“基础能力因素”指的是个体参与科学实践活动所必须具备的最基本的能力素养，它是多种科学实践能力发展的共同基础。它不指向某一具体的科学实践活动，但却影响诸如模型建构、科学推理、科学论证等实践活动的效果及质量，是物理建模能力的基本构成。“基础能力因素”由分析力、迁移应用、自我发展、交流与合作四个要素指标构成，它是个体获得物理建模能力必要的能力准备，具有很强的基础性和生成性。所谓“基础能力因素”的基础性，是指个体无论是从事模型建构、科学论证、科学推理等科学实践活动中的哪一种；无论是解决物理学、化学、天文学中的哪一学科领域的具体问题；无论获得哪一方面的科学知识与经验，都需要以此为基础。任何一个在某一特定实践领域表现突出的个体，他都必须具有较高的“基础能力因素”水平。在物理学领域会发现两类人，一类是他们不但在本专业领域是专家而且在其他领域成绩也很突出；而另一类人则是从事了多年物理专业领域的工作仍旧没有多少进展，对很多事情还是一知半解。当然造成两类人之间差异的因素有很多，如天生禀赋、兴趣、动机等，但不可否认的是“基础能力因素”在其中发挥着最关键的作用。具有深厚、坚实的“基础能力因素”的个体，不仅能凭借这些基础能力构建自己的知识和经验系统，而且还能将自己建构的知识和经验体系迁移到新的问题情境的解决中。然而，“基础能力因素”薄弱的个体，缺少从事物理建模实践活动的基础能力，在获取“专项能力因素”的过程中常常会遇到重重障碍，以至于物理建模活动所需的专项能力得不到发展，从而影响建模实践活动的质量。

“基础能力因素”的生成性是指，“基础能力因素”的生成和发展受外界环境的影响，且一般通过学校教育来实现。“基础能力因素”在人的生命早期就已萌发，它随着个体生理的发展也在不均衡、不间断地发展变化着。虽然，个体与社会环境的交互作用能影响“基础能力因素”的发展，但任由其在自然状态下生长则太缓慢，所以要通过适当的教育帮助和促进个体“基础能力因素”得以强化和提高。一般看来，如果个体不存在先天性的智力缺陷，后天的教育施加的影响只要符合人的身心发展规律，那么大多数个体的“基础能力因素”都可以达到一定的发展水平。

1.分析力

分析力是个体能分辨和判断出问题的关键因素及因素间内在联系的逻辑推理能力，分析力具有方向性、适切性和批判性。其中，方向性指个体知道自己要解决什么问题和问题如何解决；适切性指的是根据问题的情境来制定解决策略，然后按策略行事，并在运用策略过程中对策略加以调整；批判性是指个体在解决问题过程中能不断地对自己的思想和行为进行判断和评价。分析力是一种综合性的能力，从问题解决过程讲，它包括定义问题、分析问题、寻找策略、批判反思等能力。

（1）分析力的方向性

个体借助分析力能实现对问题的准确定向，我们发现物理建模能力突出的受访者都是敏锐地发现问题，准确定义问题的高手。他们一般是在问题还未显现出雏形的阶段就已经敏感地察觉到问题的存在，并快速分析之后，准确地定义问题的形态。通常他们会审慎思考问题的本质，不会在未搞清楚问题的真实面貌之前就盲目下手。事实上，准确定义问题是成功解决它的前提和基础，相关专辑在研究专家与专长问题时，就认为专家与新手最大的不同在于他们在定义问题时所花费的时间，专家一般花更长的时间用于表征问题，花较少的时间在解决问题上面，而新手恰恰相反。准确定义问题的核心就是抓住问题的关键要素及要素间的关系。所以我们把“认识事物最本质的东西”“分析就是抓核心的东西”“他会思考体现在他抓住事物的本质和联系”“关键是你能不能看到本质以及本质后面的本质”等语句都归为分析力。下面是访谈一位中学物理教师时，他讲述的建模过程中的分析力：

