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摘要：作为描述客观世界运转规律的基础学科之一，物理学中存在着非常严密的逻辑体系，并以各式各样的公式的形式呈现了出来。本文将对如何建立公式体系进行具体的研究和讨论，以大学物理教学为例，从对公式进行分类出发，再对建立不同学科板块中的公式体系进行深入的讨论，最后对物理教学中如何提升学生逻辑思维能力展开深入讨论。
关键词：大学物理；基础物理；公式体系
物理学是描述客观世界规律的基础学科之一，是理工科学生的专业基础课程。学好物理课程对提高学生的逻辑思维能力，为以后的专业课程打好基础，甚至是对更深入地理解客观世界规律来讲，都是非常重要的。然而，物理课程中形式各样的公式较为繁琐，对学生来讲难度较高，容易产生抵触或是厌学情绪。在物理教学中引入公式体系教学方法，将公式分类后，引导学生对公式进行分类理解记忆，而不是去死记硬背，将有效地提高学生对物理学科的学习兴趣以及学生的个人素质。本文将以大学物理课程为例，对如何建立公式体系进行深入讨论。
一大学物理课程中的公式分类
大学物理课程一般持续两个学期，内容涵盖力学、波动、热力学与统计物理、电磁学、光学、相对论以及量子物理等方面，范围较广，公式繁多。而从引入公式的层面，可将所有公式分为以下三种类型。
（一）经验式
顾名思义，经验公式是由经验得来，也就是说，是由实验观测得来的，反应最基本自然规律的公式。对于这类公式，在教学中的方法只能直接给出，让学生记下。好在这种类型的公式，通常在一个学科板块中只有一个。如在力学中的牛顿第二定律和电学中的库伦定律等。这里用库伦定律进行举例。这个公式是通过大量实验所得来的关于带电物质之间相互作用力的经验公式。但是，为什么不是和电量成反比，或者为什么不是和距离的一次方成反比，甚至，为什么同性相斥异性相吸？这些问题我们是无法去讨论的，我们只知道，自然规律就是这样的。作为物理学科的研究者，我们需要做的事情是发现规律，研究规律，然后利用规律。因此在进行这一类公式的教学过程中，除让学生记住公式形式以外，还应该引导学生提出质疑，让学生明白如何去了解和运用自然规律。
（二）定义式
除经验公式以外，为描述自然规律，还有一系列人为引入的物理量，如电场强度、电势、电势能等。引入该物理量的公式就是定义式。定义式是恒等式，任意情况下其形式都不改变，因此为与一般等式进行区分，可用三横等号表示。在物理教学中，引入一个新的物理量一般都是教学重点和难点。这里需要注意的是，定义式与前面所讲的经验式从根本上来讲是完全不一样的，因此教学方法也一定要有所区别。定义式是人为引入的，引入时充满了人的思维方式，因此引导学生理解引入这个物理量的基本思路是非常重要的。这里用电场强度定义式来举例。如果像库伦定律那样，直接给出公式让学生进行记忆，对于学生理解和运用这个公式都是非常不利的。首先，从实验的角度讲解为何要引入电场强度这个概念。库伦定律描述的是电量和受力的关系，而人们发现在空间的一个确定点上，两者之间的比例是一个不变量，能够更加直观地反映出该点的性质，因此引入了电场强度的定义。另外还可通过点电荷的库伦定律，提出与空间确定点相关的不变量，如基本物理常数，点电荷电量以及两电荷之间距离得出。还可以让学生思考，同样可以反映场内确定点上的不变量，为何引入电场强度时不是用电量比上受力？当理解这些问题以后，学生就可清晰地接收到引入思路，自然而然地接受这个公式。
（三）推导式
由于物理学具有非常严密的逻辑结构，在引入经验式和定义式的分类以后，剩下的所有公式都可被分为第三类，也就是由经验式和定义式结合推导而来的公式。推导式数量繁多，不同条件下会有不同变形。从考试的角度来讲，其地位重要，与解题过程的直接关联性最大。在讲解推导式的过程中，首先需提及其所涉及的基础公式，然后给出具体推导过程直至得出最终结论。这里需要学生理解公式的来源，接受公式之间推导的逻辑关系，最后掌握得出的推导式结论。对于推导过程较为繁琐的公式，也可建议学生对其结论进行记忆，以便考试时能够直接进行运用。
二不同学科板块中公式体系讨论
