論物理學科本質及其對物理教育的啟示

邢紅軍，董鑫鑫，石 堯

(1.首都師范大學 教師教育學院，北京 100048；2.北京中學，北京 100048)

普通高中《物理課程標準》提出要在物理教學中進行學科本質教育的要求，并在課程基本理念中將“在課程目標上注重提高全體學生的科學素養”修改為“注重體現物理學科本質，培養學生物理學科核心素養”[1]，這一重要改變體現了物理教育理念的進步. 然而，物理學科的本質究竟是什么？它的構成要素到底包括哪些內容？相關的研究雖然較多，但關于物理學科本質的研究始終莫衷一是、眾說紛紜，從而影響了物理學科本質教育的開展. 鑒于此，本文對此問題展開討論，以期對物理學科本質的研究有所啟迪.

1 物理學科本質的研究思路

物理學科的本質是什么？目前，國內物理教育界對該問題研究的通常做法是，以科學本質代替物理學科本質進行研究.

1989年，美國科學促進協會認為應該從3個維度來理解科學本質：

1)科學世界觀——世界是可被認知的；科學理念是不斷變化的；科學知識是相對持久的；科學家不能完美地回答所有問題.

2)科學探究觀——科學需要證據作為支持；科學融合了邏輯和想象；科學需要解釋和預見；科學家要努力避免偏見；科學不依賴于仰仗權威.

3)科學事業觀——科學是一項復雜的社會活動；科學由學科內容組成，有不同的研究機構；科學研究有普遍接受的道德規范；科學家在參與公共事務時的身份既是科學家又是公民[2].

1996年，德里弗(Driver)等人認為科學本質包括：科學目的、科學知識的地位和性質、科學作為一種社會事業[3]. 我國學者李醒民也在其著作《科學論：科學的三維世界》中將科學本質劃分為三層，即作為知識體系的科學、作為研究活動的科學、作為社會建制的科學[4]. 不難發現，經過多年的理論探討，人們對科學本質的認識已經基本達成共識，即科學本質應當包括科學過程、科學結果以及科學事業對人類社會的影響.

科學學科群雖然包括物理學，但物理學并不等同于科學. 這是因為科學本質是上位概念，而物理學科本質是下位概念，二者的內涵有交集，但又具有很大的不同. 科學本質的范疇與內涵并不能直接外推到物理學科本質的研究中，也不能直接外推到物理學科本質教育中. 因此，科學本質的研究范式只能對物理學科本質研究提供啟示，但無法準確界定與詮釋物理學科本質的內涵.

長期以來，人們一直采用以科學本質代替物理學科本質來展開研究. 造成這種現象的原因可能在于：a.研究者默認科學本質就是物理學科本質，認為按照這樣的方式進行研究就不會出現問題；b.國際科學界對于科學本質的研究汗牛充棟，按照拿來主義的方式進行研究非常順手，且可以在此基礎上侃侃而談. 不幸的是，這種研究范式雖然省時省力，但其研究結果卻與物理學科本質南轅北轍，相去甚遠. 同時，以科學本質代替物理學科本質還存在指鹿為馬的嫌疑. 因此，物理學科本質的研究既要超越簡單的拿來主義研究范式，也要超越簡單的經驗主義思維，摒棄沒有理論依據的物理學科本質研究范式.

上世紀70年代美國學者霍爾頓(G.Holton)提出物理學三維結構模型. 霍爾頓認為，物理學任何一部分的基本內容及結構都可以分解為以下3種成分：X——實驗(事實)、Y——物理思想(邏輯、方法論等),Z——數學[5]. 這種普適性的結構模型抓住了物理學知識結構的核心，也為物理學各分支學科、單元結構及教學規律的研究奠定了基礎. 將三維結構投影到平面上，就形成了上(實驗)、中(核心理論)、左(科學方法論)、右(數學)、下(延伸與應用)5個部分，這不僅揭示了物理學科的5個特點，而且彰顯了物理知識與方法的關系. 該結構圖被稱為物理學知識—能力結構圖，如圖1所示.