“有一次我给学生讲一道题，一个圆筒里面有两个球，当圆筒的半径缩小时，两个球的位置就变了，问两个球之间的作用力及球与筒壁之间的作用力怎么变？结果答疑时间，有一个学生来问我，他说‘老师圆筒的半径变小的话这个球还能放进去吗？’他的这个问题当时就给我很大的触动。他这样问就表明他没有将这个情境转化成一个物理问题，而光想着球能不能放进去了。正常来讲，应该去思考当圆筒半径发生变化时，两个球的空间位置也发生变化了，导致作用力的方向发生变化，转化成对一个物体的受力分析。受三个力的作用，其中有一个力的方向发生变化了，导致这几个力的大小变了，这就变成一个物理的受力分析问题。然后，再根据三角形的关系变成一个数学的关系，就导出来了力是怎么变的。但他不是，他没有想到这个问题，而是想到另外一个问题了。也就是他没有看出来这是一个物理问题，没有抓住问题的根本所在，进而他就不知道怎么去做了。”

我们访谈的B教授，他讲到他的很多模型研究都是从准确定义问题入手的：“国际上在研究多晶硅薄膜电学性质时，发现其结论互相矛盾。仔细分析发现问题的本质在于其所用样品的生长条件很不相同，从而导致晶粒大小不同，晶粒间界的物理特性也不同，而决定多晶硅薄膜特有物理性能的根本就在于晶粒间界的存在。据此，我们提出了一个基于晶粒间界理论的统一模型。”

（2）分析力的适切性

分析力的适切性表明分析力能在个体准确定义问题之后，根据问题情境寻找问题解决策略以及制定相应的解决方案。在访谈中，我们发现受访者在制定问题解决方案之前，都不会草率行事，而是习惯性地权衡问题性质、自身能力、现有资源等多方面因素后，才进行判断和规划。选择解决问题的方案也要考虑自身的能力和所占有的资源，必须切合实际才不会导致好高骛远。尽管受访者大都已经成为了相应领域内的专家，但他们也坦承有些问题对能力和资源的要求确实超出了他们的掌控，此时做了充分地分析、比较和考量之后，他们会选择成本低、代价小的解决方案付诸实施。我们访谈的L教授，她讲述在做课题的过程中，她是如何权衡各种方案以及策略的。

“我觉得对于大部分平常的人来说，还是看我所在的课题组有什么样的工具，这个工具可以解决什么样的问题。一般不是说我找了问题去解决，那种很难。如果是那样大家发现问题就都很容易，暗物质什么的，谁都能提。关键是你进了一个课题组，这个课题组已有的资源，就是工具，用这个工具我的师哥、师姐都做了什么，在他们的基础上或者他们还没有做什么，我能够做。我觉得这可能是我做问题的一个思路。因为你找一个感兴趣的问题再找方法，在这么有限的时间里，关键是能力还不足的情况下很难，就即便我现在可能也达不到那么高的水平。可以给你讲个例子。我上博士的时候手里面就有这个工具了，我看了看别人做了什么，还有一个不能做，比如说有一个人做了极化子碰到一个杂质被散射，我们那个里面还有一个东西叫双极化子，我想他做极化子，我就不能做做双极化子吗？做了之后居然比极化子更有意义。这就解决了一个问题，写了一篇文章，这就成功了。”

相关院士在研究固体复合发光的机理问题时，先找到了解决问题的关键是确定电子复合及被俘获的几率之比，而要确定这个几率比的关键是要找到合适的光强及光脉冲的激发时间。由此可见，该院士在解决问题和建立模型之初，首先是把目光投向“抓住问题症结，把握问题本质”，研究工作与树木生长有相似的道理，也要抓住主干，才能不断上进。抓主干是科研工作的重心，下面一段X教授的访谈记录也表达了分析力对于制定建模方案的重要性。

“物理就是建模，物理压根就不是搞一个优美的，或者一个准确的计算，那不是物理。那工科干什么呀，航天基础做什么呀，物理不是这样，是抓住物质运动最本质的矛盾，那么你只要抓住本质，研究这个最本质的东西就行了，这不就是建模吗。你没有必要把所有的矛盾都考虑进来。我们要的就是本质的事情，就这个样子。”

（3）分析力的批判性

分析力不但支持个体发现问题、定义问题、解决问题，而且还使个体在不断地批判和反思中认识和评价自己的科学实践活动。个体分析力的强弱不仅表现为他对问题本质要素提取和把握的准确程度，还反映为个体分析问题过程中的自我监控程度。在解决问题过程中经常出现三类人，有的人只做不想，有的人只想不做，而有的人边做边想。只做不想的人做的盲目，没有目标，没有规划，他会在做的过程中遇到很多意想不到的困难和阻碍，导致半途而废；只想不做的人，总是停留在想的层面却不实践，解题的方案再多却永远也不能达到问题解决的彼岸；边做边想的人，既有明确的目标和规划，又会在实践的过程中不断检视自己，从而调整方案或实践行为以缩短与目标的距离。下面这段S教授的谈话反映了他是如何通过不断地批判、反思自己的研究思路与过程来推动模型的建构和问题的解决。

