基于科學與人文融合的物理教育*

李 梅 梅素珍

(湖北大學物理學與電子技術學院 湖北 武漢 430062)

人是文化的創造者，也是文化的創造物，人的教育應是一種文化素質的基本教育.近一二百年來的物理學教育自覺不自覺地遵循了一種教育節約型原則，著眼于科學知識與技能認知的實用性.國內的大學以及中學的物理學教育內容，過多地側重于知識結構的邏輯關聯和知識表述的認知，從而剝離了物理原創過程中的科學思想與創新智慧，淡化了科學價值取向、思想觀念的人文啟示等科學本質，在追求物理教育專業性中消解了物理學本身的人文性，從而使學生難以全面地體會物理文化的精髓.物理教育不僅要使受教育者獲得有效的方法和工具，還要實現思想觀念的理性升華.因此，物理學教育應充分注意發掘物理文化價值所在，立足于科學與人文相映交輝的文化背景，審視物理學文化中的人文內涵和科學本質，將科學思想、方法與人文精神及其價值理念融合貫通于學科專業教育之中.

1 物理學的科學文化教育

物理學的科學文化系統具有層次性，分別表現為思想與理念、方法與原則、知識與技能，三者層層遞進，整體貫通，形成完整規范的科學體系.對物理學的科學文化系統進行教學解構與組編，可將其轉化為便于學習者認知的課程學習系統.物理學的文化教育應在掌握知識與技能的基礎上，深入領會物理學的科學方法與原則，逐步感悟物理學思想與相應的科學理念.學習者通過這種認知方式可將物理內容轉化為自身的智慧和創新素質，達到運用物理學獨立、靈活地進行科學理論實踐與技術創新的目的.

1.1 物理知識與技能是物理科學文化系統結構表征的基礎

物理知識是客觀事物屬性與聯系的科學反映，其具體表現形式有：物理概念、公理、定律、定理等和有關處理物理問題操作步驟和過程的表述.物理技能是完成一定物理工作任務的動作系統，需要通過一定的訓練才能習得.物理知識與技能是對物理科學系統圖景的基本解讀.學習者通過學習物理知識與技能可形成規范的物理工作語言，掌握物理思維的基本元素和處理物理問題的操作范式，從而奠定領悟物理學本質與思想方法的基礎.

1.2 物理方法與原則是培養學生科學素質的重要途徑

物理方法是在學習和研究物理學問題程中所遵循的途徑和使用的手段.掌握物理學方法與培養物理能力密切相關，方法與知識相比更具有啟發作用和創造性.例如自由落體知識在現代物理系統中已是蒼海一粟，但伽利略在其發現過程中所運用的科學方法仍在物理學中發揮重要作用，其價值遠高于知識本身.物理學家在研究物理問題過程中形成了一系列基本要求與準則，從而約定俗成為物理學研究的基本原則.如簡明性原則：要求物理學原理和定律的表述簡明；解釋性原則：成熟的物理學理論應具有解釋功能和預見性；還有自洽原則、實踐檢驗原則等等.愛因斯坦創立的狹義相對論就是使用物理原則的最好例證，狹義相對論基本原理的表述簡潔明了，能自洽地解釋相關物理難題，并可得到廣泛的實驗證實.物理學方法和原則比物理基本知識更為重要，物理學教育應注重學生科學思維方法的訓練和運用科學原則意識的培養，這是提高學生科學素質的重要途徑.

1.3 物理思想與理念是物理學教育指向的根本

物理思想是人類在創立和發展物理學理論的過程中，對物理學的科學知識、方法和原則進行概括而形成的科學認識，并在物理學理論創新和問題解決方面具有導向作用.物理理念是對物理學基本思想和認識的簡練精準的概括，并形成一種精辟簡約的理性概念，可以拓展啟發創新思維.經典力學的物理思想表明，力是物體產生加速度的根本原因，物體總是企圖保持其原有的運動狀態不變，力學規律在任何慣性參照系中保持不變性等.人們通過對經典力學思想深入思考，進一步認識到物體的機械運動服從同一規律，從而形成規律性和統一性理念，即自然界的萬物運動都存在統一的規律.物理學家在經典力學思想和理念的導引下，不斷探討物理學其它學科問題，從而創立了熱力學、統計物理學和電磁理論等新的經典物理學科.物理思想與理念是物理學理論體系的核心，是物理學教育指向的根本.只有當學習者深入地領悟到物理學思想與理念的本質，感悟到其中深厚的科學文化內涵時，才能夠較好地將物理學的知識和方法靈活地運用實際問題之中，做出創新和發明.