深入分析物理學三維結構模型后，發現物理實驗、物理思想與數學是物理學科本質的3個基本構成要素. 鑒于物理學三維結構模型中對于物理思想的界定不夠清晰，通過進一步結合物理學知識—能力結構圖進行分析，可將物理思想明確為物理知識與物理方法. 于是，物理學科本質的構成要素就初步確定為物理實驗、物理知識、物理方法與數學.

為了確定物理學科本質的要素，有必要從物理學科核心素養的角度進行考查.

普通高中《物理課程標準》將物理學科核心素養界定為4個方面，即物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任. 然而，深入分析不難發現，物理學科核心素養未能真正反映出我國物理教學的理論與實踐成就，因此，物理學科核心素養需要進行重新建構. 為此，本文從核心素養的內涵、特點與價值取向出發，結合物理學的學科特征，建構出了物理學科核心素養層級模型，如圖2所示，其構成要素包括：物理知識與物理方法、物理思維與物理技能、物理思想與物理觀念以及科學精神與人文精神[6].

圖2 物理學科核心素養層級模型

認真研究物理學科核心素養層級模型，不難發現，作為物理知識與物理方法的升華，物理思想、物理觀念也應納入物理學科本質的構成要素之中. 這是因為，物理思想是由物理學共同體對物理知識和方法進一步提煉而形成的關于物理本質的深層認識. 它不僅能夠影響物理方法的形成，還能夠引領物理觀念的發展. 可以說，正是在物理思想的指導下，物理世界才能夠從孤立的知識碎片上升為系統的知識體系，并促使感性認識逐步向理性認識過渡. 物理觀念是在物理學視角下形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是由物理概念和規律在人的頭腦中經過凝煉升華而形成的.

物理學本來就是科學與人文的統一，因此，物理教育的目的不僅在于傳播物理知識與方法，培育科學精神，還需要進行人文精神的浸潤與陶冶. 人文精神作為具有普適價值的人類自我關懷，它表現為對人的尊嚴、價值、命運的維護、追求和關切，對人類所保存的各種精神文化現象的尊重與珍視，是對全面發展理想人格的肯定和塑造. 因此，物理學科本質教育亟需科學精神與人文精神協同共進，從而扭轉物理教育中長期存在的唯科學主義傾向.

綜上所述，物理學科本質的構成要素包括：物理知識、物理方法、物理思想、物理觀念、物理實驗、數學、科學精神與人文精神.

2 物理學科本質的內涵解讀

在確定物理學科本質的基礎上，需要進一步厘清物理學科本質中各個要素的內涵，從而為物理學科本質教育的開展奠定基礎.

2.1 物理知識本質

知識是人們在長期實踐活動中對客觀世界的認識和經驗的結晶，包括感性知識與理性知識. 其中，感性知識反映的是事物的外在屬性或外部聯系，其心理表現形式為感知與表象；理性知識反映的是事物的本質屬性或內部聯系，其心理表現形式為概念和原理. 就物理學科而言，作為一門嚴密的理論科學，物理學以物理概念為基石，以物理定律為主干，建立了經典物理學和現代物理學，以及各個分支物理學的嚴密邏輯體系.

怎樣在物理教育教學中進行物理知識本質教育？這就要求教師在物理教育教學中，把握物理知識的實質，揭示物理知識的真諦. 例如，在電動勢教學中，雖然教材的定義為 “電動勢等于非靜電力將單位正電荷從電源的負極搬運到正極所做的功”，但是學生對于非靜電力的產生原因及“搬運”正電荷的方式并不清楚，這在一定程度上影響了學生對電動勢的學習與掌握. 以伏打電池為例，教師通過對電動勢概念進行高端備課，發現并揭示了電動勢的形成機理. 即在內電路中，帶正電荷的銅板與帶負電荷的鋅板之間形成了“板電場”，同時，鋅板附近帶正電荷的“薄膜”鋅離子層與銅板附近帶負電荷的“薄膜”電子層形成了“膜電場”，由于2個電場的方向相反，于是就形成了等效電場E非，E非=E膜-E板.由于E非不是靜電場，故帶電離子在E非中受到的力屬于非靜電力. 可見，只有深入到電動勢形成的微觀機制去備課與教學，才能真正觸及到物理知識的本質[7].