大学物理教学内容涵盖面广，普遍涉及基础知识，涉及板块较多。本文中讨论的公式体系法并不适用于所有板块，其中有以下两个原因：第一，对本质体系较为简单的板块，如波动学和相对论，基础物理中涉及的公式较少，直接理解即可，无需分类整理；第二，某些板块中还存在学科本身体系并不连贯的性质。如基于统计的热力学，内部分类相对独立的光学等。本节将对除去以上板块以外的内容进行讨论。
（一）质点运动学
运动学中，以牛顿第二定律为开端，可分为力在空间和时间上积累两大路线。通过引入功的概念，也就是力在空间上的积累，结合牛顿第二定律，则可引入动能定理、机械能守恒定理等。另一条路线则是通过引入冲量的概念，也就是力在时间上的积累，同样结合牛顿第二定律，引入动量定理、动量守恒定理等。
（二）刚体力学
在刚体力学中，关键点是基于学生比较熟悉的质点运动学给出在刚体力学中相应的新物理量，并掌握刚体力学中新物理量与质点运动学中所熟悉的物理量之间的对应关系。最早引入的是力矩，相应于质点运动学中力的概念。其次是转动惯量，相当于质量。有了这两个新物理量，就可得到转动定律，相当于质点运动学中的牛顿第二定律。然后可以分成两条路线，一条对应功的概念得出刚体力学中的动能定理、机械能守恒定理；另一条结合动量矩的概念得出动量矩守恒定理。当公式体系完整以后，可给出刚体力学与质点运动学中公式的对应关系，方便学生理解和记忆。
（三）电磁学
电磁学一般分为静电、静磁、电磁感应三个板块。静电从库伦定律出发，引入电场强度概念后，一条线是从做功的角度引入电势能，以及后续一系列相关概念如电势、电容及相关定理或推论。另一条是结合叠加原理得出高斯定理，并结合导体和电介质的相关属性得出后续结论。静磁从磁感应强度概念开始，求解受力和做功是一条线，另一条线则是从毕萨定律出发，结合叠加原理得出安培环路定律以及后续结论。电磁感应由引入电动势概念出发，结合法拉第电磁感应定律，然后联合静电和静磁的结论，最终得出麦克斯韦方程组。由于本文中以大学物理课程为例，本节中对公式体系的探讨较为浅显。但对于涉及更深知识层面的专业课程，本方法同样适用，只需对基础层面的公式体系进行延伸即可将该课程的主干搭建完成。
三建立公式体系对提高逻辑思维能力的作用
在当下信息获取非常方便的现代化社会中，相比知识而言，方法和体系的重要性就变得更加明显。由于高考制度，导致小学和中学的教育较为倾向于应试教育，也就是说更加注重知识而不是方法和习惯。但在信息爆炸的今天，只要离开了闭卷考场，任何知识层面的东西轻而易举就可以获得。因此作为学生走向社会之前缓冲区的大学教育，就不应再过于注重知识，而应该更加注重素质。对于物理教学，这点转变尤其明显。在中学时，由于无法讲授微积分、矢量运算等基本知识，很多结论只能让学生死记硬背。而到了大学阶段，一切需要构建体系的内容都已准备完毕，我们更应该逻辑严密地将整个物理世界搭建的过程呈现在学生面前。物理学作为自然科学的基础学科之一，具有非常清晰的体系和严格的逻辑关系。因此学好物理基础课程的重点，不应该再是记住相应的公式定理，而是掌握其中的科学逻辑思维，并且学会自己对凌乱的体系进行信息提取和总结整理，以培养学生个人的逻辑思维和整理能力。甚至不仅是对理工科学生，对任何人而言，良好的逻辑思维能力都是必不可少的重要素质之一。通过在教学中引入公式体系法，引导学生将不同的知识点串联起来，掌握其中的脉络。同时也需要强调这种逻辑整理能力的重要性，希望这样的好习惯能伴随他们的一生，为生活中的各项事务提供更高的效率。本文以大学物理教学及相关知识为例，对如何建立公式体系进行了深入讨论。但本文中的思想并不仅限于大学物理课程，还适用于其它具有明确逻辑关系的理工科课程。如果把一门课程的内容比做一棵树的话，知识是树叶，体系是树干。由于知识与考试的关联更为密切，常常导致学生们更加注重知识的学习而在考前死记硬背。由于记忆时对知识并没有进行梳理，记忆是混乱且碎片化的，考完试以后很快就会忘记。而走出考场面向人生以后，真正有意义的是个人能力和素质。因此，引导学生学会自己建立树干，掌握课程的体系，提升逻辑思维能力才是更重要的。在基础物理教学中引导学生建立公式体系，掌握梳理学科中主干脉络的方法，系统地对课程中的信息进行记忆，将有效地提升学生的个人素质。
参考文献
[1]吴百诗.大学物理（上下册）[M].西安:西安交通大学出版社,2009.
[2]程守洙,江之永.普通物理学(上册)(第六版)[M].北京:高等教育出版社,2006.
作者:江淼 李英骏 单位:中国矿业大学(北京)理学院
