有一種錯(cuò)誤叫直覺。
個(gè)體正確直覺知識的合集是常識。
美國大學(xué)中的物理教育中重視洗去學(xué)生頭腦中錯(cuò)誤的直覺知識，而在中國大學(xué)中，這僅僅只有少數(shù)教師認(rèn)識到這一點(diǎn)的重要性。
沒有能力對自己的直覺進(jìn)行自我批判的大學(xué)生，將注定不過是社會的看客。
一，直覺來自經(jīng)驗(yàn)而非理性, 出錯(cuò)很正常
“一百斤的鐵塊和一百斤的棉花，哪個(gè)重? ”
在我小學(xué)的時(shí)候，常常被問及這個(gè)問題。中學(xué)學(xué)習(xí)物理后，知道質(zhì)量和重量的區(qū)別。如果說這個(gè)“一百斤”指的是50千克的質(zhì)量，則一百斤的棉花的確要輕一些。再問：
“一百度的開水和一百度的水蒸汽，哪個(gè)更燙? ”
燙是人體對冷熱的感覺，這個(gè)感覺的不是溫度，而是熱量的聚集，本質(zhì)上是熱流。以不燙傷為基本要求，同樣短暫的時(shí)間內(nèi)，一百度的開水無疑會更燙。
這兩個(gè)問題考什么? 20%是考知識，而80%是考直覺。沒有人保證說他的直覺永遠(yuǎn)正確。1983年Scientific American 4月號上的文章《Intuitive Physics》報(bào)告了如下的測試結(jié)果：“盡管牛頓定律已眾所周知，測試卻表明很多人相信運(yùn)動的物體以另外的方式運(yùn)動。測試對象傾向于沿用牛頓之前三百年的理論。”這代表了當(dāng)時(shí)美國教育界的一種思潮，經(jīng)過30年的不斷探索，今天的美國教育界似乎已經(jīng)發(fā)展出若干種對策。在美國，教學(xué)改革和研究遍及一二流的大學(xué)中。2012年8月5日至8日，中美物理教育高層論壇(有興趣者請下載文件包“美方報(bào)告ppt”)上，美方代表介紹了美國物理系的一些先進(jìn)的理念及其做法，令人耳目一新。
二，對中美大學(xué)教學(xué)的一個(gè)根本性差別的思考之一
中美大學(xué)中理工科大學(xué)新生掌握的物理知識的總量，有差不多一倍的差距，明顯美不如中。但是他們的科學(xué)思維的能力卻基本接近。
Science 2009年一月號發(fā)表了美籍華人鮑雷教授的研究論文《Learning and scientific reasoning》，文章通過定量的數(shù)據(jù)，揭示了一個(gè)長期認(rèn)為正確的信念：知識總量和理性批判能力之間沒有關(guān)聯(lián)。有關(guān)研究的具體數(shù)據(jù)如下
但是進(jìn)入研究生階段后，中國學(xué)生遠(yuǎn)不勝美國學(xué)生。這是為什么?
中國的大學(xué)教育過分注重使知識總量的增加。而不注重對直覺能力自我批判能力的培養(yǎng)。學(xué)生知識和創(chuàng)造性的關(guān)系就象透鏡的成像和分辨率的關(guān)系一樣，經(jīng)過大學(xué)之后，像大了，分辨率卻沒有改變。
三，對中美大學(xué)教學(xué)的一個(gè)根本性差別的思考之二
David Sokoloff 教授(University of Oregon, Past-President of AAPT, Winner of the American Physical Society’s 2010 Excellence in Physics Education Award)在中美物理教育高層論壇(清華大學(xué)、2012年8月5日至8日)上，作為美方代表之一，介紹了美國大學(xué)教師對學(xué)生直覺知識自我批判的認(rèn)識，結(jié)論如下：
•Students come into the introductory physics course with definite views (often wrong) about physics concepts based on their experiences. (學(xué)生來到課堂，不是空空的腦袋，而常常帶有錯(cuò)誤的物理概念)
•Physics education research shows that the vast majority of students leave a traditional introductory physics course with the same (incorrect) views, and little understanding of physics concepts. (學(xué)生學(xué)習(xí)物理，幾乎不懂物理概念)
那么，美國教師如何設(shè)計(jì)習(xí)題? 先設(shè)計(jì)一些題目“挖坑”，讓學(xué)生猜結(jié)果，發(fā)現(xiàn)總只有30%左右的學(xué)生能猜出正確結(jié)果。然后老師通過一些實(shí)踐性、討論性的環(huán)節(jié)，讓學(xué)生洗去腦袋中的錯(cuò)誤的直覺，摸索出正確答案。在這個(gè)教育思想的指導(dǎo)下，學(xué)生是學(xué)習(xí)過程的中心。
