阿倫斯物理課程思想對我國物理課程改革的啟示

陳敏華

摘 要：從物質(zhì)、性質(zhì)、物理量和物理定律之間關(guān)系的角度可以更好地解讀美國著名物理教育家阿倫斯的物理課程思想.用他的課程思想去審視我國現(xiàn)行物理課程，可以發(fā)現(xiàn)其中的一些不足之處.

關(guān)鍵詞：物質(zhì)；性質(zhì)；物理量；物理定律；物理課程

阿倫斯（Arnold Boris Arons，1916—2001）被稱為當(dāng)代國際物理教育研究之父.他的物理課程思想對我國的物理課程建設(shè)很有啟發(fā).在此，筆者想通過介紹他的物理課程思想，對我國物理課程改革提出幾點建議.

一、 阿倫斯物理課程思想綜述

阿倫斯花了近半個世紀(jì)的歲月對基礎(chǔ)物理教育進行了系統(tǒng)的研究，繼承和發(fā)展了蘇格拉底、柏拉圖、蒙田、盧梭、杜威、懷特海和皮亞杰的教育理論，給我們留下了寶貴的物理教育思想.把阿倫斯物理教育思想劃分為物理教學(xué)思想和物理課程思想，這僅僅是一種側(cè)重的描述方法.其實，兩者是一個不可分割的整體.我們在側(cè)重介紹他的物理課程思想時，肯定會涉及他的物理教學(xué)思想.阿倫斯的物理課程思想散見于他的專著和論文中.這里我們選出其中比較核心的和對我國物理課程改革具有啟發(fā)性和針對性的內(nèi)容來加以介紹.

（一）科學(xué)概念不是物質(zhì)

早在20世紀(jì)80年代，阿倫斯就明確地指出“科學(xué)概念不是物質(zhì)”.在《批判性思維和學(xué)士學(xué)位課程》一文中他指出：“……科學(xué)概念不是‘被發(fā)現(xiàn)的物體，而是人們通過智力活動經(jīng)過精心抽象而創(chuàng)造或發(fā)明出來的……”[1]

既然科學(xué)概念是人們創(chuàng)造出來的，那么，我們就必須向?qū)W生講清人們是如何創(chuàng)造這些概念的.基于這一認(rèn)識，阿倫斯進一步強調(diào)了概念的操作型定義在物理課程中的重要性.在《基礎(chǔ)物理教學(xué)指南》一書第12章“提高科學(xué)素養(yǎng)”中，他共列出了12個科學(xué)素養(yǎng)的特征，并把學(xué)生必須知道“科學(xué)概念不是物質(zhì)”和概念的“操作型定義”列為第1、2兩個：“知道科學(xué)概念（如速度、加速度、力、能量、電荷、引力和慣性質(zhì)量）是通過人們的想象力和智力發(fā)明（或創(chuàng)造）出來的，而不是像化石、新物種或礦物這些有形的物體或被偶然發(fā)現(xiàn)的物質(zhì).”“知道理解和正確運用科學(xué)概念需要詳細(xì)的操作型定義……”[2]289

在《基礎(chǔ)物理課程中能量概念的發(fā)展》一文中，阿倫斯明確指出：“能量不是具體的物體，不是物質(zhì)……（許多學(xué)生學(xué)了基礎(chǔ)物理課程后把動量和能量當(dāng)成了物質(zhì)……）”[3]1064

（二）對超距作用的批判

在《基礎(chǔ)物理教學(xué)指南》一書中，阿倫斯從歷史的角度多次分析超距作用觀點，指出它的各種表現(xiàn).

在第3章“基礎(chǔ)動力學(xué)”中，他明確指出，牛頓理論是超距作用的理論[2]49-90.在第8章“電磁學(xué)”中，他介紹了法拉第否認(rèn)超距作用觀點建立場的概念的歷史.他甚至細(xì)心地指出，“吸引”一詞在某些情境下也表現(xiàn)出超距作用的觀點[2]196.