“我们最近在做一个石墨烯材料，石墨烯有价带，在狄拉克点它的碳密度等于零，它有价带还有导带。如果电子从价带隧穿到导带里面向前跑，遇到一个超导界面，超导里面只有库伯对。电子过不去，那怎么办呀，我们物理上有一个著名的反射，这个电子重新吸收一个费米面以下的电子，上面的电子和下面的电子就要结成库伯对之后隧穿到超导里面。下面没电子，只有上面的一个电子，那怎么办呀，下面被吸收的电子就留下来一个空穴，这个空穴就反射回来了。这就叫作安德里夫反射，电子过去反射回去一个空穴。如果这个空穴在导带里面，那么这个反射叫正常安德里夫反射，如果它碰巧跑到价带里面，这个空穴跑到价带里面了，它就是反常的。理论上已经预言了，比如国内的一位专家还有荷兰一个组他们都已经预言了，但一直在实验上没找到。我们就想在理论模型和实验之间我们再往前走一步，给他们架座桥梁，就是精确地告诉实验内部的体系结构。一开始我们选择块儿状的石墨烯，这边接上超导，这边镀上一个电极。但是算不出来，效果不好。测不出来我就想能不能把这个信号放大呢？怎么放大呢。在钴材料里有这么一个性质，叫克莱因隧穿。然后我们就想能不能通过这个性质把信号都会聚到这个地方，我们就在这个结构里面引入了一个PN节，把这个信号汇聚了，但还是测不出来。我又反思问题可能有两方面，一是程序编错了，二是器件设计的有问题。那么，我们就需要排除错误。首先排除程序有没有错误。做科研就是在做的过程中不可能说是你想从A点到B点一下走对了一条路，这样的概率是非常小的。那我们就得想办法改。石墨烯材料里面有个什么问题，它有两个谷，一般我们说色散关系是线性色散关系，除了K点以外，还有个K点，这两个谷之间还会互相影响。我们需要一个谷，这个问题就来了，那么我们怀疑是不是这个问题。那怎么办？我们换一个材料。最好只有一个谷的材料或者近似一个谷的材料。现二维拓扑绝缘体刚好有单谷，换成它，我们再接上电极重新算。当然我们每次做改进的时候，我们都是信心满满的，想这一次肯定能成功，原来是双谷，谷之间对电子有影响。这次一改不是单谷了吗。心想这次肯定能行。（哈哈笑）一算依然不行。再回来重新评价我们的思路，发现我们算的器件是有限的，就是有限大小的，大了算不动，有限的话面临一个能谱流离散的问题，就是这条色散关系和那条色散关系离得特别远。一旦离散的话，本来实验上测的器件是微米量级的，现在测的是比微米小十个量级，那就不是一个真实事件。无线器件可以吗，当然可以。但大了我们算不动。怎么办？重新回来。重新用石墨烯，因为石墨烯怎么弄它的能谱也是连续的。所以我们绕了半天弯路又回到石墨烯上面来了。但是石墨烯两个谷的相互影响问题还需要解决，那就还是回到一个老问题上。”

2.迁移应用

自然学习是一种情境学习，认知的功能是与问题的情境密切联系的，因此，真正的学习是个体将一种情境中获得的知识、技能迁移到另一种情境中去的认知过程。个体只有懂得如何把知识应用于不同的情境中，迁移才会发生。在分析访谈文本时，我们发现具有物理建模专长的人其迁移应用能力表现为正向、高路和垂直的特点。他们的迁移应用经常具有很强的目的性，不是无思维参与的、自然自发的状态，在遇到新情境时，他们往往能自主地把习得经验重新整合，形成比旧经验更高层次的学习。学习迁移的关键在于对情境中各种关系的理解和转换。如果两个情境具备相同的深层结构关系，那么，在一个情境中发现或顿悟到的知识可以应用于另一个情境，这种关系的转换过程就是迁移的过程。迁移应用包括三个层次，首先是对情境的感知，即感知情境中的各种关系和结构；然后是情境关系的转换，即将不同情境中的关系进行比较、对照，找到其间相同或相似的关系并进行关系的转换，最后是将习得的知识、技能加以组合应用。