2 物理學的人文精神教育

物理學在認識自然的科學技術活動中，創造了偉大的物質文明，同時提供了自然觀、思想觀念和認知圖式等思想理念，從而影響了人文文化.物理學教育在向學習者展現科學文化一面的同時，也應展示物理學思想理念所產生的人文影響，從而使受教育者在接受科學教育的同時，也能領悟物理學的人文光輝，在專業教學中促進科學與人文相融與互動.

2.1 力學科學理念的人文光輝

力學體系建立的科學圖景，曾相映出非常燦爛的人文光輝.面對中世紀宗教的狂妄，從哥白尼到牛頓等眾多物理學家，以自然觀察與科學實驗為依據，科學理性地考察自然，建立日心說，將天上與地下的物體運動規律科學地統一起來.牛頓關于自然運動存在自身規律的科學理念給人類提供了一個認知世界的規律性理念.人們在這種科學理念的啟示下，認識到既然自然界存在規律性，人類社會也應有其自身的規律.牛頓的莫逆之交洛克大膽地發問，既然日心說表明不存在至高無上的神，傳統的君本位觀念也應予以摒棄.人類社會的運行應以人為中心，照應個人利益是治理社會的基礎，任何政府唯一的宗旨就是保護人創造財富和享受自由.這種嶄新的人文觀念對英國的光榮革命、歐洲的啟蒙運動、美國獨立宣言、美國的憲法和法國大革命均產生了深刻的影響[1].

2.2 熱力學科學思想的人文啟示

熱力學理論用熵來闡述系統自發過程的不可逆性，揭示出熱學系統演化的科學內涵.熵對系統無序性本質的揭示，啟示人們要慎重對待人類社會的發展與自然的和諧.人類社會若以高于自然本身轉化速度攝取低熵物質能量，那么生態大系統的熵增長將使自然界難以承受，打破自然的動態演化平衡，反饋給人類的將是難以咽下的苦果.熵的文化理念告誡我們，應以自然和諧的方式提取生活所需的物質能量，人不能超越于自然的自在演化規律來創造人類的文明.人只是自然的一部分，不是自然的主人，自然的法則才是人與自然和諧共存的根本，過份地強調人類社會的中心發展意識，反而會使人類社會受到更大的傷害.

2.3 物理學的哲學意蘊

物理學與哲學具有非常深厚的淵源，物理思想深刻地影響著哲學.很多偉大的科學家往往又是偉大的哲學家.石里克說過:“所有過去的哲學進步都是來自科學的知識和科學問題的研究.”[2]懷特海指出，在過去的幾個世紀中,“科學方面所產生的宇宙觀壓倒了其他方面所形成的舊觀點而獨步一時.”[3]電磁場的發現深化了人們對物質內涵及其存在形式的認識.相對論的創立更加深刻地表明時間、空間與物質不可分割的屬性.這種新的物質科學理念極大地豐富了哲學關于物質存在形式及其運動關聯的本體詮釋.量子理論表明自然的運動法則存在統計決定論的運行模式，對人們的認識觀念產生了深刻的影響，啟示我們面對人類社會的文化理念有必要進行更深層次的思考.

物理學的許多重要思想、理念和方法給人文文化注入了取之不盡的活力，大大地豐富了人文學科的思維方式，對人文學科的研究也具有很重要的應用價值與啟示意義.物理學在對外物認識的同時，引導人們反過來認識人自己，深入地體悟人世，啟示人們應以何種態度處理人世.在理工科學生的物理學教育中，應當注意在物理學的平臺上賞析科學文化的人文思想光輝，在人文背景的視野中洞察物理學理性的奇思和感性的妙想，將物理學的科學教育與人文教育在文化內涵的層面上有機地結合起來，使受教育者同時獲得科學與人文的認知，達到全面提升學生文化素質的目的.

3 物理學的審美教育

美是能夠引起人們愉悅、振奮，或使人感到和諧輕松，或者讓人產生愛的情感、心曠神怡感等[4].對事物之美要得到更高的心靈愉悅體驗，則需要文化的教化與滋潤.實際上人類享受到的高尚情操美感是一種文化意義上的審美，我們只有通過文化的習得與創造，才能領略到自然與人生的真性，方可從心靈深處去審視世界的真、善、美.

