教育部高等學校物理學本科指導性專業(yè)規(guī)范人才培養(yǎng)提出了"素質、能力和知識"三個基本要求,其中在創(chuàng)新能力方面,首次強調了培養(yǎng)學生應具備"批判性思維能力"。本書目的在于使理工科學生更富于批判性地思考我們周圍的這個科學世界。探討了批判性思維的幾個核心要素:解讀、分析、評價、推理的意義;對論辯、悖論和博弈論進行了深度解讀;列舉了大量物理實例來闡明科學發(fā)現(xiàn)中質疑、邏輯和想象的作用;還設計了一些思維能力測試選擇題目。全書共8章。本書適合于普通高等院校理工科各專業(yè)的素質教育用書,可選為文科物理教材,本科生學習力學、熱學及統(tǒng)計物理的輔導材料;對大學新生入學教育有積極作用,亦不失為一般讀者了解物理學背后故事的有益讀本。
包景東:北京師范大學物理學系二級教授、博士生導師、物理學與核科學學位分會主席。1984年本科畢業(yè)于武漢大學物理系,1992年在中國原子能科學研究院獲理學博士學位。兼任國家自然科學基金委學科評議組成員、全國高校計算物理教學研究會副主任、全國蒙特卡羅方法專委會副主任、《大學物理》副主編、《計算物理》和《原子核物理評論》編委。研究領域為統(tǒng)計物理、核理論和計算物理,迄今發(fā)表包括PRL(A,C,E)等論文200余篇,著有《反常統(tǒng)計動力學導論》、《經(jīng)典和量子耗散系統(tǒng)的模擬方法》、《熱力學與統(tǒng)計物理簡明教程》、《力學》。獲中國青年科技獎、寶鋼教師獎、北京市教學名師、北京市高等教育教學成果一等獎、中國氣象學會青年科技一等獎、國家教委科技進步獎,享受國務院政府特殊津貼。
目錄
前言第1章 批判性思維//1
1.1 思維的種類//2
1.2 邏輯學的基本概念//13
1.3 客觀、美學和想象力//25
1.4 認識批判性思維//34
1.5 基本技能和態(tài)度//36
1.6 學術范疇的批判性思維//39
1.7 運用批判性思維的障礙//41
1.8 批判性閱讀、做筆記及寫作//43第2章 論辯、悖論和博弈//48
2.1 什么是論辯?//49
2.2 論辯的特征和識別//54
2.3 認識悖論//56
2.4 從經(jīng)典到量子悖論//61
2.5 博弈論//65第3章 科學家如何運用批判性思維//72
3.1 科學發(fā)現(xiàn)始于問題//73
3.2 物理定律的本性//76
3.3牛頓的批判性思維之路 // 78
3.4愛因斯坦的突破性 // 80
3.5費曼風格 // 84
3.6霍金喜歡打賭 // 88
3.7楊振寧 "興趣 —準備 —突破 "三部曲 // 90
3.8科學方法貼近教育 // 91第 4章批判性思維在科學事件中的作用 // 95
4.1自然法則勝過基本假設 // 96
4.2模型在于解釋自然而不是賦予自然 // 102
4.3物理學中的意外實驗 // 105
4.4不存在與圖像或理論無關的實在 // 106
4.5科學的詭辯:電子雙縫實驗 // 108
4.6實在問題: EPR佯謬和貝爾不等式 // 115
4.7量子力學給人類社會帶來巨大影響 // 120
4.8共振:粒子是如何探測出來的? // 126第 5章讓邏輯糾正錯覺 // 130
5.1力學和它的黃金律則 // 131
5.2混沌破滅了拉普拉斯夢想 // 134
5.3質量是什么? // 137
5.4大尺度力學效應 // 140
5.5和諧的力學世界 // 148第 6章"不可能性"體現(xiàn)正面價值 // 153
6.1能量轉換與守恒 // 154
6.2可逆與不可逆過程 // 159
6.3猜測與推理并舉 // 166
6.4熱力學時間之箭 // 170
6.5無處不在的熵變 // 175
第 7章連接微觀和宏觀世界的橋梁 // 181
7.1從"砸蛋中獎"談起 // 182
7.2用微觀狀態(tài)解釋宏觀現(xiàn)象 // 188
7.3經(jīng)典和量子的分界線 // 196
7.4當代科學方法論 // 198
