試論物理文化中的真、善、美

□沈祖榮

一、問題的由來

2014年教育部研制印發 《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》明確起動新一輪的課程改革，最新版各學科課程標準的核心關鍵詞是核心素養，核心素養的基本定位是： “學生發展核心素養，主要是指學生應具備的，能夠適應個人終生發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力?！薄Ｗ钚缕胀ǜ咧形锢碚n程標準中界定：物理學科核心素養包括：物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等四個維度。

文化是一個抽象的名詞，關于文化的概念， 《辭?！返慕忉屖牵何幕瘡膹V源來說，是指人類社會歷史實踐過程中所創造的物質財富和精神財富的總和。狹義來說，指社會的意識形態，以及與之相適應的制度和組織結構。國內關于物理文化最早的界定：解世雄在其 《物理文化論》一書中明確指出物理文化是世界歷代物理學家在創建物理學理論過程中，發現、創造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理語言符號、價值標準、科學精神、物理儀器設備以及約定俗成的工作方法的總和。最新普通高中物理課程標準中界定的物理學科核心素養：物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等四個維度和解世雄界定的物理文化同生同源。

文化說不清、道不明，具有隱性，文化作用在有思想意識的人上外顯出后有著強大的影響力。結合文化、物理文化及物理學科核心素養，正如莊子名言：“判天地之美，析萬物之理?！保锢砦幕屑婢?“真、善、美”。因此，筆者認為論述及厘清物理文化中“真、善、美”，有助于對普通高中物理學科核心素養的四個維度的理解，有助于為最新課程改革中指導如何培育學生物理學科核心素養指明方向，有助于領會文化高于理念，物理文化高于物理學科核心素養的四個維度的要求，具有其積極意義。

二、厘清物理文化中的 “真” “善” “美”

（一）物理文化中的 “真”的體現

1.體現在研究的對象是客觀存在真實的物質。物質的存在形式有場和實物兩種。物理學科不僅研究看不見、摸不著，只能通過轉換方法來感知的場 （如電場、磁場等），還要研究對象空間尺度上大到宇宙、天體，小到微觀粒子、基本粒子，最大和最小的物體之間的空間尺度比值的數量級大約為1043；時間尺度上長至宇宙年齡，短至基本粒子的壽命，最長和最短的物體之間的時間尺度比值的數量級大約也為1043。物理學科是自然科學的基礎，研究范圍極廣，場和實物都要研究，并且場和實物都是客觀存在的真實物質。

2.體現在解釋現象用的是已經檢驗的規律或原理。物理定律是在一定條件下通過實驗得出，是真實實驗的結果并加以提煉出的產物，并且經得起檢驗的規律；物理定理經邏輯推理的產物，雖不能被直接證明、但是符合公認的基本事實，是屬于真理的范疇。現象一定是真實存在的，物理學科在研究的過程中，解釋現象的相關定律、定理等規律或原理又是符合事實的規律。顯然這也是物理文化中 “真”的體現。

3.體現在滲透的基本理念是講究證據。凡事講究證據，是我們為人處世的基本觀點，而證據是建立在真實事件的基礎上的。證據必須有事實依據，物理學科教學中講究的就是事實依據，即物理學科教學的基本理念是講究證據。小到學生一個物理習題的解決，如學生審題了解習題描述的物理情景，通過建模發現物理模型，然后選擇合適的物理規律或原理解題；而學生在建模時從原始問題到模型之間要尋找模型成立的依據，即尋找證據，只有證據確鑿才能確定選用的物理模型的正確性。大到新理論的發現，物理學發展的基本規律是：理論→實驗→理論→實驗→……。即可能是先提出新的理論、再用實驗現象驗證。如果能用實驗驗證則新的理論則得到公認并推廣；如不能用實驗驗證新的理論就不能被認可；如被實驗否定則否定此新提出的理論。也可能是先發現一個新的現象，無法用已有的理論解釋，此時有物理學科提出一個新的理論來解釋這個現象。提出的新理論只有得到實驗反復驗證才會被物理界認可、并被推廣?？梢姡锢韺W科是極其講究證據的，證據是真的體現。

4.體現在培養實驗技能的途徑是真做實驗。物理是一門實驗科學，通過物理學科的實驗教學可培養學生的實驗技能，而培養學生實驗技能時需要學生真正動手做實驗。高中物理實驗教學的指導思想是：做實驗要做到一個 “真”，凡是分組實驗都要讓學生動手“真”做實驗，演示實驗也要爭取在老師的指導下由學生代表來做。學生真正做過了實驗，才能深刻領悟實驗的原理、使用器材的注意事項、誤差形成原因等，就能觸類旁通、舉一反三。通過 “真”做實驗才能真正培養學生的實驗技能，從而使學生對物理現象、規律或原理真懂，這種懂?；R的積累為能力的提升，這不僅是簡單的量的積累、而是質的飛躍。