3.1 物理之美是一種文化審美

物理學的美需要在物理文化層次上去審視，只有經過一定物理文化教化的人才能領略物理學的美麗，洞察物理學的美實際上是一種物理文化審美.物理學因其內在的和諧理論構架與奇妙想象而具有極大的美學感召力，當我們放眼于人類文化發展的背景，在物理文化演進的靜態與動態交織畫面中，引導學生關注物理學的文化結構，便可使學生感悟到物理學美的本質所在.

3.2 電磁運動的自然和諧與文化審美

對電磁運動現象進行文化解構，可從中審視到實驗、唯象描述、理論構架及其物理學思相方法的璀燦美麗[5].牛頓三棱鏡實驗將白光分解五顏六色，如同彩虹一樣艷麗.看到這種美麗的實驗現象，人的文化審美意識自然要追問這種美的更本質的內涵.物理學家通過大量的實驗總結出光的反射與折射定律，獲得光行為的科學唯象描述.當人們運用定律解釋了棱鏡分光的圖景和虹的色彩艷麗時，自然有一種求知所得后的興奮，產生對自然神奇的贊美.這種美源于我們對光的自然規律獲得與了解，是物理認知滿足了我們心中對自然神秘了解的渴望.我們對庫侖定律、安培定律、電磁感應定律等電磁唯象理論的文化內涵表征進行文化審美的剖析，都可以感受到其在存在這種唯象描述之美.

麥克斯韋將唯象的電磁規律統一為電磁場方程，反映了電磁運動的對稱性，揭示出電磁運動互為因果的和諧性.電、磁與光運動屬性的統一描述，使我們認識到自然內在的和諧與統一.電磁運動其自身的游戲規則，進一步表明世界是自然本身發展演化的結果，不是上帝安排的產物.物理文化不僅展示出自然規律的美妙華章，也照亮了人類的心靈.電磁理論構架的巧妙表述使人感受到科學美的快樂與奇妙.

上述物理現象及其科學內涵美妙的文化審美，在物理學中多不勝數，我們僅從其中拾起數頁，窺其美之本質與特點所在.

3.2 物理審美教育能促進科學思維升華

物理學家探討物理學奧秘的過程中，常常被物理文化的光輝美麗深深吸引.開普勒深受畢達哥拉斯和諧美的影響，認為宇宙的“數學和諧”是行星運動的根本原因.愛因斯坦體會到,“從那些看來同直接可見的真理十分不同的各種復雜的現象中認識到它們的統一性，那是一種壯麗的感覺”[6].物理家對物理美的本質有其獨到的心靈體驗，在獲得快慰的壯麗感覺中，同時催生出創新的智慧.當我們站在文化的視野中去審視物理學，引導學生進行文化審美的思考與欣賞，將高雅的審美思想融入到理性思維，就會使學生領悟到物理學的思想、方法和知識技能的美麗光輝，感受到物理學的科學精神對人生與社會的種種有益啟示，促進情感完美和諧，完善審美情操，健全人性品格.

4 結語

物理學基于人類生命意義上的創造活動及其偉大實踐影響了人文文化的背景, 其科學文化深層結構中蘊涵的價值致使人們的理念不斷更新，在否定舊的傳統觀念過程中催生出新的解釋，召喚出新的期望；物理學所創造的科學思想方法給人文文化不斷注入新的活力，大大地豐富了人文學科的思維方式.另一方面雖然物理學的工具理性為人類文明作出過巨大的貢獻，若沒有價值理性與之協調規范，其在促進物質文明的同時也可能會與人類自身發展的要求異化，從而產生出人類文明演進的反作用力.因此物理學的教育既要實施專業認知的訓練，也要在專業教育中進行人文文化的教化，在科學與人文的互動思考中，將物理文化成果內化為受教育者的專業學識和人文修養，以求最終達到專業有成與人格完善的雙重目的.

參考文獻

1 袁正光. 科學精神與人文精神. 教育科學論壇，2004(11): 55～57

2 莫里茨·石里克. 自然哲學. 上海: 商務印書館, 1984.7

3 A·N·懷特海.科學與近代世界. 上海:商務印書館,1959.111

4 徐紀敏.科學美學. 長沙: 湖南出版社,1991

5 李梅.物理學的文化審美. 大學物理(物理教育專刊)，2009, 20(12)

6 許良英，等譯.愛因斯坦文集第三卷 . 上海: 商務印書館, 1979.347～348