論義務教育階段物理課程的價值

王 青

清華大學物理系，北京 100084

義務教育階段的物理課程是一門以實驗為基礎的自然科學課程，對學習過小學綜合科學課但剛開始接觸首次作為分科課程的物理學科的學生來說，雖然通過此課不過是只了解一些最初級的物理，但這些物理種子根植的好壞直接影響學生的物理啟蒙，對學生未來一生的發展影響將十分深遠。

義務教育階段物理課程的價值可以體現為三條：讓學生初步了解自然界的基本規律；激發好奇心、想象力及探索興趣；學習和培養應對未知的方法和能力，讓人生更有意義。對標新課標中的核心素養，前兩條分別對應建立物理觀念和訓練科學思維，第三條對應實踐科學探究和確立科學態度與責任。以下按照這三條分別進行討論。

1 初步了解自然界的基本規律

在義務教育階段，通過物理課程的學習，學生可以認識物質的形態、屬性及結構，認識機械運動、力、聲、光、電和磁，認識機械能、內能、電磁能及能量的轉化與守恒。物理課程的學習使學生能從物理學的視角形成關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，初步了解一些基本的物理概念和自然界的基本規律，逐漸提煉升華形成初步的關于物質、運動與相互作用和能量等的基本物理觀念。

以物質觀念為例，普通人對物質的觀念是：它是一些像身邊的石頭、水、空氣一樣的實體，看得見摸得著?？諝怆m肉眼看不見，但人們能感受到風和氣壓。義務教育階段的物理課程最開始就讓學生知道物質是由原子構成的，而原子是由原子核和電子構成的，由此進一步引出、討論和解釋物質的各種狀態和屬性。這個源自古希臘的原子論看法促使學生形成一種物質是由一些基本的實體硬核粒子構成的物質觀念，物理學依賴這樣的觀念發展出特有的理論來描述我們看到的各種自然現象。

初看起來義務教育階段的物質觀顯性教育到此為止?？稍诤罄m的電和磁部分，物理課程又引入了抽象的電荷及其運動形成的電流。電荷是物質的屬性，從物質觀的角度，攜帶電荷的物體和流有電流的導線是電磁現象中直覺的物質實體。課程里電場和磁場的進一步引進使得這種人感官能感受到的硬核粒子組成的實體物質觀念受到了沖擊：人看不見摸不著靜態的電場和磁場，人的其他感官似乎也感受不到，不具有我們習慣的原子論中的那種實體硬核粒子的構成圖像，它彌漫于實體物質之間的空間里，它是不是物質？如果說不是，它卻可以像普通物質那樣具有能量和動量；如果說是，因為不具有硬核粒子的構成，感官又感覺不到，似乎最多只能說它是一種超出我們傳統物質觀的另類物質。

電磁場隨時間變化形成了電磁波，而義務教育階段的物理課程要求學生知道光就是電磁波。我們發現人的眼睛能看見和感受到這種東西，因而光及電磁場似乎確實像是物質。那么，光到底是不是物質？我們在義務教育物理課程里討論的力、熱、聲、光、電，除光之外都被認為是物質之間的相互作用或物質的屬性，而不是物質，它們的共性是都必須作用或附著在物質身上，無法單獨存在。雖然靜態電磁場的存在需要有電荷電流源，因而從某種角度可以被認為是彌漫于全空間但卻附著在電荷電流源之上，電磁波和光的確是可以脫離源而獨立存在的，從這個角度看，它確實應該是物質?？蛇@種物質非常特殊，它不像傳統的物質那樣具有一個能使其絕對靜止的參考系，并且對它只有參考系變換而沒有純粹的自身運動的概念。我們進一步還知道電磁波是一種波動，這意味著如果它是我們感官能夠感知到的物質，則現在又多了一種和原來具有粒子性不同但具有波動性的物質，這種波動性對電磁場來說是場隨時間變化所造成的。光作為特定頻段的電磁波，其粒子性和波動性的爭論具有很長的歷史，一直伴隨著物理學的發展，最后在量子的水平上以場為基礎獲得了統一。光既不是粒子也不是波，光既是粒子又是波，它具有波粒二象性。從實體的物質到場的物質觀，是從經典到現代物理學最前沿中人類對自然界認知的升級，現代物理學已經把所有的物質都統一建立在場的觀念基礎之上，波是場隨時間的變化，粒子是場的激發。雖然這些對經典物質觀超越的討論并未明顯地表述在義務教育乃至整個高中甚至大學物理教育中，但它們作為種子實實在在隱性蘊含在我們從義務教育階段開啟的日常物理教學內容當中。