（1）情境感知

物理问题解决的第一步是准确地辨析问题情境，将具有丰富情境的问题转化成物理问题，在头脑中形成清晰的问题域。对问题情境的辨析要建立在感知的基础上，因而要形成清晰的问题域，情境感知发挥着至关重要的作用。情境感知能力不仅能确保个体客观、准确、有效地获取内外部环境信息，而且能对其中部分离散的信息进行整合，进而准确地辨析和定义所处的问题情境。要实现对情境的高质量的、有效感知，个体既需要具备健全的感知觉系统，又需要确保这些感知觉系统时时处于敏锐的工作状态。在迟缓状态下的感知觉系统无法及时地获得来自周围环境中的信息，感知效果受到限制，对问题情境的分析和辨别就会出现偏差。由于情境感知是个体建构对客观世界规律认知的基础，同时也是个体觉知和确认问题情境的起点，所以个体的情境感知水平对于其迁移应用能力乃至物理建模能力的发展都是至关重要的。下面是访谈中一位C研究员，讲述了凭借情境感知敏锐地获取问题信息的经历：

“我经常出去开会。偶然一次开会的时候听几个人在交流用Lamost望远镜做碳星，谈得挺热闹的。他们都在做，我就想是不是我也能做点儿什么东西。先做一些简单的，挑选一些特殊源吧。后来去上海开会又听到他们在讨论，这次我决定了要做碳星。然后和国家天文台的刘研究员开始合作，选题就定了这个题目。这个研究已经有了阶段性成果，昨天刚接收的，影响因子11，是这个领域的TOP了。”

我们认为高水平的情境感知应具备准确性、敏锐性和时效性等特征。其中，准确性指的是个体能准确地体验和观察他所面临的问题情境，不是在接触问题之初就妄下断语。时效性是指个体能够通过感知觉系统迅速地将外部环境信息传递给大脑，以便进行情境辨认。敏感性是指个体敏感于外部环境信息的刺激，善于捕捉情境的变化及情境间的差异。上面例子中，C研究员在接受外部环境信息后，敏锐地察觉到新的研究动态，这就是情境感知具有敏锐性的体现。

（2）情境关系转换

情境感知只是迁移应用的第一步，此后还需要个体对新、旧两种情境进行关系和结构的转换。这种对不同情境的关系和结构的转换，其本质就是构建问题情境的关系空间，从关系空间的辨识，到关系空间的比较，最后实现关系空间的转换。而实现关系空间转换的基础首先是新情境和旧情境间存在着的相似关系空间，其次还需要个体掌握一定的情境关系转换的方法和策略。在物理建模中，典型的情境关系转换策略就是“模仿”，通过给学习者提供前一种建模情境下更多的案例，并明确要求以效仿式的学习路径将习得的建模知识、经验、方法和策略应用到新的问题情境中，情境关系的转换就发生了。我们访谈一位专家时，他就讲到一些科学家科研经历中利用“模仿”这种策略实现学习迁移的实例。

“模仿不是照搬、照抄，而是你选择的研究课题是有先例的，但在不同情况、不同条件下，仍有一些新的特点，有一些新的信息，需要解决新问题。这就需要我们科学工作者通过效仿式的工作向新领域、新方向拓展。即使是科学研究已经成熟的学者，也往往要经历这一过程。比如，相关物理学家，以他对弱电统一理论的贡献而获得诺贝尔奖。但他最初的研究工作却是从移用其他专家发展的‘矢量耦合的无穷阶展开的发散项的重正问题’的讨论与证明为基础展开的。就问题的开创性而言，显然不是原始性的工作。该物理学家做探讨的有关赝标耦合相互作用可重正化只是一类特殊的情况，即适用于兀介子和核子相互作用的赝标耦合。当然，该物理学家的工作也不是简单的移用，他加入了赝标耦合的重正和矢量耦合的重正交缠，算是将重正理论迁移到一个新的、特殊的情况中。”

（3）习得知识和经验的组合应用

迁移应用常表现为个体对先前习得的知识、技能等经验的灵活应用能力。受访者H教授就谈到了这一点：“很多东西并不是说一个人可能想不到，可能是说他是不是针对这个问题能够把自己之前学的东西或掌握的东西能够掏出来，试试看看能不能用这个方法、这个理论去解决这个问题。我觉得还是一个灵活运用的能力，这个是更重要的。也就是说我们可能读了很多书，读了很多东西，但是如果你不用它的话，那就相当于还是一直藏在你的脑子里。你不去用它就不能发挥它的价值。只有你把你以前学过的东西的以运用才能真正发挥它的价值。”迁移应用之于物理建模的重要性在于“专业人员懂得多少以及他在哪里学的专业知识往往不是关键，重要的是他是否已经成功地将其所学运用于专业的实践中。”