第 8章 思維能力訓練 // 209
8.1需關注的問題 // 210
8.2力學 // 214
8.3熱學與熱力學 // 238
8.4. 統(tǒng)計物理學 // 259
的話 // 277
第 1 章 批判性思維
兩位中世紀思想家如是說:"我疑故我知"(安塞姆); "我思故我在"(笛卡兒)。一位旅居北美的華裔學者比較了他在國內念本科生、國外讀研究生的經(jīng)歷,寫下了如下一段文字①:
在國內做學生時,我經(jīng)常看到書里說,認識、實踐和繼承前人的經(jīng)驗傳統(tǒng)的過程,就是"去偽存真、去粗取精、由此及彼"的過程。但是,到底怎么去進行這些工作呢?直到在英國和加拿大的研究生課堂上,我才不斷地、而且是痛苦地體會到自己缺乏的東西:對思想和論證的合理分辨、解釋、挖掘和擴展的能力。在聆聽西方同學們的分析發(fā)言時,我坐在那里,不知怎么提出合適的問題、有新意的推斷、有根據(jù)的反駁, 多半時間里我只是一個討論班上的聽眾,對討論的主題沒有貢獻。
這個故事表明,缺乏認知發(fā)展和批判性思維基本功訓練的學生們,在開放、求真和反思的面前會顯得無力和迷茫。那么,什么是批判性思維?我們如何養(yǎng)成批判性思維能力?讓我們就此在科學的世界里開始充滿奇趣和挑戰(zhàn)的批判性思維之旅吧!
1.1思維的種類
現(xiàn)在你正在思考。想一想,地說,你現(xiàn)在正做什么?當你思考之時你大腦中正在發(fā)生什么?與我們的大腦比較起來,我們對于宇宙基本規(guī)律、原子核以及我們身體的認知要多得多。牛頓給出了連接地球和星體的萬有引力定律,愛因斯坦給出了質能公式,沃森和克里克破解了基因遺傳密碼,但是大腦的模型至今還沒有真正建立起來。
如果未來的十年里我們沒有獲取新思想,生活會怎樣呢?我們對于夸克和納米技術作何感想呢?我們如何與他人談話呢?當然了,思想是積累的,我們伴隨著思考成長,并因此而改變我們將來之思考能力。
簡言之,思維就是思考。思維的重要性、核心性是通過思維活動將聽、看、讀的輸入信息轉換成說、做、寫的輸出結果。
一、批判性思維
"批判的" (critical)源于希臘文 kriticos(提問、理解某物的意義和有能力分析,即"辯明或判斷的能力" )和 kriterion(標準 )。從語源上說,該詞意味著發(fā)展"基于標準的有辨識力的判斷"。人們常以贊美的態(tài)度使用"批判性思維"一語,因為這個命名要求我們堅持不懈地聚焦于重要問題,客觀地遵循引導我們走向答案的理由和證據(jù)。批判性思維的淵源可追溯到古希臘蘇格拉底所倡導的一種探究性質疑,即"助產(chǎn)術":
在關于某種道德品質的本性或美德本質的會話中,一個問題出現(xiàn)了。蘇格拉底表露出對這個問題的迷惑或無知,而他的朋友用一個說明來幫助他。這個說明變成一個論題。面對蘇格拉底的詰問審查,這位朋友不得不對該論題加以辯護。在回應者進行某種初步的說明之后,蘇格拉底提出一連串的問題,初看起來這些問題似乎并不直接對那個說明有什么影響,而回應者幾乎總是要對這些問題給予"是"或"否"的回答。這種盤問是蘇格拉底反駁的核心。最終,蘇格拉底歸納出他的朋友在回答這些問題的過程中所承認的東西,而這一歸納的結果與他的朋友先前所提出的那個說明是矛盾的。結果,那個說明現(xiàn)在要被修改或放棄。然后,更多這樣的說明做類似的嘗試,最終被修改或拋棄。
可以看出,蘇格拉底方法的實質是:通過質疑通常的信念和解釋,辨析它們中的哪些缺乏證據(jù)或理性基礎,強調思維的清晰性和一致性。這一事例體現(xiàn)了批判性思維的精神,因此蘇格拉底被尊為批判性思維的化身。
對于批判性思維,我們或多或少都有所接觸。大多數(shù)的日常活動都會用到批判性思維的一些基本技巧,比如:判斷我們的所見所聞是否可信;采取措施去探究某一個事物是真是假;當有人不相信我們時,為自己辯護。因此,"批判性思維是智力的訓練過程"。