物理學對自然界最核心的研究對象就是物質，在物理教育的一開始就需要把物質的觀念及這些觀念的演變，以適當的方式并顯性和潛移默化地傳授給學生，引導學生建立和不斷發展個人對自然界的認識，進而形成相應的物理觀念。人類正是借助這些由各種基本物理觀念支撐起來的以物理學為主體的對自然的認識、依據其原理制造出來的工具，才能夠實質性地跨越出我們所賴以生存的地球這個在浩渺宇宙中微不足道的塵埃，和存在于地球上的人類迄今所創造、發展出的宗教、哲學、數學等各種文化、歷史和藝術，開始真正認識孕育我們的廣袤無垠的宇宙，人類文明的發展和進步強烈地依賴于我們發現、理解和操控我們在物理學里了解的自然定律的程度。物理教育就是要把人類對自然的認識傳給一代代后人，實現可持續發展。

2 激發好奇心、想象力及探索興趣

物理學原本就來源于人類在好奇心驅動下對周圍環境的觀察和思考，它訓練人的大腦，凈化人的心靈。物理學知識構成了物質世界的完整圖像，它是科學的世界觀和方法論賴以建立的基礎。物理課程把這種人類在生活與生產過程中與自然界的積極互動所獲得的對自然的認識及認知的過程傳授給學生，讓學生親近自然，通過從自然、生活到物理的認知過程，領略自然現象中的美妙與和諧，激發學生的好奇心和求知欲，培養學生樂于思考與實踐、終身探索的興趣。

作為案例，在義務教育階段物理課程學到牛頓第一定律時，特別安排了一個例子要求“了解伽利略思想實驗，體會思想實驗在科學研究中的作用”。有老師提出異議：思想實驗本質上屬于邏輯演繹、思維的范疇，跟真正的實驗、歸納有著本質區別。對于初中生和很多初中教師，思想實驗這個詞很容易引起迷惑和誤解，誤以為思想實驗像真實實驗一樣能判定理論的正確與否（邏輯檢驗和依據事實的檢驗還是有區別的）。

為了解釋這個案例所要展示的科學思維并回應老師們的質疑，首先回顧一下和牛頓第一定律相關的伽利略思想實驗，也稱理想斜面實驗。它主要是為了否定自亞里士多德時代以來，人們從直覺出發一直以為的力是物體運動的原因、沒有力作用的物體的運動都會靜止的觀念。

設想一個豎直放置的V字形光滑導軌（V字夾角不能太?。?，一個小球可以在上面無摩擦地滾動。讓小球從左端往下滾動，小球將滾到右邊的同樣高度。如果降低右側導軌的斜率，同時把右側導軌延長使其末端仍能達到與左側導軌同樣的高度，小球在右側導軌上，如果忽略摩擦力的阻礙，仍然將滾動到和左邊初始下滑時同樣的高度，此時小球在水平方向上實際滾得更遠了。斜率越小，則小球為了滾到相同高度就必須滾得越遠。此時再進一步設想右側導軌斜率不斷降低以至于降為極限的水平情形時，這時右側導軌將變成無窮長。根據前面的經驗，如果無摩擦力阻礙，而導軌無窮長，小球將會一直持續地滾動下去，其速度將不再會像導軌非水平時那樣從快向慢直至停止的變化。因為若像非水平時那樣速度從快向慢變化，則遲早速度會變為零而停下來，這樣就無法保持向右側無窮遠行進的狀態，因此小球將會是向著無窮遠維持勻速直線運動，這就是牛頓第一定律。

引入能量守恒的觀念可以提供另外一個看此案例的視角：小球在右側導軌達到與左側同樣的高度，是因為要具有與左側同樣的勢能（它告訴我們高度是勢能中的一個關鍵參量）；而在右側導軌水平時保持勻速運動，是因為原來出發時在左側導軌出發點所具有的勢能全部轉化成了動能，小球在右側水平的導軌上運動，勢能不會發生變化，動能因而不變，導致速度不變（這隱含著速度是動能中關鍵參量的要求），是勻速直線運動。在任何實際的實驗當中，因為摩擦力總是無法被忽略的，導致小球在右側導軌上所能達到的高度總會比左側略微低一點點。由此，即使在右側導軌水平時，小球也不會跑到無窮遠，而總是在很遠的某處停下來，即小球的速度會不斷變慢。或者從能量守恒的角度看，摩擦力會造成小球在運動過程中的一定能量損耗，破壞了原來純由勢能和動能所構成的守恒關系。

任何真實的實驗因為做不到消除摩擦力的影響，因而都無法嚴格地證明牛頓第一定律，這也正是古人沒有得出牛頓第一定律的原因。然而思想實驗就可以做到，僅僅通過日常經驗的延伸就可以讓任何一個理性的人相信牛頓第一定律的正確性。這樣的案例，展示得好可以讓學生震撼于人類思想的力量，驚嘆一個巧妙的實驗在人的想象擴展下居然能夠達到如此不可思議、讓人完全意料不到的結論！這將是對學生的想象力和好奇心的極大刺激。

