教育局正在优化高中科学科课程，当中物理科的更新似乎最受瞩目，也最引人热议。相比起删减了的内容，坊间似乎更著眼于将“量子物理学”和“狭义相对论”两大现代物理学的基石融入到高中课程中，并对学生能否理解这些理论感到怀疑。其实不少国家及国际课程已有现代物理单元，而且这两者皆切合国家“十五五”规划及“香港第一个五年规划”中的量子科技和航天产业发展布局。是次改动正好对应国家和香港发展的需要并紧贴国际物理课程发展，有助提高香港科学教育的水平。

然而，在这两个亮眼的改动下，其实还有一个贯穿整个课程的增润内容—“计算物理”(Computational Physics)。在中学物理课程引入“计算物理”元素，可说是领先国际，纵观所有教育发展领先的国家或地区的中学物理课程，当中也没有明确的计算物理元素，到底为何要把计算物理带入中学？

为何要把计算物理带入中学？

过去一般人想起物理，往往只想到两大门派：“理论物理”与“实验物理”，这亦是在现今的DSE课程中涵盖的两大范畴。但在今天的物理世界中，“计算物理”早已成为第三条不可或缺的支柱。“计算物理”利用电脑模拟复杂的方程及难以实践的实验，从而对物理现象进行虚拟测试及研究。无论是量子物理、热力学模拟，以至天气预测、半导体设计，“计算物理”都扮演关键角色，填补“理论物理”与“实验物理”不能到达的领域。就如现今的航天科技，包括承载香港首位载荷专家黎家盈博士的神舟二十三号飞船，其轨迹也要通过“计算物理”得来。换言之，若我们的高中物理课程只停留在纸笔推导与传统实验，学生看到的其实不是当代物理的全貌。

不过，中学引入“计算物理”，是要让学生“探究”物理，不是做前沿物理研究，不代表要把大学研究直接搬进课室，更不要求每位学生都成为物理学家。中学物理的目标，始终是帮助学生掌握课程中的物理概念。“计算物理”在这里的角色，是一种有别于推导与实验的崭新“学习途径”，它让学生将物理方程式与电脑结合，把抽象的方程式转化为物理现象，透过改变方程式及其参数观察结果。因此，中学的“计算物理”的重点在于帮助学生理解概念，而不是追求技术门槛，更不是要发现新物理，与大学中的“计算物理”截然不同。

中学引入“计算物理”是否真的有助学与教？

对学生而言，这种学习方法正好回应目前物理学习的困难。不少学生害怕物理，往往不是兴趣问题，而是因为对数学缺乏信心，而物理概念抽象，有些甚至违反直觉。至于课堂实验，经常受制于课时、器材、场地和安全等因素，未必能让每位学生反复探究。“计算物理”正好提供第三条路，让学生可以在电脑上重复测试、即时修正、安全地探究。这不仅能让学生将抽象的物理概念可视化，更要求他们自行判断因素去留、交代假设，才能把现实情景转换成数学方程及电脑模型。学生亲自走通从理论到建模的思路，达至完全的建构式学习。

对教师而言，“计算物理”同样是一种有效的教学支援，可以把难以在黑板说明的数学方程动态呈现。当教师掌握以“计算物理”教学，它再不只是新增内容，而是能提升教学效能与学生学习动机的一种教学素养。

以抛体运动为例，“计算物理”如何走进课堂？

以中学常见的“抛体运动”为例，正好说明“计算物理”如何成为有效的学习工具。这个课题本来已是学生熟悉的内容，但在传统教学中，学生往往只接触到一组现成方程，知道如何代入数值求答案，却未必真正明白物体的轨迹是如何一步一步形成。若引入计算物理，学生便不只是“看结果”，而是亲手把模型建构出来。学生先辨识影响抛体运动的物理量(例如发射角度)，再利用简单程式平台如试算表，计算物体在每一时刻的位置和速度。当我们利用电脑不断重复运算这个过程，抛体的飞行轨迹便会逐渐呈现。这种学习的关键，在于把抽象的方程转化为可见、可操作、可修改的过程，让学生明白科学模型并非神秘“黑箱”，而是建基于物理定律、数学方程和清晰假设的科学现象。

这亦是“计算物理”与现成模拟工具的重要分别。若学生只输入参数、观看动画，固然看似较快掌握现象；但若他们需要自己选取变量、写出关系、逐步运算，就必须真正思考哪些因素重要、哪些假设成立、结果又是否合理。香港若希望培养具科学素养、能理解数据、勇于探究的新一代，中学引入“计算物理”正是合时之举。把“计算物理”带入中学，不是把课程变艰深，而是把生硬的数学方程变成物理现象，让物理教育更贴近生活及学生的学习需要，也更贴近当今的物理发展。

香港教育大学
科学与环境学系
杨志豪、程炳沛、蔡达诚