雖然我們具有批判性思維,卻未必一直都在使用,也未必用得很好。不過這很正常,因為我們不需要用同等的批判性思維來處理每一件事情。但是,想在大多數(shù)的職業(yè)中取得成功,良好的批判性思維是必不可少的。每一階段的學習也需要更深層次的批判性分析,以便分析所見、所聞、所為,擁有更加清晰的思路,更好地進行論辯,解讀新的情況和事件。
二、創(chuàng)造性思維
說到創(chuàng)新,就不可避免地考慮創(chuàng)造性思維,進而思考創(chuàng)造性思維和批判性思維的密切關系。創(chuàng)造性思維是能引發(fā)新的和加以改進的解決問題的方法的思維方式。創(chuàng)造性思維引發(fā)新觀點的產(chǎn)生,批判性思維是對所提供問題的解決方法進行檢測,以保障其有效性的思維方式。這兩種思維方式對有效解決問題都是必要的。
但是,人們對批判性思維存在以下幾種誤解。一種誤解是,有人認為批判性思維是否定的,即本質上是發(fā)現(xiàn)缺陷。然而,一個批判性思維者不僅僅是質疑判斷,這是因為質疑、判斷是為了尋求理由或確保正當性,為我們的信念和行為進行理性奠基。故批判性思維也是建設性的。批判性思維使人們意識到自己所在的世界中的價值、行為和社會結構的多樣性。人們還以為,批判性思維作為一種控制的手段在起作用,是有害的、應避免的東西。其實,批判性思維是個人自治的基礎。還有一種誤解是,批判性思維并不包括或鼓勵創(chuàng)造性。這可能源于一個錯誤觀念:創(chuàng)造性本質上是打破規(guī)則,但是,恰恰相反,創(chuàng)造性常常包括大量對規(guī)則的遵循。一個原創(chuàng)的洞察力恰恰需要知道如何在給定的情景中解釋和應用規(guī)則。現(xiàn)在科學工作者將取得原始創(chuàng)新性成果作為重要期盼。人的生活要求創(chuàng)造性思維和批判性思維的平衡發(fā)展。
三、科學思維
科學與其說是一種知識體系,不如說是一種思維方式。很少有哪天我們聽不到在醫(yī)學、信息、航天、物理學等領域又有了新的發(fā)現(xiàn)。科學方法成為我們理解物質世界和社會心理世界的工具,而知識爆炸日益加劇了對這種方法的依賴。科學方法往往是通過四個主要階段向前運行的一種歸納思維類型:
① 觀察; ②構思假說; ③實驗法; ④確證。
.科學的世界是經(jīng)驗的世界、觀察的世界。為了應用科學方法,科學家必須能夠做好觀察和測量。因此,科學研究中的所有變量必須由可觀察、可測量的術語界定。通過給變量以這種操作型定義我們就能向他人清楚地表明這些變,量是什么。以及觀察或測量如何顯示它們的存在。物理學家必須確定從一個原子核裂變中產(chǎn)生的物理蹤跡表明了什么或者定義某些原子微粒。宇航員必須()以能夠識別的方式界定一個黑色洞口 當它出現(xiàn)在他們對深層空間的觀察時 。同樣,心理學家也必須以可測量和觀察的方式界定這些變量,如愛、沮喪和壓力。總之,沒有一個操作型定義,就無法應用科學方法。
下面舉幾個最基本的物理量的操作型定義。
1)-133時間的計量:以銫 原子基態(tài)的兩個超精細能級間躍遷相對應的輻射的 91926317701個周期的持續(xù)時間作為秒。這種定義的好處是:原子從一個能級躍 遷至另一個能級發(fā)出或吸收的電磁波的頻率很穩(wěn)定,利用其振蕩次數(shù)可計量時間。當人們感慨"時間哪兒去了? "就是希望對時間給以某種操作型定義。
2)長度的計量: 1983年,第 17屆國際計量大會規(guī)定米的新定義: 1米.等.于.光.在.真 .空.中.傳 .播. 1/299 792 458秒.時.間.間.隔.內.所.經(jīng).路.徑.的.長.度.。這樣規(guī)定有幾點好處:激光的頻率和波長非常穩(wěn)定,激光的測量技術滿足米定義的精度要求;為保持真空中光速不變, 1975年第 15屆國際計量大會推薦的光速為: c = 299792458 m/s,米的定義恰好與此推薦協(xié)調一致。
3)原子質量單位:符號 "u",它為碳的同位素 12C原子質量的 1/12, 1 u=1.660 56510.27kg≈ 1.66 10.27kg.