（三）力是分布式的

在《基礎(chǔ)物理教學(xué)指南》一書第3章“基礎(chǔ)動力學(xué)”中，阿倫斯指出：“用單獨一個箭頭來表示物體的重力、物體表面的正壓力、物體表面的摩擦力，是一種分布效應(yīng)的簡化表示.這些分布的力必須‘一塊一塊地加起來.很少有教材引導(dǎo)學(xué)生去認(rèn)識這一點.”“如果我們提醒學(xué)生去關(guān)注力的分布特點，這一觀點學(xué)生是不難接受的.問題是我們從來沒有這樣提醒過學(xué)生.如果我們一直不提醒學(xué)生，這一概念上的空白就會一直留在學(xué)生的頭腦中，許多學(xué)生一直要過很長時間，等他們的概念發(fā)展到一定程度時才會去填補這一空白.”[2]68

（四）動能定理不是能量方程

在傳統(tǒng)物理課程中，動能定理普遍地被當(dāng)作獨立于牛頓運動定律的能量方程來處理.針對這一長期以來存在的問題，阿倫斯在《美國物理學(xué)雜志》上專門發(fā)表《基礎(chǔ)物理課程中能量概念的發(fā)展》一文，從概念和歷史的角度進行了嚴(yán)密的分析.他指出：“基本的問題是，動能定理實際上是一個動力學(xué)方程，它是從牛頓第二定律中推導(dǎo)出來的，而不能成為一個真正的、普遍的能量方程.在經(jīng)典物理中，有三個獨立的守恒方程.第一個是連續(xù)性方程或質(zhì)量守恒方程.第二個是動量守恒定律，它是對牛頓力學(xué)的高度概括.如果經(jīng)典物理中普遍的能量守恒定律可以從動力學(xué)方程中推導(dǎo)出來，這將會出現(xiàn)同義反復(fù)的現(xiàn)象，就不可能存在第三個獨立的方程，而事實上這個方程是存在的.能量守恒定律不可能是推導(dǎo)出來的，它像其他守恒定律一樣，是從有限的觀察中歸納出來的，并最終被大家接受，因為沒有觀察到反例.”[3]1063

二、我國現(xiàn)行物理課程存在的不足及改進建議

上面所介紹的阿倫斯物理課程思想看似普通，卻可幫助我們深刻地審視物理課程中存在的不足.下面我們用他的上述課程思想來透視我國現(xiàn)行物理課程中存在的不足，并提出相應(yīng)的改進建議.

（一）把物理量當(dāng)作物質(zhì)

物理量不是物質(zhì)，是人們?yōu)榱嗣枋鑫镔|(zhì)的性質(zhì)而創(chuàng)造出來的.然而，在物理教材中，我們普遍地可以看到把物理量當(dāng)作物質(zhì)的現(xiàn)象.具體表現(xiàn)如下.

1.把電荷當(dāng)作物質(zhì)

現(xiàn)行人教版高中物理教材，對“電”“電荷”和“電荷量”這三個名稱的使用是很混亂的.教材中用“電”這個詞來“表示琥珀經(jīng)過摩擦以后具有的性質(zhì)”，可后來又增加了“電荷”和“電荷量”這兩個詞，并指出：“電荷的多少叫電荷量.”顯然，電荷量是一個物理量.那么，電荷就只能指電這種性質(zhì)了，也就是說，電荷與電是同義詞.然而，我們發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)行教材中給“電荷”一詞賦予了多種含義：在“自然界的電荷只有兩種”的表述中，把“電荷”當(dāng)作一種物質(zhì)，因為如果它指的是一種性質(zhì)（電的別名）的話，它只指電這種性質(zhì)，如果它指的是一個物理量（電荷量的別名）的話，它應(yīng)該有正、負(fù)和零三種；在“電荷守恒定律”的表述中，把“電荷”又當(dāng)作一個物理量，因為守恒是對物理量來說的，而不是對物質(zhì)來說的；在對點電荷的定義中，又把電荷當(dāng)作帶電體.總之，教材一會兒把“電荷”當(dāng)作物質(zhì)，一會兒又把它當(dāng)作物理量，實質(zhì)上是對物理量和它所描述的物質(zhì)的性質(zhì)的混淆.

我們建議，把電荷與電荷量作為同一個概念的兩個不同名稱，即它們都是物理量，從而把“電荷守恒定律”理解為“電荷量守恒定律”.

