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(fā) 《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》明確起動(dòng)新一輪的課程改革，最新版各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)的核心關(guān)鍵詞是核心素養(yǎng)，核心素養(yǎng)的基本定位是： “學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)個(gè)人終生發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力?！?。最新普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中界定：物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)維度。

文化是一個(gè)抽象的名詞，關(guān)于文化的概念， 《辭海》的解釋是：文化從廣源來說，是指人類社會歷史實(shí)踐過程中所創(chuàng)造的物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富的總和。狹義來說，指社會的意識形態(tài)，以及與之相適應(yīng)的制度和組織結(jié)構(gòu)。國內(nèi)關(guān)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(xué)家在創(chuàng)建物理學(xué)理論過程中，發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)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(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、科學(xué)精神、物理儀器設(shè)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(biāo)準(zhǔn)中界定的物理學(xué)科核心素養(yǎng)：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)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(qiáng)大的影響力。結(jié)合文化、物理文化及物理學(xué)科核心素養(yǎng)，正如莊子名言：“判天地之美，析萬物之理?！?，物理文化中兼具 “真、善、美”。因此，筆者認(rèn)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(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)維度的理解，有助于為最新課程改革中指導(dǎo)如何培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)指明方向，有助于領(lǐng)會文化高于理念，物理文化高于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)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(xiàn)

1.體現(xiàn)在研究的對象是客觀存在真實(shí)的物質(zhì)。物質(zhì)的存在形式有場和實(shí)物兩種。物理學(xué)科不僅研究看不見、摸不著，只能通過轉(zhuǎn)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(shù)量級大約為1043；時(shí)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(shí)間尺度比值的數(shù)量級大約也為1043。物理學(xué)科是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，研究范圍極廣，場和實(shí)物都要研究，并且場和實(shí)物都是客觀存在的真實(shí)物質(zhì)。

2.體現(xiàn)在解釋現(xiàn)象用的是已經(jīng)檢驗(yàn)的規(guī)律或原理。物理定律是在一定條件下通過實(shí)驗(yàn)得出，是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并加以提煉出的產(chǎn)物，并且經(jīng)得起檢驗(yàn)的規(guī)律；物理定理經(jīng)邏輯推理的產(chǎn)物，雖不能被直接證明、但是符合公認(rèn)的基本事實(shí)，是屬于真理的范疇?，F(xiàn)象一定是真實(shí)存在的，物理學(xué)科在研究的過程中，解釋現(xiàn)象的相關(guān)定律、定理等規(guī)律或原理又是符合事實(shí)的規(guī)律。顯然這也是物理文化中 “真”的體現(xiàn)。

3.體現(xiàn)在滲透的基本理念是講究證據(jù)。凡事講究證據(jù)，是我們?yōu)槿颂幨赖幕居^點(diǎn)，而證據(jù)是建立在真實(shí)事件的基礎(chǔ)上的。證據(jù)必須有事實(shí)依據(jù)，物理學(xué)科教學(xué)中講究的就是事實(shí)依據(jù)，即物理學(xué)科教學(xué)的基本理念是講究證據(jù)。小到學(xué)生一個(gè)物理習(xí)題的解決，如學(xué)生審題了解習(xí)題描述的物理情景，通過建模發(fā)現(xiàn)物理模型，然后選擇合適的物理規(guī)律或原理解題；而學(xué)生在建模時(shí)從原始問題到模型之間要尋找模型成立的依據(jù)，即尋找證據(jù)，只有證據(jù)確鑿才能確定選用的物理模型的正確性。大到新理論的發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)發(fā)展的基本規(guī)律是：理論→實(shí)驗(yàn)→理論→實(shí)驗(yàn)→……。即可能是先提出新的理論、再用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象驗(yàn)證。如果能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證則新的理論則得到公認(rèn)并推廣；如不能用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證新的理論就不能被認(rèn)可；如被實(shí)驗(yàn)否定則否定此新提出的理論。也可能是先發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的現(xiàn)象，無法用已有的理論解釋，此時(shí)有物理學(xué)科提出一個(gè)新的理論來解釋這個(gè)現(xiàn)象。提出的新理論只有得到實(shí)驗(yàn)反復(fù)驗(yàn)證才會被物理界認(rèn)可、并被推廣?？梢?，物理學(xué)科是極其講究證據(jù)的，證據(jù)是真的體現(xiàn)。