對前面教師提出的質疑，我們認為這個思想實驗不只是簡單的邏輯檢驗，它本質上是基于客觀事實，運用邏輯推理來判斷事情的真偽。在這個意義上，思想實驗確實像真實實驗那樣能判定理論的正確與否，它對提升學生的素養十分重要。案例本身旨在強調對學生科學思維能力的培養，邏輯演繹和歸納都是科學思維中非常必要和核心的元素。這個案例的目的是通過展開來的介紹與討論，一是讓學生看到實驗的作用：我們是通過實驗而不僅僅是純粹的思辨來判別我們頭腦中的觀念是否正確。這尤其對否定一些日常的錯誤經驗十分重要，人們憑日常經驗很容易接受力是物體運動的原因的錯誤觀念。這種依靠實驗作判斷的做法實際是人類思維上最重要的進步，也是伽利略提出它后被稱之為科學革命的根本所在。二是讓學生體會思想的力量：雖然我們做實驗需要大自然的指引，可人類的獨立思考仍然必不可少，而且有時這些聰明的思考可以使我們的認知獲得跨越。人的思考首先是對實驗的結果進行詮釋，不同的詮釋導致我們對世界的不同理解和認識，也進一步導致接下來不同的實驗。在此基礎上，人的思考還會讓實驗超越它原有可能實現的范圍，在這個例子中就是對摩擦力的忽略，及對其效果的預期。任何實驗都受工程和技術發展水平的限制，不可能達到完全理想的狀態，這時思想實驗的鋒芒和威力就體現出來，憑借想象力進行的思想實驗，有可能做在現實中無法做到的實驗，它讓人類可以跨越工程技術的局限，直接觸及實際實驗達不到的結果。愛因斯坦在建立廣義相對論的過程中就不斷使用思想實驗進行分析。

中國的傳統文化過于注重實用和人與人之間的關系，因而我們很容易接受做實驗，但輕視抽象的邏輯演繹。中國歷史上很多早期科學探索的萌芽及一些技術都被嗤之以鼻成奇技淫巧，由此才引出著名的李約瑟之問。源自西方的物理學的思辨性的邏輯演繹是科學中很重要的組成部分，也是我們中華文化里相對比較欠缺的內容，更是物理課的難度的體現，物理教育在強調實驗的前提下需要補足我們在傳統文化方面的短板。

目前，這個關于斜面的思想實驗不僅是簡單判定以往亞里士多德的力是物體運動的原因、沒有力作用的物體的運動都會靜止的理論錯誤，還能進一步給出正確的牛頓第一定律。這是此案例及伽利略所做的一系列貢獻所引導的科學革命最偉大之處，它既傳承了古希臘演繹性的邏輯思維和想象思辨的優點，又巧妙地把通過實驗和觀測所導致的自然界的指引引入進來，形成真正對自然界具有更強認知能力的科學思維。正是這種先進的科學思維和科學方法使得以物理學為代表的自然科學能夠走出人類棲身的小小地球，開始放眼太陽系、銀河系、河外星系及星系團乃至整個宇宙。視野決定成就，當今物理學的視野已經從空間上覆蓋小至基本粒子大到整個宇宙的近60個量級的尺度、從時間上覆蓋短至大爆炸開始后的一瞬（普朗克時間10～43秒）長至當今宇宙壽命的近60個量級的尺度，從中發展出的科學思維和科學方法無以倫比。這些思維方式和方法已經被其他學科乃至許多社會科學廣泛使用，我們的物理課程就是要通過課程內容的學習，訓練學生逐漸養成自己的科學思維。

3 學習和培養應對未知的方法和能力，讓人生更有意義

物理課在學校里往往被看成是最難學的課程，其公式復雜，概念難以理解。課程內容一般被認為只不過是一縷美好但距人遙遠的理性之光，與大多數人的日常精神生活無關。其實不然，物理課程里所介紹的成就為人的生存和發展提供了豐富的啟示和經驗，不斷教育和引領著后人。

例如，前輩的經驗告訴我們應該努力去找可以解決的問題，承認某些問題可能是目前無法解決的，努力尋找回避或繞過去的方法。牛頓第二定律中引入了質量的概念，但牛頓聰明地回避了正面從根本上回答什么是質量這一本質性問題，只給出了一個可操作的、關于如何標定質量相對大小的方法。在義務教育階段，雖然還沒有學習牛頓第二定律，但已開始學習牛頓第一定律，慣性已經作為一個重要概念開始被討論，慣性的度量就是質量。進一步，質量作為物質的基本屬性已經在義務教育階段中被引入，并且物理課標要求學生“知道質量的含義”。質量的本質直到牛頓時代300年后，科學家在歐洲核子中心的大型強子對撞機上發現了上帝粒子——希格斯粒子，并獲得了2013年諾貝爾物理獎，到這時人類才剛開始對質量的起源有所了解。如果當年牛頓糾纏于質量的本質，在有生之年可能完全沒有對驅散質量之謎做實質性的貢獻。