2.把能量（質(zhì)量）當(dāng)作物質(zhì)

根據(jù)普朗克（Max Planck，1858—1947）能量量子化理論，振動著的帶電微粒是以最小能量值為單位一份一份地輻射或吸收電磁波的，這個不可再分的最小能量hν叫作能量子.顯然，電磁波是物質(zhì)，而能量子是描述電磁波的一個物理量.然而，在現(xiàn)行人教版物理教材中，卻把能量子當(dāng)作光子這種物質(zhì)了：“……光本身就是由一個個不可分割的能量子組成的，頻率為ν的光的能量子為hν，h為普朗克常量.這些能量子后來被稱為光子.”

以上表述之所以是錯誤的，是因為光子的能量特征不能替代它的全部特征.實際上，電磁輻射是一種物質(zhì)，單獨用能量來描述電磁輻射是不夠的.光子是電磁輻射的基本組成部分.顯然，這個基本組成部分不是能量子.光子還需要用除能量以外其他的物理量（如動量、角動量和溫度等）來描述.

（二）無視場的存在

超距作用的明顯表現(xiàn)是無視場這種物質(zhì)的存在.在教材中主要表現(xiàn)在以下幾個方面.

1.無視引力場的存在

在現(xiàn)行人教版高中物理教材中，始終沒有引入引力場這一概念.這樣，在相關(guān)問題的表述中就出現(xiàn)了諸多的矛盾.例如，在關(guān)于重力勢能的分布中，教材是這樣表述的：“嚴(yán)格說來，重力勢能是地球與物體所組成的物體系統(tǒng)所共有的，而不是地球上的物體單獨具有.”

其實，這樣說仍不嚴(yán)格.原因是，這里仍無視引力場這種物質(zhì)的存在.實際上，重力勢能分布在引力場中；當(dāng)我們將物體向上拋出后，物體的能量不斷地流向引力場；當(dāng)物體從最高點再下落時，引力場中的能量又流回到物體中.對光在遠(yuǎn)離強引力場時所發(fā)生的紅移現(xiàn)象和光在靠近強引力場時所發(fā)生的藍(lán)移現(xiàn)象也可以作同樣的解釋.

又如，在關(guān)于振動系統(tǒng)的組成中，教材是這樣表述的：“彈簧振子是小球和彈簧所組成的系統(tǒng)的名稱……”“如果細(xì)線的質(zhì)量與小球相比可以忽略，球的直徑與線的長度相比也可以忽略，這樣的裝置就叫做單擺.”

顯然，教材沒有把地球和引力場包括在振動系統(tǒng)中.經(jīng)過簡單的分析我們知道，對于豎直的彈簧振子和單擺，動量通過引力場在地球和振動物體之間流動，能量在引力場和振動物體之間流動.因此，地球和引力場也是這兩種振動系統(tǒng)的組成部分.

我們建議，教材一開始就要引入引力場這一概念；在后來，教材要明確地告訴學(xué)生重力勢能不在物體中而在引力場中和引力場及地球也是彈簧振子和單擺的組成部分.

2.無視電場和磁場的存在

盡管現(xiàn)行人教版高中物理教材引入了電場和磁場的概念，但仍普遍地表現(xiàn)出對電場和磁場的輕視甚至無視.例如，“電荷A對電荷B的作用力，就是電荷A的電場對電荷B的作用；電荷B對電荷A的作用力，就是電荷B的電場對電荷A的作用.”

這里我們不再重復(fù)討論教材把“電荷”這一物理量當(dāng)成了物質(zhì).實際上，帶電體A和B受到的是它們共同的電場的作用.實驗表明，在電場線的方向上，電場處于拉伸狀態(tài)；在等勢面的方向上，電場處于壓縮狀態(tài).由于電場線與帶電體直接相連（等勢面則不是），帶電體是被周圍的電場拉著的；兩個同種帶電體是被它們周圍的電場拉開的，兩個異種帶電體是被它們周圍的電場拉攏的[4].正如阿倫斯所說，即使我們說異種帶電體相互“吸引”，這也是帶有超距作用色彩的.

又如，“一支縫衣針，帶電后由于同種電荷相互推斥，電荷自然要被“擠”到針的兩端.”

實際上，導(dǎo)體內(nèi)沒有電場，針兩端的“電荷”是被針周圍的電場拉開的.

再如，在介紹靜電屏蔽現(xiàn)象時，教材只講電場對導(dǎo)體的影響，而只字不談導(dǎo)體對電場的影響.在談到金屬網(wǎng)的屏蔽作用時，教材只字不提網(wǎng)孔周圍的電場.其實，網(wǎng)孔周圍的電場“堵住”了電場進入網(wǎng)罩內(nèi).