3.自我发展(www.daowen.com)

自我发展就是个体追求自我潜力的发挥，成为自己能够成为的人的智能。自我发展的过程是以个体对自身客观、全面的认识为前提，通过自我学习的方式实现自我完善和自我潜力实现的过程。由此可见，自我发展有两个阶段：第一阶段是实现个体客观、准确地认识、评价和定位自己；第二阶段是个体在自我认识的基础上，利用各种资源发展和完善自己的知识结构，实现自主学习，从而成就更好的自我。

（1）自我认识

自我认识是自我发展的第一步，每个人都需要对自己的长处和短处有清醒地认知，知道自己适合干什么，知道自己想要什么，知道自己能够成为什么，只有对这些做出理性的判断，才能进行自我调节式的自主学习，才能保证自我发展不会危害他人和社会。“最先和最后的胜利是征服自我，只有科学地认识自我，正确地设计自我，严格地管理自我，才能站在历史潮头开创崭新的人生。”在本书中，我们没有使用“自主学习”而是采用“自我发展”作为代码名称的原因在于，我们认为自主学习固然重要，但自我发展是以自我认识为前提的，即要求个体在与自我、他人、社会和自然的多重关系中，认识自己的智能、情感、个性、需要及发展的可能性，并对自身价值、地位有清晰而精准的判断与评价。在分析访谈文本时，我们发现有物理建模能力专长的专家往往对自我有清晰的认知和判断，他们能客观、准确地评价自己，判断自己，定位自己，并决定自己。

我们采访的一位专家讲述她是这样认识和评价自我的：“我本身是一个逻辑性思维特别强的人，我缓存特别小。比如，让我记住一些信息或背诵什么的，我可能一会儿就忘了。但是如果你让我做一些逻辑性的东西，我能把这个东西从头到尾推得特别的严密。我是那种希望用逻辑推理去做事情的人，而物理恰好就是这样。”

凝聚态物理方向的B教授分析自己的能力和特长，定位自己的专业发展方向的一段表述：“其实我研究生是做液晶的，后来考博去了山东大学。在山大那边，导师还坚持让我做液晶，我觉得那样做是个劣势。山大当时没有人做液晶，他希望我带一个新方向到他的课题组。我坚持要跟他们做聚合物。我想如果继续做液晶，我就不来山大了，到山大还做液晶没有任何意义，投靠他那儿我还不如留在原来的学校或是去河工呢。我当时硕士毕业的时候，河工理学院院长就直接找到我让我去他那里工作，他们那里需要一个做液晶理论的，既能和他们继续做，又能上课。我既然投靠了山大，我一定要做山大有优势的方向。刚去山大的那半年导师不允许我做回答，就希望我做液晶，但是半年后我告诉他，我坚决不做液晶。后来他也只好同意了。其实，博士三年跟他们做聚合物也挺艰难的。因为山大的本科生都比我懂得多，他们本科毕业前半年就已经进入到这个课题组了。我去的时候已经是一个博士，硕士期间做的也不是聚合物。所以，剩下的两年半时间特别艰难。”

下面这位L老师对她自己的能力及发展方向也有准确的认知和定位：“如果说有机会让我去当高中物理老师，我可能一身轻松，它对于我而言是一个游刃有余的工作，而现在的工作对于我是一个比较艰难的工作。教中学物理，那个工作对于我来说不难，因为我思路清楚，逻辑性强，我能够比别人讲问题讲得更透彻。曾经有段时间，我特别彷徨，就觉得完全不能胜任现在的工作，想转行到高中去，但再一想到高中还要管理学生，我组织能力方面特别欠缺，所以也退却了。然后就一直在现在的岗位上，坚持下来了。”

X教授认为清晰地认识自己的优点和长处是实现自己价值的第一步：“我觉得每个人都有自己所擅长的一个方面，如果你想做的事情不是你擅长的话，你肯定做不好。所以，你要明白自己擅长做什么？然后朝着你擅长的方向去做。我觉得每个人都有擅长的方向，不要跟风，那不是一件好的事情。还是要把你能够做到的事情发挥到极致，就够了。不要说，这个行业毕业后好就业，我就学这个，但是那个专业不一定是你喜欢的。那个事情不一定是你擅长的，做起来也不一定是你快乐的事儿。找一个你喜欢做的，擅长做的事儿，非常轻松地就能做完了，那这个事情很好呀。”