2.2 物理方法本質

物理方法是人們在認識和改造客觀世界的實踐活動中總結出的行為方式，是人們認識和改造自然的有效工具，對物理知識的建構有重要作用，如物理教學中常用的比值定義法、控制變量法等.

雖然物理方法與物理知識都是物理學的組成部分，但嚴格說來，二者又具有不同的特點. 物理知識與客觀物質世界聯系密切，是對客觀世界的描述與反映；而物理方法涉及的是人類認識物質世界的途徑與方式，具有高度的抽象性. 同時物理方法具有自己獨特的表達方式，它往往隱藏在物理知識背后，決定著物理知識的獲取和應用.

以比值定義法的教學為例. 中學物理教學中，許多物理量的定義都是采用比值定義法，例如速度、加速度、密度、壓強等. 比值定義法的運用包括4個步驟，分別是：1)選取比較的對象；2)選取比較的標準；3)研究比較的意義；4)得到比較的結論[8-9]. 只有按照以上步驟展開比值定義法的教學，才能稱之為是進行了物理方法的本質教育. 除此之外，教師還要告訴學生，比值定義法中位于分子的物理量是優勢變量，而位于分母的物理量是非優勢變量，二者地位不對等. 所以，在速度概念教學中，同等時間比位移和同等位移比時間的教學方式，其不足的根本原因在于教師不明白比值定義法的物理本質.

2.3 物理思想本質

物理思想的形成經歷了從物理學家的“個人科學”到物理學共同體的“公開科學”的發展過程，其中物理學家的靈感與思考、探索過程與體驗是物理思想形成的重要源泉. 物理思想作為獨立存在的內容，能夠豐富物理學的內涵與外延，并最終引領物理學的發展與完善.

為了使學生充分領略物理思想的本質，須從物理思想的特征出發，歸納出物理思想的主要內容[10]，包括：對稱思想、守恒思想、不可逆思想、等效思想、假說思想、比較思想、轉化思想、相干思想、量子化思想、相對性思想.

怎樣在物理教育教學中進行物理思想教育？以守恒與轉化思想的形成為例，中學物理教材中的能量概念定義是：能量是表明物體做功本領的物理量. 對此，諾貝爾物理學獎獲得者萊爾曼(G.Lehrman)提出了質疑. 他認為，能量的定義應該同時以熱力學第一定律和熱力學第二定律為依據，熱也應作為一種形式考慮在內[11]. 他指出，能量轉化存在一定的不可逆性，即一定量的功可以產生一定量的熱，但一定量的熱卻不能在對外界無影響的情況下完全轉化為功；能量在轉化中總保持守恒，而做功的本領卻不是守恒的，它在轉化過程中會不斷地損失[10]. 因此，正確的能量定義應當是：能量是表示物體做功本領和傳遞熱本領的物理量. 由此可見，要使學生真正理解能量的本質，除了正確定義外，還要使學生理解能量概念背后的守恒與轉化思想.

2.4 物理觀念本質

物理觀念主要包括物質觀、時空觀、能量觀、相互作用觀等. 其中，物質觀的演變先后經歷了不連續的物質觀到連續的物質觀，再到更高層次的物質觀統一. 時空觀主要指物質存在的2種基本形式——時間和空間. 時間是物質運動持續性和順序性的表現，空間是物質存在廣延性和伸張性的體現. 能量觀是代表物理學屬性的重要觀念，即能量是對物體做功本領和傳遞熱本領的量度. 相互作用觀的本質在于，當一部分物質對另一部分物質發生作用時，必然會受到反作用.

