物理學方法論的發(fā)展對物理教學的啟示

陳　勇

摘要：物理學是包含物理學方法論的科學體系。物理學方法論在物理學的發(fā)展中作用巨大，每次物理學方法論的飛躍都會促進物理學進步。回顧物理學方法論發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀，從中找出對物理教學有益的教育要素是很有現(xiàn)實意義的。

關鍵詞：物理學；方法論；物理教學

中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1003－6148(2009)8(S)－0063－3

物理學是包含物理學方法論的科學體系。從物理學發(fā)展的歷史來看，物理學知識和物理學史以及物理學方法論是不可分割地緊密聯(lián)系在一起的。物理學方法論的多元化發(fā)展，特別是近現(xiàn)代物理研究方法的逐步成熟極大地推動了人類探索物質世界的研究?？梢钥闯鑫锢韺W方法論的發(fā)展一方面成為促進物理學進步的有利手段，另一方面也反映了人類認識世界的過程中思維活動能力的不斷超越。作為物理教師，如何站在物理學發(fā)展的角度審視物理教學，能否從物理學方法論的發(fā)展中抽取和挖掘出重要的教育要素以培養(yǎng)學生的物理興趣、啟發(fā)物理思維、領悟科學方法、提高科學素養(yǎng)都是值得去思考的。

1物理學方法論的發(fā)展的基本主線

物理學是自然科學的基礎學科，物理學方法論是物理學重要的組成部分。古代物理學方法論主要表現(xiàn)為思辨和經(jīng)驗的方法，缺乏科學性和可靠性。真正的物理學方法論的形成與發(fā)展出現(xiàn)在近現(xiàn)代。

1.1伽利略的實驗方法論

伽利略在近代動力學理論上的突出貢獻，使他成為了近代物理學的主要代表人物。在伽利略對運動的研究中，他創(chuàng)造了近代科學發(fā)展方法的基本范式，即：對現(xiàn)象的觀察——提出假設——運用數(shù)學和邏輯手段得出結論——通過物理的或思想的實驗對推論進行檢驗——對假設進行修正和推廣。

在物理學方法論上，伽利略實質上使用了將實驗與理論假設結合起來的方法，從而為近代物理學的發(fā)展指明了方向，有力地促進了人類認識活動的發(fā)展。

1.2牛頓和他的科學發(fā)現(xiàn)方法論

牛頓作為偉大的科學家和哲學家，在伽利略、笛卡兒等前人工作的基礎上，結合自己的科學研究，創(chuàng)立了經(jīng)典物理學，實現(xiàn)了物理學發(fā)展中的一次飛躍。他的科學方法論對以后自然科學的發(fā)展產(chǎn)生了極其深遠的影響。

牛頓重視實驗在科學研究中的作用，他把通過對自然進行實驗得出的認識稱為“實驗哲學”。牛頓把他的實驗哲學在發(fā)現(xiàn)問題的認識過程中劃分為分析和綜合兩個方面：(1)分析的方法就是從觀察和實驗出發(fā)，用歸納法找出普遍結論和一般規(guī)律。(2)綜合的方法就是根據(jù)已發(fā)現(xiàn)的一般規(guī)律，對特殊事件做出解釋和預測，由此證實一般定律的真實性和可靠性。它表現(xiàn)為運用歸納出來的一般原理和定律去解釋物體的運動，對物體的狀態(tài)進行預見。

牛頓分析和綜合的方法遵循了從特殊到一般，再從一般到特殊的人類認識世界的基本過程。他的研究方法的一大特點是敢于并且善于將錯綜復雜的自然現(xiàn)象簡化，建立物理模型；另一特點是運用形象思維，構思一些神奇的理想實驗，創(chuàng)造出新的物理圖景來揭示天地物體運動的統(tǒng)一性。

1.3愛因斯坦和他的概念方法論

愛因斯坦是現(xiàn)代物理學的主要創(chuàng)始人和奠基人。他一生在三個不同領域作出了開拓性的貢獻，展示了巨大的創(chuàng)造才能。除建立相對論外，他還提出了光量子假說、開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學的研究，并且致力于統(tǒng)一場論的研究。