4.體現(xiàn)在培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能的途徑是真做實(shí)驗(yàn)。物理是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，通過物理學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能時(shí)需要學(xué)生真正動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的指導(dǎo)思想是：做實(shí)驗(yàn)要做到一個(gè) “真”，凡是分組實(shí)驗(yàn)都要讓學(xué)生動(dòng)手“真”做實(shí)驗(yàn)，演示實(shí)驗(yàn)也要爭取在老師的指導(dǎo)下由學(xué)生代表來做。學(xué)生真正做過了實(shí)驗(yàn)，才能深刻領(lǐng)悟?qū)嶒?yàn)的原理、使用器材的注意事項(xiàng)、誤差形成原因等，就能觸類旁通、舉一反三。通過 “真”做實(shí)驗(yàn)才能真正培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能，從而使學(xué)生對物理現(xiàn)象、規(guī)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(zhì)的飛躍。

5.體現(xiàn)在領(lǐng)悟到的為人標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)事求是。物理學(xué)科研究對象都是客觀存在真實(shí)的物質(zhì)；遇到的都是在真實(shí)實(shí)驗(yàn)及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摚⒌玫椒磸?fù)驗(yàn)證的的基礎(chǔ)上得出的規(guī)律或原理；使用的解決問題方法都是有理有據(jù)、切實(shí)有效的的方法；觀測到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、測量到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論都是經(jīng)得起反復(fù)驗(yàn)證的。這樣，經(jīng)過長期的物理學(xué)習(xí)、工作后培養(yǎng)的職業(yè)精神一定是一個(gè) “真”字，反對弄虛作假；從而領(lǐng)悟到為人標(biāo)準(zhǔn)：做人、做事都要實(shí)事求是。真可謂：“千教萬教教人求真、千學(xué)萬學(xué)學(xué)做真人”。正是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培育目標(biāo)的第四個(gè)維度的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的體現(xiàn)。

6.體現(xiàn)在培育學(xué)生具有正確的物理觀念。物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中四個(gè)關(guān)鍵詞之一。最新高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)指出： “物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)?！拔锢碛^念”主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素。學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)可以認(rèn)識到電場、磁場這種看不見、摸不著的客觀物質(zhì)的真實(shí)存在，形成物質(zhì)有實(shí)物和場兩種存在形態(tài)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(wèi)星對接時(shí)后面的衛(wèi)星追前面的衛(wèi)星需要先減速再加速；可以理解為什么能量守恒但還要節(jié)約能源等。培育學(xué)生形成正確的物理觀念，增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，這既是新課改的目標(biāo)，也正是物理文化中真的體現(xiàn)。

（二）物理文化中的 “善”的體現(xiàn)

1.體現(xiàn)在完善知識系統(tǒng)、形成正確物理觀念。完善的物理知識系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)及學(xué)習(xí)進(jìn)階理論編排設(shè)計(jì)的，起點(diǎn)要求是具有初中物理學(xué)科基礎(chǔ)知識、終點(diǎn)目標(biāo)是能夠適應(yīng)個(gè)人終生發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。物理學(xué)科學(xué)習(xí)的首要任務(wù)是完善物理知識系統(tǒng)，不同階段、不同版本的高中物理教材編排結(jié)構(gòu)有所不同，但知識板塊均涵蓋力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及原子物理等分支學(xué)科，并且每個(gè)分支學(xué)科都有不同的育人功能，這些學(xué)科知識由點(diǎn)到面再到體形成知識網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并呈螺旋形上升。學(xué)生有了完善知識系統(tǒng)，才能建立正確的物理觀念。