再有，力圖使自己的認知建立在牢固的基礎之上。學會分辨自己的認知世界中哪些認識和觀念是可靠和準確的。對可靠性和準確性的追求可以直接推動人類認識的進化。一個著名的例子是高中物理才涉及到的關于地心說和日心說的轉變，這個例子雖然是到高中物理才學習，但它所涉及到的運動及速度等物理量是義務教育階段的重點內容，例子本身所關注的是如何看待運動和速度導致的整體圖像問題。在地球上生活的人類仰望星空，發現太陽、月亮和幾乎所有肉眼看到的星星都在繞地球做勻速圓周運動，因此衍生出早期的地心說，它成為中世紀受教會鼎力支持的正統的宇宙觀?？杉词乖诠畔ＥD，人們已經發現有幾顆離地球比較近的行星、水星、金星、火星、木星、土星有反常于通常勻速圓周運動的逆行現象；還發現無論在體積或是質量上太陽都比地球大很多，而讓一個大的星球繞小很多的星球做圓周運動并不符合古希臘的美學觀念。種種這些地心說對宇宙認知的缺陷在托勒密的地心說體系中，必須通過以在圓軌道上不斷嵌套新的圓軌道的本輪均輪這種很不自然的方式來解決，這些不足促使哥白尼提出了太陽系的所有行星都繞太陽做勻速圓周運動的日心說。日心說里不再有逆行現象，位于中心靜止的太陽是太陽系最大的星體，這所展現的太陽系圖景顯然比地心說自然、完美、和諧。日心說雖曾受到教會的強烈打壓，但隨著望遠鏡的發明和使用，得到了觀測的有力支持，并最終取代地心說。而后來第谷、開普勒和笛卡兒對行星運動的大量科學觀測，證實太陽系各行星的實際運動并不是最優美的圓軌道，而是橢圓軌道。現代天文學更多更精確的觀測進一步告訴我們：太陽也不是宇宙的中心，它不過是位于銀河系較邊緣的一個很普通的繞銀河系中心做旋轉運動的恒星；銀河系乃至它所在的本星系團在宇宙中也只是上千億星系團中的一個很普通的成員。這個認識的發展歷程是建立在不斷改進以往認知的可靠性和準確性的基礎上，人類實現了對宇宙認識一步步的進化和深化。

物理學注重研究簡單問題，因為它們能夠比較容易被解決，可以由此確立關于這些問題的較清晰的圖像和牢固可靠的認知。在此基礎上才可能進一步提出和解決更加本質的問題，逐步深入對本質問題的認識，從而在一步步的求真之路上使自己對世界的認識建立在牢固的基礎之上。物理課程通過其內容的學習讓學生逐步了解和掌握在物理學中發展起來的這種應對未知的方法。

更進一步，通過物理的學習，學會分辨哪些問題是較容易解決的，問題的要點在哪里，哪些問題是有價值的；學會分辨對世界認識的適用范圍，分辨哪些是可靠的，哪些是不一定可靠的；學會分辨哪些觀念是有現實基礎的，哪些還僅是人們頭腦中的空想。找到辦法檢驗自己的思想，學會區分空想與科學，并且爭取以后能把美好的空想變為科學。分辨問題、認知和觀念的能力可使我們獲得一雙犀利的眼睛，幫助我們看清世界，使我們成為已有認識和思想的主人而不是工具。能熟練掌握前人留下的認知又不迷失其中，讓其為世人所用以應對無窮盡的世界，造福人類。

當人能夠嫻熟自由地運用各種已有對世界的認知和思想觀念而又不被它們的種種局限所束縛時，就能夠自由輕松地暢游于思想觀念的海洋之中，實現真正思想上的自由和精神上的豐富。在此基礎之上若能進一步在所面臨的眾多問題中，從簡單入手，在不斷追求更高的可靠性和準確性的基礎上一步步腳踏實地地解決問題，向真理靠近，真正走向智慧，能夠享受創造與發現之樂趣，充實和充分體現自己生命的價值，讓人生具有更大的意義。

綜上所述，義務教育階段的物理課程作為物理教育的起始，其價值體現在從讓學生初步了解自然界的基本規律出發，努力激發起學生的好奇心、想象力和探索興趣，進而逐步邁向學習和養成應對未知的方法和能力、實現讓人生更有意義的目標。