•Making predictions requires students to consider their beliefs before making observations of the physical world. The Interactive Lecture Demonstrations (ILDs) build upon the knowledge that students bring into the course. (未學(xué)先猜)
•With ILDs, the process of prediction, defending the prediction in a small group, and writing down the prediction engages students. They want to know the result. (相互比較猜想)
•The disequilibrium set up by the difference between prediction and observation inspires effective learning opportunities. (猜想和正確結(jié)果的有差異激發(fā)思索)
•Student knowledge is constructed from observations of the physical world, thus building students’ confidence as scientists. (自己摸索出的物理學(xué)才是有血有肉的物理)
在湖南大學(xué)應(yīng)用物理系，對一些高年級學(xué)生也設(shè)計(jì)了一些直覺測試題。部分題目及其測試結(jié)果如下：
1，一根干面條，垂直墜落到水泥地板上而折斷，問折斷的最可能發(fā)生的部位是頭部，中間還是尾部? （≥70%答：中間先斷）
2，假如一個(gè)氣體由范氏方程描述，那么當(dāng)體積增加到無限時(shí)，是否徹底回到理想氣體? （≥70%答：是）
3，三個(gè)點(diǎn)電荷，符號任意，電量大小任意，能否擺出一個(gè)穩(wěn)定的構(gòu)型? 不考慮質(zhì)量。 （≥70%答：可以，例如擺在一條直線上就可以）
4，能不能理解時(shí)間會有個(gè)起點(diǎn)? （≥90%知道答案，但不能理解，不能接受）
5，一個(gè)處于定態(tài)的粒子，位置不確定，動量也不確定，動能和勢能也都不確定，如何具有確定的能量? （≥90%知道如何計(jì)算，但理解不了這個(gè)問題）
6，雙生子佯謬中，如果遠(yuǎn)處的兄弟突然換乘回程的飛船，地面上的兄弟會看到他的年齡突然跳動即“返老還童”，能否理解?”（≥90%知道如何計(jì)算，但理解不了這個(gè)問題）
四，湖南大學(xué)物理直覺測試題參考答案
1，面條頭部即靠近水泥地板的部位先斷。當(dāng)面條接觸到水泥地面時(shí)，頭部的速度為零，但是，由于面條不是剛體，上面的部分還在“下落”中，會積壓到頭部導(dǎo)致折斷。也就是應(yīng)力集中的部分最易折斷。
2，否。內(nèi)能對壓強(qiáng)的導(dǎo)數(shù)，在無限大體積時(shí)非零。
3，任何電荷體系，如果僅僅只有靜電力，無法維持平衡。就是擺在一條直線上，三電荷系統(tǒng)受力能平衡，但是勢能總是極大。參考：Earnshaw's theorem states that a collection of point charges cannot be maintained in a stable stationary equilibrium configuration solely by the electrostatic interaction of the charges.
4，時(shí)間的起點(diǎn)也是空間的起點(diǎn)。在大爆炸之前，沒有時(shí)空，也談不上奇異點(diǎn)之外的宇宙如何。大爆炸之后，時(shí)間和空間同時(shí)展開。時(shí)空沒有中心點(diǎn)，點(diǎn)和點(diǎn)之間就像球面上的兩點(diǎn)。
5，在量子力學(xué)中，系統(tǒng)處于定態(tài)時(shí)，能量由Hamiltonian算符的本征值確定。它和系統(tǒng)的動量算符、位置算符相互獨(dú)立；但和動能算符和勢能算符不獨(dú)立H=T+V。
6，這根本不違背因果律。這是理想化模型帶來的缺陷，如果考慮一個(gè)緩慢加速的物理過程，會發(fā)現(xiàn)這不過是加速運(yùn)動導(dǎo)致時(shí)間的絕對延緩的一種極端表現(xiàn)形式而已。
本文作者系理論物理博士，湖南大學(xué)教授劉全慧。
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