物理觀念是重要物理思想的濃縮，但不是所有的物理思想都可以升華為物理觀念，只有代表物理學最本質的認識，才能稱之為物理觀念[6]. 因此，物理觀念是比物理思想更加深層次的物理本質. 這就好比相信牛頓力學體系的人始終認為時間和空間相互獨立，時空中的物質和運動均不會對時空本身產生影響，在絕對時空觀之下，不同參考系中，物體的運動都遵循伽利略變換. 但愛因斯坦卻否認這種觀點，他認為空間坐標變量、時間變量和物體運動之間存在某種聯系，這種聯系可以用洛倫茲變換表示. 1905年，愛因斯坦提出了狹義相對論，掃除了盤旋在物理學發展上空的“一朵烏云”. 然而，物理學史證明，洛倫茲對時空現象的研究要早于愛因斯坦，并更早地提出了洛倫茲變換公式. 為何洛倫茲沒有率先提出相對論呢？這可能要歸咎于洛倫茲未能掙脫經典時空觀的束縛，沒有邁出構建新的物理觀念的關鍵一步.

2.5 物理實驗本質

物理學發展的歷史表明，在伽利略首創將實驗、物理思維和數學演繹三者結合的科學方法指引下，經典物理學才真正從自然哲學中分離，并逐漸形成獨立的學科.

物理實驗是人們利用物理儀器和設備，控制實驗條件，排除次要因素的干擾，抓住主要因素，在有利的條件下重復地去研究物理現象及其規律的活動.

物理實驗是手腦并用的科學活動. 學生需要經歷理解實驗原理、觀察實驗現象、操作實驗儀器和處理實驗數據等一系列認知活動，從而不斷提升自身的物理實驗能力. 需要強調的是，在物理實驗教學中，應當樹立這樣的觀點，即不能把實驗單純視為操作過程，而應將其視為操作與思維相結合的活動. 這是因為實驗操作離不開思維的指引，實驗操作只是借助儀器設備把思維活動進行了外顯. 同樣，思維也兼具動作屬性，它是一種在大腦中進行的內隱動作. 由此觀之，操作與思維只是動作的不同形式，在此意義上，知(思維)與行(操作)是統一的.

根據皮亞杰理論，人的認識既可以是物質性的(運用物理工具在實物上進行，即物理實驗的操作成分)，也可以是精神性的(運用符號工具在頭腦中進行，即物理實驗的思維成分). 因此，在物理實驗教學中，只關注實驗的操作過程而忽視實驗操作中的思維成分，忽視操作與思維的辯證關系，勢必會造成實驗活動與物理實驗本質漸行漸遠，甚至南轅北轍.

2.6 數學本質

從物理學的學科本質來分析，一般認為，實驗是物理學的基礎，理論是物理學的主干，而數學則是物理學的語言和工具. 這是因為，要使物理學的學科結構能夠反映出自身的基本概念、原理和基本方法之間的關系，并使物理學的表述上升到定量層面，僅憑單純的語言文字是難以勝任的，必須有數學的參與才能完成對物理學理論的真正描述. 因此，數學是物理學的一部分，物理學科本質的構成要素應該包括數學.

楊振寧教授在《美與物理學》中[12]，給出了物理學領域，如圖3所示，該圖對理解物理學科本質與數學的關系具有重要啟示. 楊振寧教授指出，19世紀后半葉的許多實驗工作引出普朗克的唯象理論；經過愛因斯坦和玻爾的研究，又有了一些重要發展，但這些都還是唯象理論；最后通過量子力學的產生，才步入理論架構的范疇.

楊振寧教授給出的物理學領域圖中，雖然把數學也列在其中，并且置于最基礎的位置，但卻以虛線標明，以示其與實驗、唯象理論和理論架構的區別與聯系. 楊振寧教授曾經用長在根莖上的“雙葉”來形容數學與物理學之間的關系，如圖4所示. 一片葉子是物理學，另一片葉子是數學，兩者生長在共同的根莖上，重疊的地方則是二者之根，二者之源. 這充分說明了數學與物理學的同源關系.

