远大理想和好奇心，和目标明确的“工程师”——避免物理解题中的“思考过度”

学习物理的过程中，学生有旺盛的好奇心，求知欲，但经常会陷入一个误区，认为现在学习的知识就是这个世界的事实，概念中的模型就是终极的真理。仿佛自己下一秒就可以去主持一个火箭发射项目了，就可以去寻求大自然的规律，去重写牛顿三定律。但在应试面前有时会用力过猛，没有理解出题者的意思。我特别认为学校需要单独上一节课来讲清楚这个问题的。

下面就来讲一讲，这个世界和物理相关的部分是如何运转的，学生时期的学习和考试在什么位置，需要如何去最好的应对呢？

原始人、学校、和“现实”

——人类对于规律的探索没有尽头，但是考试答题有

先讲一个有意思的真实的故事。

我在高三的时候班级里转来一个补习的同学，还恰好被安排成了我的室友。这个哥们懂得很多，成绩也不错，最最突出的特点就是他不听化学课，如果听的话，就会和老师吵起来，但是化学成绩还特别好。比如老师讲到碘化银的沉淀现象可以用来监测一些离子的时候，说到了碘化银沉淀是白色的。我这个哥们就站起来和老师据理力争，说碘化银其实是淡黄色的，语气神态还特别的坚定。老师一度很尴尬，同学也很懵，辅导书和教材也确实是写的白色的呀。

后来毕业了，这哥们去了复旦大学。我在南京上学，去上海找他玩才知道，原来他在和我做同学的时候就已经是复旦大学化学专业的大三学生了。因为一些原因回去重新参加的高考，而现在仍然接着大三继续读。他是做过各种各样化学实验的，而碘化银在实验中实际是什么颜色，他比老师都清楚很多。我说怪不得你当时上课的时候和老师据理力争呢。

我这个哥们成绩很好，但是他也犯了一个认识上的错误，就是中学的学习是学习模型，不是学习事实的这样一个认识。教材中写的白色可能是说纯纯的的碘华银就是白色的，但是实际实验中生成的保不准有其他的杂质，或者各种情况导致变色成淡黄。同时从另一方面，淡黄色如果很浅的话和白色看起来也差不多，说不定是编委会不想把学生的知识搞的太复杂，即使是淡黄色的也想写成是白色的。

我们再看一个物理相关的问题，人们关于运动和力的关系认识是一个经典的问题了。

我们发现每个时代的理论只要满足当时的生产生活的背景，就会被流行下去。除非一个理论不能满足生产，或者基于时代的思考人们发现了更加合适的新理论时就会取代旧的理论。 比如我们初中学习的力学，主要研究的就是牛顿力学时代的理论，这个理论在今天解决“地面上的问题”是绰绰有余的。而每一个知识体系下面都有无数个为什么，这是永远没有尽头的。当人类在生活生产中需要解决更深层的问题时，或者基于现有的知识看到更深层的疑问时，才会去探究下一个为什么。

但是，当我们深究摩擦力是什么，电磁力是什么？为什么正负电荷会相互吸引？为什么滑动摩擦力不随速度改变？ 试图解释这些问题的时候，就需要更深刻层次的涉及到爱因斯坦和海森堡等20世界科学家的新理论。虽然物理课本中介绍了原子的结构以及相对论的思想，但是并不要求学生把微观的理论和宏观的现象联系起来。

这里要说的就是，我们中学学习的物理知识，是选取了一套合适的，容易被青少年接受的理论框架。教材上教给我们的，是对于实际情况的问题的一种简化的模型。无论是白色的碘化银还是牛顿定律当中的“匀速直线运动”，都是出于各种原因考虑而设定的模型。而至于为什么要学习模型，就是因为实际的情况很复杂，只有工程师才需要根据工程目标搞清楚。而事实上，及使是解决实际问题的工程师，也只是建立模型，只不过根据目标的不同，复杂度会不同，这在后面也会再说到。

学生的主要学习目标就是把模型理解透，运用好。 而更深的理论可以自行学习探索，以后可作为自己大学时期深入研究的方向。学生在应试中不必要尝试用更深的理论去解决教材和试卷上所谓的“问题”或者“实际问题”。 因为在中学阶段我们很多所说的“实际问题”，并不是什么实际问题，只是一个生活情境外壳的模型问题。这就如同设计好的电脑游戏，跑跑卡丁车是不会冲出跑道的，而刺激战场的子弹掉到水里也不会受潮。尽管我们知道现实中赛车是会冲出跑道的，枪的子弹的质量也不是完全相同的。我们在应试时要这样去理解初中物理的题目和教材，而不是不断去尝试为什么枪里面没有哑弹，怎样让卡丁车冲出跑道。

比如2021年北京中考题当中的一道选择题：

“人使箱子沿水平方向做云速直线运动”，这个选项对吗？

有些人说不对，因为抱着箱子人会类，消耗了能量，所以人一定对箱子做功了。

其实回到现实生活中，人报着箱子走路，胳膊都会酸。实际上肌肉和骨骼是会抖动的，抖动就会有位移就会做功。因为抖动，箱子也不是直线运动。换句话说，我们感觉累了，消耗了能量，还会饿，肯定是做功了，这是实际情况。

但是题设中的关键词是什么 ？“匀速直线运动”。匀速直线运动本身就是定律中描述的理想模型。这就是说，选项描述的不是实际情况，而是书上说的这个模型，我们就在模型里面分析好了。现实中人没办法着箱子做匀速直线运动，现实中也压根没有真正的匀速直线运动，见到这个词，就是理想模型。 所以箱子只有垂直方向上受力，重力和支持力，而竖直方向上没有运动，所以就竖直方向没有做功。而在水平方向上，箱子受力平衡，而按照题意，箱子只有人接触，水平方向上没有受到两个力。所以箱子水平方向不受力，没有做功，这个选项是对的。