5.體現在領悟到的為人標準是實事求是。物理學科研究對象都是客觀存在真實的物質；遇到的都是在真實實驗及嚴謹的理論，并得到反復驗證的的基礎上得出的規律或原理；使用的解決問題方法都是有理有據、切實有效的的方法；觀測到的實驗現象、測量到的實驗數據，得出的實驗結論都是經得起反復驗證的。這樣，經過長期的物理學習、工作后培養的職業精神一定是一個 “真”字，反對弄虛作假；從而領悟到為人標準：做人、做事都要實事求是。真可謂：“千教萬教教人求真、千學萬學學做真人”。正是高中物理學科核心素養培育目標的第四個維度的科學態度與責任的體現。

6.體現在培育學生具有正確的物理觀念。物理觀念是物理學科核心素養中四個關鍵詞之一。最新高中物理課程標準指出： “物理觀念”是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。“物理觀念”主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。學生通過物理學習可以認識到電場、磁場這種看不見、摸不著的客觀物質的真實存在，形成物質有實物和場兩種存在形態的物理觀念；可以理解為什么地面上的人追前面的人需要加速，而衛星對接時后面的衛星追前面的衛星需要先減速再加速；可以理解為什么能量守恒但還要節約能源等。培育學生形成正確的物理觀念，增強學生的科學素養，這既是新課改的目標，也正是物理文化中真的體現。

（二）物理文化中的 “善”的體現

1.體現在完善知識系統、形成正確物理觀念。完善的物理知識系統是建立正確的物理觀念的必要條件。高中物理教材是基于高中物理課程課程標準及學習進階理論編排設計的，起點要求是具有初中物理學科基礎知識、終點目標是能夠適應個人終生發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力。物理學科學習的首要任務是完善物理知識系統，不同階段、不同版本的高中物理教材編排結構有所不同，但知識板塊均涵蓋力學、電磁學、熱學、光學及原子物理等分支學科，并且每個分支學科都有不同的育人功能，這些學科知識由點到面再到體形成知識網絡系統，并呈螺旋形上升。學生有了完善知識系統，才能建立正確的物理觀念。

2.體現在提高智能水平、善于解決實際問題。物理教學要抓好明暗兩條主線，明線是物理概念、規律或原理等物理知識的傳授、及幫助學生建立物理知識系統及形成正確物理觀念；暗線是滲透解決物理問題的方法、指導學生科學思維，提升學生解決實際問題的能力?？茖W思維是物理學科核心素養的四個方面之一，通過物理問題，指導學生科學思維，選擇解決問題最佳的方法，并且物理問題一般是真實存在的問題，所以培養學生的是真能力、具有實戰型。學生的思維方法得到科學、規范指導與訓練，可有效提高學生解決問題的能力，解決問題的方法多、效率高是人智能水平高的體現。智能水平高的人善于解決各類實際問題，可見，科學思維訓練促進人的智能水平是物理學科功能，也是物理文化中 “善”的體現。

3.體現在物理研究具有向善性、杜絕惡性成果產出。物理學史研究表明，科學研究具有向善性，物理是自然學科的基礎學科，物理研究也具有向善性。所謂向善性，是指科學研究主流方向都是從對社會進步有益方向。對社會有益或促進科學技術進步有益的科研項目，參與的科學家規格高、人數多、并且容易得到各界的支持；對社會存在潛在威脅的科研得不到科學界主流文化的支持，即使有相關研究成果也會被嚴格管控，也得不到廣泛認可或推廣；如果對社會有危害的科研項目，從政府層面會利用法律手段進行干預、制止?？梢?，物理研究具有向善性，也是物理文化中善的體現。

4.體現在物理助推科技發展，科技促進社會進步。歷史上經歷過的三次工業革命，即：第一次工業革命，即蒸汽技術革命、第二次工業革命，即電力技術革命、第三次工業革命，即信息技術革命。當今社會正在經歷的第四次工業革命，即以互聯網產業化，工業智能化，工業一體化為代表，以人工智能，清潔能源，無人控制技術，量子信息技術，虛擬現實以及生物技術為主的全新技術革命。歷史發展可知，每兩次工業革命之間的時間間隔越來越短、知識、技能呈幾何級數量劇增，社會發展的腳步越來越快。物理學是自然科學的基礎，物理學推動科學技術進步，科學技術是第一生產力，科學技術促進社會進步。物理助推科技發展，科技發展促進社會進步，可見，這也是物理文化中善的體現。

5.體現在物理學家不計名利、擁有和善之心。物理學史研究表明，助推物理學的進步與發展的科研成果的產生往往需要集體的智慧。這個集體可能是并沒有交集的幾代物理學家，也可能是同一時期的不同地方的物理學家，也可能是同一個團隊物理人。這些人無論認識還是不認識，交流的共同屬性是學習并借鑒同行科研成果，而科研成果的推出是物理學家無私的奉獻，是不計名利的體現。不同地域物理學家之間的交流、物理學家引領的團隊中成員的團結協助，只要是能不計名利、無私的奉獻，一定擁有一顆和善之心。可見，這也是物理文化中善的重要體現。