巴黎國際計量局中的鉑銥合金千克原器為標準物體,規(guī)定其質量為 m0 = 1kg (千克 )。
4)慣性質量:質量本質上是物體慣性的量度,下面利用氣桌動量守恒實驗來定義質量。
圖 1.2左邊表示氣桌,它包括平臺和滑塊,在平臺上鋪上白紙,兩滑塊置于其上,滑塊內裝有電池。它一方面驅動薄膜泵向下噴氣形成氣墊使得滑塊浮于臺面上以避免干摩擦;另一方面則等時間間隔地利用高壓放電在滑塊下面中心處打火花,在紙上形成斑點,見圖 1.2右圖。當滑塊沿水平方向運動時,可通過處于一直線上相鄰斑點距離相等,證明滑塊做勻速直線運動;測量相鄰斑點的距離以確定滑塊速率,斑點排列方位給出運動方向。令滑塊 1和滑塊 2以某初速度運動并碰撞,測出兩滑塊速度改變量 Δv1和 Δv2。改變滑塊初速度反復實驗多次,發(fā)現(xiàn)各次 Δv1和 Δv2雖然不同,但總有 Δv2 = .αΔv1,α = |Δv2|/|Δv1|,
其中 α為常數(shù)。取其他滑塊反復實驗多次,仍有上式成立,只是 α取值不同, α與兩滑塊有關。
取一個已知質量 m0的標準物體與待測質量為 m的物體相碰撞,用 Δv0和 Δv分別表示標準物體與某物體速度的改變量,將兩物體的 α記作 m/m0,有 m = m0|Δv0|/|Δv|kg.
一本值得伴隨大學四年的手邊書,不時品味高等教育的精髓——批判性思維是,你將感悟科學的真諦并發(fā)現(xiàn)自己的短板,實現(xiàn)從感性思維向理性思維的躍升。
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批判性科學思維,不容易做到。
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例來闡明科學發(fā)現(xiàn)中質疑、邏輯和8想象的作2用;K最后還設計了一些思維能力
還以為是什么教人思考的東西,結果是一本物理習題集
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無處不在的熵變第章連接微觀和宏觀世界的橋梁從砸蛋中獎談起用微觀狀態(tài)AE解釋宏
教程》、《力學》。獲中國青年科技獎、寶Q鋼優(yōu)S秀教師獎、北京市教學名師、北京市高等教育
格4物致理·批判M性科學思維思維向理性O6思維的躍升。與核科學學位O分會主席。年本科畢業(yè)于武漢大學
國外討論批判性思維已有二十多年,似乎沒有引起國人的重視,一位物理教授注意這個問題,此書的編寫還是有意義的。
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雖然介紹批判性科學思維,但更像是物理科學的介紹和分析。
格物致理·批判性科學思維核物理評論》編委。研究領域為統(tǒng)計物理、核理
當代科學方法論第章思維能力訓練L需關注的問題力學熱學與熱力學統(tǒng)計物理學最后的話出