还有一种模型的条件是隐晦而约定俗成的。就是“题目没有中强调要考虑空气阻力等一些力，那就不用考虑它们”。 其实在实验中，如果小人没有带氧气面罩，我们就可以默认他在地球上，那就有大气层，就会在水平方向上受到空气阻力，而人对箱子的摩擦力正好和空气阻力平衡，这不就做功了吗？ 如此说开，还有万有引力呢？箱子受到人的引力，收到旁边高楼大厦的引力，也受到太阳、月亮的引力、远在天边的不知道什么天体的引力，如果这些力和空气阻力平衡了，那人不就是还没做功吗。你看，这就没办法讨论了，因为这就是真正的实际情况。 实际情况充满了各种细节，是复杂到没必要考量的。很多同学想到空气阻力，但是空气阻力和哪些七七八八的引力一样，甚至还有没有罗列出来的其他作用力，都是约定俗成在中学考试时不用考虑的。我们见到关键字，就直接进入到模型的模式，就直接猜想到出题人想要考察你什么知识点，就“投其所好”就好了。这么做并不是没有科学精神，并不是没有坚持实事求是的精神。

即使是工程的“实事求是”也并非面面俱到

——解题得分是学生的工程目标

回答上面的问题，就从物理学的启蒙聊到工程学中的哲学了。一说是哲学感觉很高端，其实没什么高大上，就是一种思路，一种方法论。

当人们去盖房子，去造汽车，去造飞机，这些工作就是“工程”。这些例子离我们的生活有点远，说个近的，我们家里做饭就是工程。工程是要有一个目标的，比如房子的目标就是稳固，抗震，明亮，保暖等等，国家和行业会有各种标准去衡量。而做饭的标准就是味道好，有营养，安全无毒，这是大家都能理解的标准。比如我们煮一个乌鸡汤，我们要煮的嫩嫩的才会符合味道好的标准。但是现在普通的锅只能把水烧开到100摄氏度，我们觉得这个温度太低了。于是就有人说做一个高压锅，通过给锅内加压提高水的沸点，这个道理大家都懂。比如我们算一下，这个锅要设计的目标是把沸点提高20度，工程师查查书，看看大气压要提高多少。泄压阀的重量要做多重，锅体的强度要达到什么标准才不会爆炸，材料不能太重，搞得想水泥罐车那么大就没有人用了。还得适应各种温度，如果不小心超出了合适的范围，锅也不至于出毛病。这些就是工程上面的问题，我们关心的是这些问题。而实际上锅用起来，问题到了121度我们慌不慌？ 不用慌，不影响煮汤。到了130我们慌不慌，也还好，还在设计指标内。到了190度我们慌不慌？ 那就慌了，这太热了，材料可能受不了温度、压力，这时候这个锅就要改进，不让压力太高，温度太高。这是有用的、真正的“实事求是”。 那我们需要考虑太阳对于锅盖的引力吗？这会使得锅盖在工作中可能会收到太阳黑子引力扰动变化，而受力发生波动，影响锅盖的安全性的问题吗？ 很多人想，哎对呀，需要考虑，这样锅才完美。然而现实中其中工程师大多都不会这么想，谁这么想保不准会被当成疯子。因为太阳对锅的引力远远不如一只苍蝇落在锅盖上给锅带来的受力变化呢，这些细节不会影响我们最终煮汤的目标，考虑起来成本还特别的大，所以就没必要考虑了。

即使是实际的生产生活，我们面对的仍然不是最真实的情况，我们仍然是根据自己要解决的问题，去提取有影响的方面而建立模型。换句话说，人类解决的所有问题都是模型的问题。你看一个菜谱，加多少盐，多少糖，这些都是模型，而实际的盐成分是多少，含不含碘，是矿石盐还是海盐这些细节无所谓，不影响菜的味道。 回过头来，如果是一个食品检测机构，目的化验盐的营养成分，那盐的成分细节就很重要，而这些盐用来做什么菜就不重要，是什么品牌的就不重要，就可以被忽略。

但是后来我们的目标变了，我们不是搞做饭这种小工程了，我们要发生载人航天飞船，我们要发射探测器去火星了。那你说考不考虑太阳的引力呢？ 当然考虑！不但要考虑太阳，还要考虑路上所有可能有影响的星球的引力！除了引力还要考虑太阳粒子风暴，各种宇宙垃圾，尘埃对于飞船的破坏。因为我们的目标变了，影响目标的主要因素也变了。发射探测器是很精密的事情，几乎方方面面都需要考虑，需要建立复杂的模型来研究，但是仍然是在模型只内。几十万光年外的星座对飞船微乎其微的引力，就不需要被考虑纳入计算，发射场内一个孩子打了个喷嚏引起了气流的扰动也不需要。有很多需要考虑的问题不是一开始就一步到位的，而是失败以后人们总结原因才发现的，这就是工程的哲学。为了达到工程目标，考虑和目标有关的因素，忽略无关的因素，并不断的工程试验和尝试，直到达成最终的工程目标。

所以即使是发射火箭这种事情都是在模型内探讨，思维丰富的学生在思考物理问题的时候就更没有必要想东想西了。学生的工程目标就是确保自己掌握了教学目标中的模型，在考试确保自己可以得分。

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