教育局正在優化高中科學科課程，當中物理科的更新似乎最受矚目，也最引人熱議。相比起刪減了的內容，坊間似乎更著眼於將「量子物理學」和「狹義相對論」兩大現代物理學的基石融入到高中課程中，並對學生能否理解這些理論感到懷疑。其實不少國家及國際課程已有現代物理單元，而且這兩者皆切合國家「十五五」規劃及「香港第一個五年規劃」中的量子科技和航天產業發展佈局。是次改動正好對應國家和香港發展的需要並緊貼國際物理課程發展，有助提高香港科學教育的水平。

然而，在這兩個亮眼的改動下，其實還有一個貫穿整個課程的增潤內容—「計算物理」(Computational Physics)。在中學物理課程引入「計算物理」元素，可說是領先國際，縱觀所有教育發展領先的國家或地區的中學物理課程，當中也沒有明確的計算物理元素，到底為何要把計算物理帶入中學？

為何要把計算物理帶入中學？

過去一般人想起物理，往往只想到兩大門派：「理論物理」與「實驗物理」，這亦是在現今的DSE課程中涵蓋的兩大範疇。但在今天的物理世界中，「計算物理」早已成為第三條不可或缺的支柱。「計算物理」利用電腦模擬複雜的方程及難以實踐的實驗，從而對物理現象進行虛擬測試及研究。無論是量子物理、熱力學模擬，以至天氣預測、半導體設計，「計算物理」都扮演關鍵角色，填補「理論物理」與「實驗物理」不能到達的領域。就如現今的航天科技，包括承載香港首位載荷專家黎家盈博士的神舟二十三號飛船，其軌跡也要通過「計算物理」得來。換言之，若我們的高中物理課程只停留在紙筆推導與傳統實驗，學生看到的其實不是當代物理的全貌。

不過，中學引入「計算物理」，是要讓學生「探究」物理，不是做前沿物理研究，不代表要把大學研究直接搬進課室，更不要求每位學生都成為物理學家。中學物理的目標，始終是幫助學生掌握課程中的物理概念。「計算物理」在這裏的角色，是一種有別於推導與實驗的嶄新「學習途徑」，它讓學生將物理方程式與電腦結合，把抽象的方程式轉化為物理現象，透過改變方程式及其參數觀察結果。因此，中學的「計算物理」的重點在於幫助學生理解概念，而不是追求技術門檻，更不是要發現新物理，與大學中的「計算物理」截然不同。

中學引入「計算物理」是否真的有助學與教？

對學生而言，這種學習方法正好回應目前物理學習的困難。不少學生害怕物理，往往不是興趣問題，而是因為對數學缺乏信心，而物理概念抽象，有些甚至違反直覺。至於課堂實驗，經常受制於課時、器材、場地和安全等因素，未必能讓每位學生反覆探究。「計算物理」正好提供第三條路，讓學生可以在電腦上重複測試、即時修正、安全地探究。這不僅能讓學生將抽象的物理概念可視化，更要求他們自行判斷因素去留、交代假設，才能把現實情景轉換成數學方程及電腦模型。學生親自走通從理論到建模的思路，達至完全的建構式學習。

對教師而言，「計算物理」同樣是一種有效的教學支援，可以把難以在黑板說明的數學方程動態呈現。當教師掌握以「計算物理」教學，它再不只是新增內容，而是能提升教學效能與學生學習動機的一種教學素養。

以拋體運動為例，「計算物理」如何走進課堂？

以中學常見的「拋體運動」為例，正好說明「計算物理」如何成為有效的學習工具。這個課題本來已是學生熟悉的內容，但在傳統教學中，學生往往只接觸到一組現成方程，知道如何代入數值求答案，卻未必真正明白物體的軌跡是如何一步一步形成。若引入計算物理，學生便不只是「看結果」，而是親手把模型建構出來。學生先辨識影響拋體運動的物理量(例如發射角度)，再利用簡單程式平台如試算表，計算物體在每一時刻的位置和速度。當我們利用電腦不斷重複運算這個過程，拋體的飛行軌跡便會逐漸呈現。這種學習的關鍵，在於把抽象的方程轉化為可見、可操作、可修改的過程，讓學生明白科學模型並非神秘「黑箱」，而是建基於物理定律、數學方程和清晰假設的科學現象。

這亦是「計算物理」與現成模擬工具的重要分別。若學生只輸入參數、觀看動畫，固然看似較快掌握現象；但若他們需要自己選取變量、寫出關係、逐步運算，就必須真正思考哪些因素重要、哪些假設成立、結果又是否合理。香港若希望培養具科學素養、能理解數據、勇於探究的新一代，中學引入「計算物理」正是合時之舉。把「計算物理」帶入中學，不是把課程變艱深，而是把生硬的數學方程變成物理現象，讓物理教育更貼近生活及學生的學習需要，也更貼近當今的物理發展。

香港教育大學
科學與環境學系
楊志豪、程炳沛、蔡達誠