之一。通過在教學中引入公式體系法，引導學生將不同的知識點串聯起來，掌握其中的脈絡。同時也需要強調這種邏輯整理能力的重要性，希望這樣的好習慣能伴隨他們的一生，為生活中的各項事務提供更高的效率。本文以大學物理教學及相關知識為例，對如何建立公式體系進行了深入討論。但本文中的思想并不僅限于大學物理課程，還適用于其它具有明確邏輯關系的理工科課程。如果把一門課程的內容比做一棵樹的話，知識是樹葉，體系是樹干。由于知識與考試的關聯更為密切，常常導致學生們更加注重知識的學習而在考前死記硬背。由于記憶時對知識并沒有進行梳理，記憶是混亂且碎片化的，考完試以后很快就會忘記。而走出考場面向人生以后，真正有意義的是個人能力和素質。因此，引導學生學會自己建立樹干，掌握課程的體系，提升邏輯思維能力才是更重要的。在基礎物理教學中引導學生建立公式體系，掌握梳理學科中主干脈絡的方法，系統地對課程中的信息進行記憶，將有效地提升學生的個人素質。
參考文獻
[1]吳百詩.大學物理（上下冊）[M].西安:西安交通大學出版社,2009.
[2]程守洙,江之永.普通物理學(上冊)(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
作者:江淼 李英駿 單位:中國礦業大學(北京)理學院