（三）物理文化中的 “美”的體現

1.體現在物理學的抽象之美。原始實際問題情景的描述，通過忽略次要問題因素、突出主要問題因素，提煉出物理問題，再通過抽象分析，建立對應物理模型。物理模型可以用相應的物理規律對應的物理公式來表達。物理公式與數學表達式的區別在于物理公式富有物理意義，同一數學表達式可以描述不同物理情景，但其物理意義完全不同。描述物理規律的物理公式往往比較簡潔、一般是初等數學表達形式，物理公式對應的圖象也很簡潔。這樣物理情景——物理公式（數學表達式）——圖象之間存在對應關系，物理情景復雜的文字描述，可以用抽象的物理公式或圖象來表述。對于學過物理、并且具有物理學科核心素養的人來說，一看到物理公式或圖象來表述就能說出物理情景表述效率大大提高，足以體現物理學的抽象之美。

2.體現在物理學的簡約之美。物理學規律一般可用物理公式表達，物理公式往往是賦予物理意義的初等數學公式。比如物理學中力學的三大觀點中的牛頓運動定律結合運動學的動力學觀點，研究運動與力對應關系的動力學基礎是牛頓第二定律，而牛頓第二定律可以用∑F=ma 來表達；能量觀點中的動能定理可用∑W=△Ek來表達，功能關系可用W重=△Ep、W其他=△E等來表達，機械能守恒定律可用Ek1+Ep1=Ek2+Ep2(要選零勢能參考平面)、 ΔEk=-ΔEp或 ΔEA增=ΔEB減來表達；動量觀點中的動量定理可用∑I=△P、動量守恒定律可用 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2或 Δp1=－Δp2來表達，這些表達式雖然簡潔、但均含有豐富的物理意義，可謂簡潔而不簡單，足以體現物理學的簡約之美。

3.體現在物理學的和諧之美。物理學的和諧之美體現在一定條件下穩定與統一兩個方面。我們所處的繽紛世界也在日新月異的變化，宇宙在不斷變化，我們所處的地月系統、日地系統也在不但變化，但月球在繞地球公轉、地球在繞太陽公轉相對處于穩定狀態，一定條件下的穩定狀態是一種和諧之美。牛頓發現了牛頓三大定律與萬有引力定律把天地運動規律和諧統一；麥克斯韋用

等四個公式組成的麥克斯韋方程組把電學、磁學規律統一起來，并且成功把光學也納入電磁學的范疇。在物理學家眼里，這種穩定和統一是跨越史詩般的和諧之美。

4.體現在物理學的對稱之美。物理學中的對稱美體現在：首先像平面鏡成像具有對稱性、畫出的對稱性圖象，運動軌跡的對稱性的對稱物理圖形之美。其次像一些守恒關系的規律的表達式，如等物理公式的對稱之美。再次像勻減速到零的過程可以用對稱性可逆思維來解決問題的方法之美。再如像奧斯特發現電流的磁效應 （此處簡稱電 “生”磁）后，法拉第堅信逆過來 （簡稱磁 “生”電）一定能行，于是他經過多年不懈努力終于發現了電磁感應現象，法拉第利用這種對稱可逆思維大大推進物理學的發展和科學技術的進步?？梢娢锢韺W的對稱美不僅是外在美更是內涵美。

5.體現在物理學的語言之美。物理學科語言是由必要國語 （如中國為漢語）和阿拉伯數字、英文字母、希臘字母等組成。用規范的物理學科語言陳述的科研成果，對于沒有物理學科素養的人看來是一堆凌亂不堪、毫無意義、毫無美感可言文字；但有物理學科素養的人看來是用簡潔物理公式表達生動的物理意義，抽象的符號描述準確的物理情景，是用較少的文字高效表述科研成果的體現。物理學科語言具有學科特點，兼具抽象、簡約以及和諧之美。

三、結束語

物理文化中的 “真、善、美”不僅具有學科某一方面體現的或真、或善、或美的個性，更是 “真、善、美”三者兼具的共性，物理學科的魅力就在于物理學科兼具 “真、善、美”。學生通過物理學科學習，首先是欣賞物理文化中的 “真、善、美”、然后是領悟這種 “真、善、美”，最后內化為學生的物理學科素養中的 “真、善、美”。物理文化中的 “真、善、美”與一新課程改革提出的物理學科核心素養中的物理觀念、科學思維、實驗探究、科學態度與責任等四個維度既是一脈相承，又是物理學科核心素養四個維度躍升到文化層面的體現，并且高于物理學科核心素養的四個維度。

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