圖4 物理學與數學關系的“雙葉”示意圖

2.7 科學精神本質

科學精神的主要表現是追求真理，崇尚創新，實事求是. 科學精神倡導對真理的不懈追求以及敢于質疑和創新的精神，堅持真理面前人人平等的信念，用質疑的態度不斷發展物理學的知識體系. 科學精神尊重物理學已有的認識，崇尚理性質疑精神，否認任何權威與教條，承認物理學的發展永無止境，鼓勵發現和創造新的物理學知識. 科學精神本質強調物理學所有的假設和結果都必須經過物理實驗的檢驗才能得到承認，即實驗是檢驗真理的黃金標準. 科學精神尤其強調尊重事實，反對弄虛作假、篡改數據等不良行為.

在基礎教育領域，《中國學生發展核心素養》將科學精神界定為學生在學習、理解、運用科學知識和技能等方面所形成的價值標準、思維方式和行為表現，包括理性思維、批判質疑與勇于探究3個要素[13].

理性思維是科學精神的內在基礎和動力. 包括：a.崇尚真知，能理解科學原理和基本方法；b.有實證意識和嚴謹求實的態度；c.邏輯清晰，能運用科學的思維方式認識事物并解決問題等.

批判質疑是科學精神的核心，構成了科學精神的內核. 包括：a.具有問題意識；b.能夠進行獨立思考與判斷；c.能從多角度、辯證性地分析問題，并能作出相對最優的決策.

勇于探究是科學精神的外在表現，是科學精神發展的評價依據. 包括：a.敢于克服困難，具有堅定不移的探索精神；b.不斷嘗試，積極探索高效的問題解決方法等.

2.8 人文精神本質

物理學雖然是自然科學，但是物理學科的本質仍然包含人文精神. 這是因為物理學作為客觀存在的知識體系，其終極價值在于為人類的生存與發展服務.

科學精神與人文精神同為人類文明的重要成果，二者相輔相成，同屬于人類對于真善美的共同追求. 科學精神求真務實，表現為如何為人做事的外部取向；人文精神則指向人自身的世界，是人生觀、價值觀和世界觀的集中體現. 人文精神包含人類對理想和信念的孜孜追求，對于美好品德的贊頌以及普適價值的向往. 人文精神與科學精神猶如并存的兩翼，千百年來和諧共存于人類的文化遺產中，科學精神保證了人文精神的真正實現，而人文精神則保證了科學精神的正確指向.

愛因斯坦是一位極具人文精神的物理學家. 第二次世界大戰以后，愛因斯坦深刻意識到核戰爭對整個人類生存發展帶來的威脅，因而費盡精力為“反對核戰爭”奔走呼號. 在他臨終前 7天，仍不忘為人類和平與預防核危險的事業努力，鄭重簽署了呼吁防止核戰爭的《羅素—愛因斯坦宣言》. 在愛因斯坦反對核武器濫用的10年間，他不遺余力地發出政治倫理的呼吁，建議消滅和管控好核武器，有效地減緩了核軍備競賽，使人類能夠驅散“核威脅”和“核訛詐”的陰霾.

朗道同樣是一位偉大的物理學家，但卻展現出了典型的學閥作派. 1932年，朗道懷揣著振興蘇聯理論物理學的愿景和計劃，擔任烏克蘭物理技術所理論部主任. 朗道的學生皮亞季戈爾斯基擔任力學項目的領導人，出于對國家發展利益的考慮，在雷達項目上對朗道的“侍從武官”科列茲提供了不利證詞，招致朗道對其長達20年的學術打壓. 朗道的這種學閥作派處事風格，使得其學派內的學生不得不完全服從他的安排和要求[14]，這充分說明了朗道缺乏人文精神的人格特質.