楊振寧先生在總結愛因斯坦物理學方法論時，曾指出了愛因斯坦方法論的兩個重要特點：一是關于物理概念的形成。近代物理學的公理不是從經(jīng)驗中概括出來的，必須通過自由想象創(chuàng)造出來。很顯然在近代被物理學研究所排斥的非邏輯的方法正在融入現(xiàn)代物理學的研究；二是數(shù)學的作用。20世紀以來，物理學的發(fā)展越來越離不開數(shù)學，尤其是一些深奧抽象的數(shù)學在物理學的發(fā)展中起到了重要的作用。正是由于數(shù)學與物理學如此緊密的交織在一起，使得愛因斯坦發(fā)展了他的數(shù)學方法論，使數(shù)學成為他在研究物理學過程中最重要的工具。

信念、知覺、形象思維、自由想象及對科學美的追求是愛因斯坦物理學形成的重要因素。正基于此，當我們在贊嘆愛因斯坦創(chuàng)立其博大精深的科學理論的同時，也不禁為他所開創(chuàng)新的物理學研究方法所折服。從愛因斯坦的物理學方法論中我們注意到現(xiàn)代物理學研究的領域在宏觀和微觀尺度上不斷出現(xiàn)了新的研究方法，這既預示了現(xiàn)代物理學的發(fā)展將面臨越來越多的困難，也暗示著在物理學新的發(fā)展時期必然要求新的研究方法的誕生。

1.4物理學方法論的現(xiàn)狀和展望

當前，物理學的研究方法同現(xiàn)代科學技術一樣處在一個重大的變革時代。物理學已不僅僅將機械運動、電磁運動和簡單原子分子的運動作為研究對象，而是把視線轉移到復雜性和綜合性的研究客體上來。隨之逐漸形成了研究此類問題的新學科——系統(tǒng)科學和非線性科學。系統(tǒng)科學是對傳統(tǒng)研究方法的創(chuàng)新，它首先從整體出發(fā)，再分析綜合，強調各部分功能有機的組合。非線性科學表明：線性是理想的，是在一定條件下的近似；而非線性才是接近實際世界而且普遍存在的。非線性關注微小變化所產(chǎn)生的結果和整體與局部的相關性。隨著人類洞察與理解客觀世界的不斷深入，系統(tǒng)科學和非線性科學將會為物理學的發(fā)展提供更為有力的方法論的支持，拓展出廣闊的空間。

目前來看，物理學的研究并非盡善盡美，一些基礎性的研究問題仍得不到很好的解決，對于許多未知領域和新的方向，研究依舊舉步維艱。反思物理學發(fā)展的困難，歸根究底還是在于物理學研究方法創(chuàng)新的困難。從物理學發(fā)展歷史的角度審視物理學，我們注意到：物理學研究一方面不可能拋棄如實驗、數(shù)學演繹等傳統(tǒng)方法；另一方面，計算機模擬等信息化手段正越來越多地滲透到現(xiàn)代物理學的研究當中，加之科學研究正在走出學科間的相對封閉，逐步實現(xiàn)學科之間的交叉和融合，其它學科的研究方法也必將會對物理學的發(fā)展在方法論上產(chǎn)生深遠的影響?？梢灶A見：物理學研究的方法在今后將會越來越明顯的體現(xiàn)多元化的特點，單一的研究方法是不足以支撐起物理學這樣一座宏偉大廈的。

2方法論的發(fā)展對物理教學的啟示

物理學方法論是包括在物理教育教學在內的主體內容，它和物理知識處于同等重要的地位。回顧物理學研究方法的演變，可以看出，以變革為存在形式的物理學方法必然要求有與之相適應的物理教學。我認為在反思以往物理教學的基礎上，在以下幾方面應當彌補過去工作的不足，做一些富有成效的實踐探究。

2.1重視物理概念和規(guī)律形成中歸納法的運用

歸納是從個別事實中概括出一般概念、結論的思維方法，是從個別到一般的思維運動。歸納是演繹的基礎，通過歸納對個別事物的現(xiàn)象研究所概括出來的一般知識原則，既是歸納的終點，又是演繹的起點。而現(xiàn)行物理教學中通常是以演繹法占據(jù)教學的主導地位。大部分教師通過講授將物理概念和定律告之學生，再利用這些物理結