（2）自主学习

自我发展的第二步是自主学习，自主学习是支撑个体专业发展的持续“力量”，虽然它没有一个统一的定义，但较为普遍的观点认为它是个体获取信息、改造自我、创新工作理念，并改变自身生存状态的能力。在当今这个信息化时代，知识的信息量以指数方式飞速增长，个体绝不可能在学校教育中获得他一生所需要的全部知识和经验，对于处在科技前沿的科研人员更是如此。因而，具备不断重构和完善自己的知识结构的自主学习能力已经成为各个国家21世纪公民（或学生）核心素养体系的重要指标，甚至在欧盟将自主学习作为编订《终身学习核心素养：欧洲参考框架》的价值取向。个体的自我发展必然离不开学习，“自学，尤其是在帮助下的自学，在任何教育体系中，都具有无可替代的价值。”在对访谈文本进行分析的过程中，我们发现大部分受访者具有不断挖掘自身潜能，发现自己能力疆界的行为，并通过熟练与精通本专业领域的知识及融会贯通其他学科知识的方式努力成就最好的自己。

下面这位L教授的谈话反映了自主学习在他的专业成长道路上发挥了巨大的作用：“你比如说碰到公式推导不下去了，就要读各种书，能读懂书这是一种能力。前些年，我凡是推导不下去的时候，就选择放弃，因为我永远解决不了，而现在我发觉那是因为我的基础比较差。我应该努力地再学一些研究生或博士的课程。你会发现把它们学通了你真的会长本事，所以我现在就不停地去听那些课，我受益特别多。现在看一些书，就不是那么怵头了，反而，我去听课的时候所有的研究生都不太重视学习，他们选择看手机，说话，迟到，不来。如果他们以后走上我这个岗位，这是必须要补的一课。在这个阶段他们没有这个意识，可能也没有这个能力，当然，即使他们认真去学了，未必有我现在学的效果，因为大家站的高度和境界不一样。但他们如果使劲学了，可能会好一点。”

在对院士自传文本的分析过程中，我们也发现作为一个特殊的群体—院士，他们普遍具有极强的自主学习、自我发展、自我实现的意识和能力。一位院士和同事研究经典光学的基本定律对光学技术应用的限制问题时，为了研究无线电波和光波的发射源之间的不同性质，他自学了微波的磁控制原理等知识，为了拓宽自己的知识面，他还自学了信息论、系统论、计算机、电子学、高能物理学、核物理学等方面的知识。

4.交流与合作

1996年联合国教科文组织的报告《教育—财富蕴含其中》里提出围绕学会求知、学会做事、学会共处和学会做人来设计和组织学习过程以实现人的全面发展，其中，学会共处就是强调交流与合作能力。21世纪以来，世界各国、地区及重要的国际组织都启动了学生“核心素养”的研制工作，并且都将交流与合作列入核心素养指标体系进行重点培养。有研究者分析了包括OECD（2005）核心素养框架、欧盟（2005）《终身学习核心素养：欧洲参考框架》、新加坡21世纪核心素养与学生学习成果框架等29份国际组织和经济体的核心素养指标体系后，发现“交流与合作”是各国际组织和国家都高度重视的素养，在29个指标体系中有24个框架都将其收录。在对访谈文本反复阅读和仔细分析之后，我们发现在物理建模活动中，受访者的表达、交流沟通、合作能力三者总是共同发挥作用，合作需要建立在良好地交流和沟通的基础上，良好的交流沟通又是建立在顺畅的表达之上的。所以，我们认为“交流与合作”代码至少应包含三个层面的内涵：1、表达层次，即利用语言或符号表达个人的想法或观点。2、交流和沟通层次，即倾听他人并与他人进行信息交互。3、合作层次，即能够承担共同体内的部分职责并与共同体中其他成员协同合作。

（1）表达能力

表达能力是交流与合作的前提，表达是个体思维品质的外显化表现。个体思维是否具有深刻性、敏捷性、批判性都能从他的表达逻辑性、顺畅程度等方面展现出来。语言可以赋予知识以客观的形式，通过语言便可以实现知识在人际的传播，除语言之外，物理建模中更常用一些非语言的符号进行问题表征或思维路径的呈现，例如数学公式、图形图像等，所以具备这些非语言的符号表达能力对物理建模能力的生成与发展影响更大。在研究中，50%以上的受访者都谈到了语言或非语言的符号表达对于物理建模实践活动的重要性，甚至部分受访者将其列为物理建模能力中最重要的构成要素。相关专家也持同样的观点，他认为应用语言或非语言的表征工具表征模型的能力是物理建模能力的重要组件。