對于磁場，教材中也存在類似的問題.這里不一一列舉了.

我們建議，教材應(yīng)始終將電場和磁場當(dāng)成物質(zhì)來看待，以徹底拋棄超距作用這一錯誤觀點.

（三）缺乏對物理量的分類

力是矢量，因此我們可以像對待其他矢量型物理量一樣在數(shù)學(xué)上用表示大小和方向的箭頭來表示力.然而，這并不是說，力是通過其矢量的箭頭作用在物體上的.根據(jù)力的定義F=dp/dt，力是動量的導(dǎo)數(shù).導(dǎo)數(shù)在數(shù)學(xué)上又叫流數(shù).在物理學(xué)中，一般把廣延量的導(dǎo)數(shù)叫作這個廣延量的流，如電流I（=dq/dt）是單位時間通過導(dǎo)體橫截面的電荷，能流（又叫功率）P（=dE/dt）是單位時間通過管道橫截面的能量，流量Q（=dV/dt）是單位時間通過管道橫截面的流體的體積.同樣，力F是單位時間通過系統(tǒng)邊界的動量.

因此，物理量可以這樣來分類：廣延量是指向體積的，因為我們可定義相應(yīng)的密度；廣延量的流是指向面積的；而強度量如溫度、速度、電勢等）是指向點的.

我們建議，教材在適當(dāng)?shù)臅r候應(yīng)向?qū)W生介紹物理量的這一分類.我們應(yīng)明確告訴學(xué)生，力是分布在一個面上的物理量；力的作用點僅僅是在數(shù)學(xué)上把力作為矢量運算時才有意義.力的作用點不具有物理意義.對于功率和力，我們應(yīng)該像理解流量、電流等物理量一樣，理解為指向某一面積的物理量.

（四）把動能定理當(dāng)作能量方程

在國內(nèi)外物理教材中，普遍地把動能定理當(dāng)作能量方程.在國外教材中，把這個定理叫作“work-energy theorem”（直譯為功能原理）.究其原因，主要是混淆了兩個功的定義.例如，在我國的教材中就有兩種功的定義同時出現(xiàn)的情況：

“如果物體在力的作用下能量發(fā)生了變化，這個力一定對物體做了功.”

“在物理學(xué)中，如果力的方向與物體運動的方向一致……把功定義為力的大小與位移大小的乘積.”

實際上，前者才是功的定義，可用公式寫為：

W = ΔE

而后者只有對于一個質(zhì)點來說才是功的定義.只有在這時，動能定理才具有能量方程的意義.在一般情況下，動能定理是描述運動的運動定律，是與牛頓運動定律等價的.因此，W = Fl不是普遍意義上的功的定義.

我們建議，明確功的定義是“能量從一個系統(tǒng)到另一個系統(tǒng)的傳遞”[5]；把動能定理表述為“力與物體位移的乘積等于物體動能的變化”；把動能定理理解為動力學(xué)方程，一個與牛頓運動定律、動量守恒定律、動量定理和機械能守恒定律等價的動力學(xué)方程；把動能定理理解為獨立于能量守恒定律的動力學(xué)方程.

阿倫斯物理課程思想是從物理學(xué)概念和定律的歷史發(fā)展的角度審視物理課程的結(jié)果.我們必須站在現(xiàn)代物理學(xué)的高度去審視現(xiàn)行物理課程.物理學(xué)在不斷地發(fā)展之中，因而，物理課程改革必將是我們物理教育工作者一代接一代的永恒事業(yè).

參考文獻：

[1]ARONS A B. “Critical thinking” and the baccalaureate curriculum[J]. Liberal Education， 1985（71）：141-157.

[2] ARONS A B. A guide to introductory physics teaching[M]. John Wiley & Sons， Inc.，1990.

[3] ARONS A B. Development of energy concepts in introductory physics courses[J].American Journal of Physics，1999（67）.

[4] HERRMANN F. Energy density and stress： A new approach to teaching electromagnetism[J]. American Journal of Physics，1989（57）：707-714.

[5] THEWLIS J. Concise dictionary of physics and related subjects[M]. Pergamon Press， 1979： 360.