3 物理學科本質研究的啟示

3.1 物理學科本質的研究需要依據理論的支撐與啟迪

物理學科本質的構成要素作為一種理論建構，需要遵循理論建構的基本要求. 哥德爾定理表明：一種足夠豐富和論證完備的理論，是不能由它本身，或者比它更“弱”的手段來證明其自身的無矛盾性；理論體系如果只依靠自身手段為工具證明自身，必定會導出一些難以判斷其真偽的系列命題. 由于任何理論體系就其自身而言總是不完備的，因此若要證明自身的無矛盾性就必須跳出其中，借助比它更完善或者更“強”的理論來完成證明[15]. 在這個意義上，缺乏堅實理論基礎的物理學科本質研究，很難給出正確的物理學科本質要素.

有研究認為，物理學科本質包括物理現象及實驗，物理概念、定律及理論，物理學應用及物理學發展過程中所形成的方法和思維方式[16]. 這就自然而然地會導出以下疑問：物理學科本質為什么是這樣幾個構成要素？得到這些構成要素的依據是什么？作者對此沒有給出原因與解釋. 相比而言，本文明確地說明了物理學科本質構成要素是基于物理學三維結構模型、物理學科核心素養層級模型以及核心素養理論而建構的，從而使所建構的物理學科本質要素具有扎實的理論基礎.

3.2 物理學科本質的研究需要關注數學的價值與作用

把數學作為物理學科本質的構成要素，同樣是基于物理學三維結構模型. 將數學納入物理學科本質的要素之中，在物理學科本質的研究中具有重要的價值與意義.

長期以來，人們往往把數學作為物理學研究與教學的工具或基礎，但沒有把數學看作是物理學的一部分. 楊振寧教授曾說[17]：20世紀物理學中基本概念的發展已經納入了數學框架，如表1所示. 不難發現，每個物理學理論的背后都隱藏著與之對應的數學形式，可以說沒有數學，物理學的發展就寸步難行.

表1 物理學概念與數學框架的對應關系

把數學作為物理學科本質構成要素的意義還在于，已經發布的《中國學生發展核心素養》以培養“全面發展的人”為核心，包括文化基礎、自主發展、社會參與3個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神等六大素養，并具體細化為國家認同的18個基本要點，但這些基本要點中并未包含數學素養. 因此，把數學作為物理學科本質的構成要素，不僅有助于物理學科本質本身的理論建構，而且還有助于補充核心素養的構成要素，為《中國學生發展核心素養》的修訂與完善提供有益的啟示.

3.3 物理學科本質的研究需要關注精神的價值與引領

物理學與文化是息息相關、密不可分的，因此，物理學科本質的研究還需要關注精神的價值與引領. 這是因為，文化是人存在的根本和靈魂. 尤其是基礎教育，它強調學生能夠在學校教育中習得人文、科學等各領域的知識與技能，繼承并運用人類優秀智慧成果，陶冶內在精神品質，追求真善美的統一，發展成為有寬厚文化基礎與高尚精神追求的人，這就要求物理教育所培養出來的人要具有人文精神和人文情懷.

如前所述，無論是愛因斯坦還是朗道，他們都是在物理學發展中具有里程碑式的人物. 為何二人在處理人與人的關系時卻有著截然不同的表現呢？這是因為，愛因斯坦始終認為要站在物理學科的視域思考人與人的關系，強調物理學科的社會價值和物理學者的社會作用. 他的人文精神主要表現在：具有社會責任感，熱愛和平，追求自由，主張民主，反對民族壓迫和種族歧視等. 而朗道則依仗自己的學術權威地位，做出既損人又不利己的事情，以至遭到后人非議，其根本原因在于缺乏人文精神. 即使是在今天，校園里仍然存在著類似于朗道那樣的欺凌現象[18]，這就充分說明，在物理學科本質教育教學中融入科學精神與人文精神是十分必要的.

4 結束語

基于物理學三維結構模型、核心素養理論以及物理核心素養理論，本文給出了物理學科本質的構成要素，即物理知識、物理方法、物理思想、物理觀念、物理實驗、數學、科學精神與人文精神，并對這些構成要素進行了深度分析. 物理學科本質的構成要素不僅為物理學科本質的研究提供了新的視角，而且為在物理教育教學中發展學生的物理核心素養開辟了新的途徑.