一位物理特级教师认为物理课堂应该着力培养学生的表达能力，通过提高语言表达来促进模型思维的发展：“我越来越发现表达能力太关键了。当然，表达的核心是思维。我们学校的校长是学文科的，他就提出教学的重点一是思维，二是表达。他对学生的课堂要求是思维敏捷，出口成章。后来我就琢磨这件事情，越琢磨越有道理。我们市也在搞一些课堂改革方面的东西，我说咱们不用搞其他的，就抓住核心的东西—‘思维和表达’。你想思维一定是通过表达来体现的，表达一定得有思维，你没思维肯定表达不出来。所以，我觉得培养孩子的表达能力是关键。我对现在一些学校管理者的做法很反感。我曾经到过一个学校，这个学校的校长规定孩子们下课了不许讲话，全都到走廊里溜着边地走。我想这不是脑子有病吗。课间不就是要让孩子畅快表达的时间吗？你凭什么不让讲话。我认为学校应该课间长一点才对，上课应该20分钟，课间休息20分钟。就应该让孩子多说，多表达，多在一块儿交流，但是你不让孩子们说话、交流，这不是教育的倒退吗。”

（2）沟通能力

沟通能力是交流与合作的基础，交流和沟通一端连着表达，而另一端连着对他人观点的理解和倾听。交流和沟通要求个体不但要善于呈现自己，而且还要善于诠释他人。物理建模的目的就是将个体头脑中的心智模型表征为能够在物理学术共同体内部进行交流的概念模型，从而在物理共同体中构建共有的话语平台和交流工具。物理建模实践活动既要求个体能清晰地表达自己的预设和观点，还要能倾听他人的见解，并准确地理解他人的想法。著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者曾说“科学根植于对话之中”。其实在很多受访者的建模经历中，我们都能捕捉到这句话所体现出的深意。

下面是L教授在被问及“选择研究生的时候，有什么能力要求或条件”时，她的回答是：“我希望学生跟我的交流没有障碍，这个是最重要的。因为我以前碰到过一个学生，我给他讲了好多重点的东西。回过头，我问他有什么问题，结果他问了一个太过于表面而且毫无意义和物理毫无相关的问题。那个时候让我心里面觉得特别的受挫，我就想人与人能够在同一个轨道上交流太关键了。最近几年，有两个学生，刚开始的时候，不光是我，其他老师也认为确实不错，成绩呀、自学能力呀、甚至编程能力都比我好，但是最后还是不欢而散了，就是因为无法沟通。现在的孩子和你沟通可能就是一个比较大的障碍。首先是有年龄差距，另外是语言功底。现在小孩儿语文水平特别的差，不好沟通，你跟他讲了半天他也没听明白你的意图。我想首先他要明白我在说什么，他哪怕不顺着做，哪怕逆着做也是一件好事儿，起码说明你听懂了我说的话，只不过是你不同意而已。所以，关键是要能沟通。”

（3）协同合作

协同合作是交流与沟通的目标，清晰表达和顺畅交流是协同合作的前提，而具备了表达和交流能力的个体还必须有开放心态和合作的意识，才可能真正地实现与他人的合作。就物理学而言，它研究物质的基本成分及其相互作用、原子的特性以及分子与凝聚态的构成，它还试图对物质和辐射的行为给出统一的描述，物理学的研究朝微观领域迈进一步就很接近经典化学和微生物学，而向宇观迈进一步就进入天文学的研究领域，所以，现代物理学的研究边界已经很模糊了，而且学科高度交叉，物理学的研究已经成为“集体协作活动”，靠单打独斗创出一片天下的时代已经一去不复返。有数据表明，诺贝尔物理学奖自1901年至2000年的100年间，除去由于世界大战和经济萧条原因未颁奖的年份外，共颁发了94届，共有161位科学家获奖，其中125人是与别人合作而取得的诺贝尔奖。英国皇家学会理事的观点很好地阐释了诺贝尔奖现象的缘由，“合作是互利共赢的活动，我们并不是只付出，我们都从中获益，加强科研合作应对全球挑战是必由之路。”当今的科学研究活动是在个体强烈的合作共赢意识及良好的组织协调能力下，“大家一起搞，协作进行，协同攻关”的结果，协同合作几乎成为我们访谈到的每个科研人员物理建模过程中都涉及的内容。