2.體現(xiàn)在提高智能水平、善于解決實(shí)際問題。物理教學(xué)要抓好明暗兩條主線，明線是物理概念、規(guī)律或原理等物理知識的傳授、及幫助學(xué)生建立物理知識系統(tǒng)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(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維，提升學(xué)生解決實(shí)際問題的能力?？茖W(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面之一，通過物理問題，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)思維，選擇解決問題最佳的方法，并且物理問題一般是真實(shí)存在的問題，所以培養(yǎng)學(xué)生的是真能力、具有實(shí)戰(zhàn)型。學(xué)生的思維方法得到科學(xué)、規(guī)范指導(dǎo)與訓(xùn)練，可有效提高學(xué)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(xiàn)。智能水平高的人善于解決各類實(shí)際問題，可見，科學(xué)思維訓(xùn)練促進(jìn)人的智能水平是物理學(xué)科功能，也是物理文化中 “善”的體現(xiàn)。

3.體現(xiàn)在物理研究具有向善性、杜絕惡性成果產(chǎn)出。物理學(xué)史研究表明，科學(xué)研究具有向善性，物理是自然學(xué)科的基礎(chǔ)學(xué)科，物理研究也具有向善性。所謂向善性，是指科學(xué)研究主流方向都是從對社會進(jìn)步有益方向。對社會有益或促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步有益的科研項(xiàng)目，參與的科學(xué)家規(guī)格高、人數(shù)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(xué)界主流文化的支持，即使有相關(guān)研究成果也會被嚴(yán)格管控，也得不到廣泛認(rèn)可或推廣；如果對社會有危害的科研項(xiàng)目，從政府層面會利用法律手段進(jìn)行干預(yù)、制止。可見，物理研究具有向善性，也是物理文化中善的體現(xiàn)。

4.體現(xiàn)在物理助推科技發(fā)展，科技促進(jìn)社會進(jìn)步。歷史上經(jīng)歷過的三次工業(yè)革命，即：第一次工業(yè)革命，即蒸汽技術(shù)革命、第二次工業(yè)革命，即電力技術(shù)革命、第三次工業(yè)革命，即信息技術(shù)革命。當(dāng)今社會正在經(jīng)歷的第四次工業(yè)革命，即以互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化，工業(yè)智能化，工業(yè)一體化為代表，以人工智能，清潔能源，無人控制技術(shù)，量子信息技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)以及生物技術(shù)為主的全新技術(shù)革命。歷史發(fā)展可知，每兩次工業(yè)革命之間的時(shí)間間隔越來越短、知識、技能呈幾何級數(shù)量劇增，社會發(fā)展的腳步越來越快。物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)，物理學(xué)推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，科學(xué)技術(shù)促進(jìn)社會進(jìn)步。物理助推科技發(fā)展，科技發(fā)展促進(jìn)社會進(jìn)步，可見，這也是物理文化中善的體現(xiàn)。

5.體現(xiàn)在物理學(xué)家不計(jì)名利、擁有和善之心。物理學(xué)史研究表明，助推物理學(xué)的進(jìn)步與發(fā)展的科研成果的產(chǎn)生往往需要集體的智慧。這個(gè)集體可能是并沒有交集的幾代物理學(xué)家，也可能是同一時(shí)期的不同地方的物理學(xué)家，也可能是同一個(gè)團(tuán)隊(duì)物理人。這些人無論認(rèn)識還是不認(rèn)識，交流的共同屬性是學(xué)習(xí)并借鑒同行科研成果，而科研成果的推出是物理學(xué)家無私的奉獻(xiàn)，是不計(jì)名利的體現(xiàn)。不同地域物理學(xué)家之間的交流、物理學(xué)家引領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)中成員的團(tuán)結(jié)協(xié)助，只要是能不計(jì)名利、無私的奉獻(xiàn)，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(xiàn)。

（三）物理文化中的 “美”的體現(xiàn)