論進行大量的解題訓練。教學過分偏重一般原理的適用性而忽視定律和概念的形成過程，將學生排除在定律和概念的形成過程之外。在中學階段，這樣的問題尤為突出。因此我們認為，在教學中應加強歸納法在教學中的運用，讓學生通過對實驗和物理現(xiàn)象進行歸納和概括，自主建構起對知識意義的理解。教師要設計好概念和定律教學中的重要環(huán)節(jié)，幫助學生實現(xiàn)對物理知識的掌握，這將有助于改善當前學生解決問題能力低下的狀況。

2.2注意培養(yǎng)學生非邏輯思維能力

物理教學一般強調物理問題數(shù)學化，通過建立物理模型運用數(shù)學手段對問題進行描述，從而對物體的狀態(tài)給予預測。在此過程中講求嚴密的推理和準確的邏輯關系，表現(xiàn)出物理學作為一門嚴謹科學所應有的特質。但是，長此以往的學習和訓練，學生可能會因此而喪失思維中最寶貴的閃光點：直覺和想象。

從現(xiàn)代物理學發(fā)展來看，包括直覺和想象這樣的非邏輯思維形式越來越多的發(fā)揮出其神奇的作用。愛因斯坦認為：在科學研究方法中“直覺是真正最可貴的因素”，“想象力比知識更重要，因為知識是有限的，而想象力概括著世界的一切，推動著社會進步，并且是知識進化的源泉?！敝庇X是從科學發(fā)現(xiàn)到概念形成中的重要因素；是由經(jīng)驗事實到檢驗理論活動的重要步驟；是面對各種可能性做出正確選擇的重要能力。而想象不僅可以把復雜的對象純粹化、簡略化，而且還可以借助它進行創(chuàng)造性的構思。

物理教學要順應物理學方法論的發(fā)展，激發(fā)并保持青少年在學習過程中的非邏輯思維，特別是在近代物理的教學中，教師應當盡可能讓學生體會和理解非邏輯思維在推動物理學向前發(fā)展過程中的重要作用。教師要創(chuàng)設民主、寬松的學習和交流的環(huán)境，留給學生思考的空間，鼓勵學生非邏輯性思維的嘗試，這將有益于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性才能，實現(xiàn)21世紀人才培養(yǎng)模式的轉變。

2.3整合物理教學內容，形成系統(tǒng)的物理學結構

系統(tǒng)科學的整體性原理指出：凡是系統(tǒng)，必然存在一個由各個部分構成且相互聯(lián)系的整體結構。這個結構所具備的功能可能要比各個有機組成部分功能的簡單相加要強大的多。在教學中除了要重視學生對知識的自主建構，還應當注意學生結構化知識的形成。沒有整體觀念的知識結構，所掌握的知識是零亂的、不完整的，且很快容易遺忘。正是由于學生頭腦中沒有一定的結構，加之教師在認識上的偏差，學生在學習上往往表現(xiàn)為對知識掌握短暫、認識膚淺、忽視知識的前后聯(lián)系，結果只能是學習興趣不高、視野狹窄、解決問題能力低下；反之，如果頭腦中存在結構，可能有些具體內容(如定律或定理)會忘記，但留在頭腦中的結構將成為學生解決問題和繼續(xù)學習堅實的基礎。教師要在整體原理的指導下，整合教學內容，給學生展現(xiàn)出系統(tǒng)化的物理世界，發(fā)揮出整體結構的最佳功能。

縱觀物理學方法論的發(fā)展伴隨物理學已經(jīng)走過了幾百年的歷史，從物理學的角度來看，物理學方法論如同物理學之靈魂，總是與它相附相依。每一次物理學研究方法的飛躍必然帶動物理學的進步。從物理教學的角度來看，物理學方法論是教學重要的組成部分，對每一位教師的教學都會有所啟發(fā)。

(欄目編輯張正嚴)