一位天体物理学教授就讲到要完成恒星研究任务就需要合作能力：“我本来是做恒星物理的，我对恒星物理比较了解。所以介入进来比较容易，工作做起来也相对来说比较顺一点儿。还有一个就是合作，跟其他领域的合作，也是促进你工作快速进展的一个重要因素。大家各自有各自的特长，我懂恒星物理这一块儿，他们有大数据处理这一块儿的经验，大家一起合作的话就快了。”

合作既表现为能同他人一起共事和工作，还表现为一种更高层次的，团队内部的组织与管理能力。具备团队内部的组织与管理能力的个体往往因其个人魅力而能将思维活跃、有天赋、有创见的其他科研人员聚集在他的周围，壮大他的研究团队，从而获得更大规模的学术研究成果。在他的协调和领导下，团队内部能够逐渐形成良性和自由的合作互动循环，这个循环将成为科学实践活动具有决定性突破的灵感或源泉。

C教授就是这样一个具有合作意识和协调能力的人，他的这方面能力为他工作带来了很大的方便。“再一个我比别人可能强一点的就是协调能力。在科研过程中的协调，是不是可以认为是领导才能。（笑）高能所的一些人，山东大学的一些人，其他做同样领域的人我都知道，然后我会协调资源，高能所有科研人员，但他没有基金，西藏大学有基金但是缺科研人员，所以我就以我这里为中心把他们攒在一块儿，西藏大学掏钱，中科院、四川大学出人，我们也出人，一块儿攒了一个合作组在做事。这可能跟我的性格有关。我在小学的时候当班长，到了初中我就不想当班长了。初中老师问以前谁当过班长，我没报名，但是过了半年以后，老师找到我又让我当班长。原来的班长后来考上北大了，因为学习特别好让他当班长，但他当不了，自己学习行，看书行，其他的协调不来，班里上自习挺乱套，他也管理不了，气得哇哇哭。我当时也不是班干部，可能老师比较看重我就让我当班长。上高中也是，我也说不当班长，那几年当的也没什么意思，觉得就应该好好地、踏踏实实地学习，可是到高一的下半年我们老师就又让我去了学生会，当学生会主席。”

协同合作既要有合作的意识，又要掌握一定的合作方法和策略。想同他人合作，但不知道如何建立合作关系，这也经常困扰着一些人。受访者Z教授根据自身的经历讲述如何才能使合作关系更长期、持久：“你去学一个东西的话，当然实际上是一个合作的过程，就是说我希望跟你学习，然后做出来的成果大家共享，这是在一个合作的过程。我能做的一件事情就是把我们每一个合作者的利益最大化，这是我希望能做的事情。我让我的合作者感觉到我很勤奋，另外，我有了成果之后我希望让他能知道他能在里面分一份。这也许才是保持一个长期合作的基石。你只要是不争，这个事情一定是这个样子的，如果我有一个东西还没有出来大家就开始争起来了，争署名、争功劳，这个合作也许就到此为止了，那就没有下一次了。”

受访者C教授在访谈中介绍了一些建立合作关系的场合、途径和建议：“包括去参加一些学术会议，我不支持大家泛泛地参加一些学术会议，多参加一些小方向的研讨会，这个时候跟一些高人多去沟通交流。这是非常重要的。那么，有机会的话能跟着一些现实中存在的国内或高外的组多去合作，完了你会发现不同的人对于某一个问题不断地碰撞会产生一些问题和想法。这个是比较正常的一件事情。今天，已经不再会像牛顿他们那个时代，坐着就会出现什么新奇的、古怪的想法了，这个年代已经过去了。今天的科研已经越来越注重广泛的沟通和交流，你看看别人在做什么，我在做什么，大家结合做什么，或者他们关心的事情，然后用你的方法可不可以做出来，或者做得更好。在这个时代做科研就要多去合作，多去交流，尤其是跟着水平高的人。”

美国大学理事会已经将“与科学共同体的交流和分享”写入了《科学—大学成功标准》中，“科学家必须和其他科学家交流和分享他们的解释和预测，以便于这些解释和预测能经得起进一步的实验测试、分析和检验”，科学共同体的交流和分享能力已经渗入到包括物理建模在内的各种科学实践活动中。