1.體現(xiàn)在物理學(xué)的抽象之美。原始實(shí)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(yīng)物理模型。物理模型可以用相應(yīng)的物理規(guī)律對應(yīng)的物理公式來表達(dá)。物理公式與數(shù)學(xué)表達(dá)式的區(qū)別在于物理公式富有物理意義，同一數(shù)學(xué)表達(dá)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(guī)律的物理公式往往比較簡潔、一般是初等數(shù)學(xué)表達(dá)形式，物理公式對應(yīng)的圖象也很簡潔。這樣物理情景——物理公式（數(shù)學(xué)表達(dá)式）——圖象之間存在對應(yīng)關(guān)系，物理情景復(fù)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(xué)過物理、并且具有物理學(xué)科核心素養(yǎng)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(xiàn)物理學(xué)的抽象之美。

2.體現(xiàn)在物理學(xué)的簡約之美。物理學(xué)規(guī)律一般可用物理公式表達(dá)，物理公式往往是賦予物理意義的初等數(shù)學(xué)公式。比如物理學(xué)中力學(xué)的三大觀點(diǎn)中的牛頓運(yùn)動(dòng)定律結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)，研究運(yùn)動(dòng)與力對應(yīng)關(guān)系的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)是牛頓第二定律，而牛頓第二定律可以用∑F=ma 來表達(dá)；能量觀點(diǎn)中的動(dòng)能定理可用∑W=△Ek來表達(dá)，功能關(guān)系可用W重=△Ep、W其他=△E等來表達(dá)，機(jī)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(dá)；動(dòng)量觀點(diǎn)中的動(dòng)量定理可用∑I=△P、動(dòng)量守恒定律可用 m1v1+m2v2=m1v′1+m2v′2或 Δp1=－Δp2來表達(dá)，這些表達(dá)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(xiàn)物理學(xué)的簡約之美。

3.體現(xiàn)在物理學(xué)的和諧之美。物理學(xué)的和諧之美體現(xiàn)在一定條件下穩(wěn)定與統(tǒng)一兩個(gè)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(tǒng)、日地系統(tǒng)也在不但變化，但月球在繞地球公轉(zhuǎn)、地球在繞太陽公轉(zhuǎn)相對處于穩(wěn)定狀態(tài)，一定條件下的穩(wěn)定狀態(tài)是一種和諧之美。牛頓發(fā)現(xiàn)了牛頓三大定律與萬有引力定律把天地運(yùn)動(dòng)規(guī)律和諧統(tǒng)一；麥克斯韋用

等四個(gè)公式組成的麥克斯韋方程組把電學(xué)、磁學(xué)規(guī)律統(tǒng)一起來，并且成功把光學(xué)也納入電磁學(xué)的范疇。在物理學(xué)家眼里，這種穩(wěn)定和統(tǒng)一是跨越史詩般的和諧之美。

4.體現(xiàn)在物理學(xué)的對稱之美。物理學(xué)中的對稱美體現(xiàn)在：首先像平面鏡成像具有對稱性、畫出的對稱性圖象，運(yùn)動(dòng)軌跡的對稱性的對稱物理圖形之美。其次像一些守恒關(guān)系的規(guī)律的表達(dá)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(fā)現(xiàn)電流的磁效應(yīng) （此處簡稱電 “生”磁）后，法拉第堅(jiān)信逆過來 （簡稱磁 “生”電）一定能行，于是他經(jīng)過多年不懈努力終于發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，法拉第利用這種對稱可逆思維大大推進(jìn)物理學(xué)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。可見物理學(xué)的對稱美不僅是外在美更是內(nèi)涵美。

5.體現(xiàn)在物理學(xué)的語言之美。物理學(xué)科語言是由必要國語 （如中國為漢語）和阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母、希臘字母等組成。用規(guī)范的物理學(xué)科語言陳述的科研成果，對于沒有物理學(xué)科素養(yǎng)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(xué)科素養(yǎng)的人看來是用簡潔物理公式表達(dá)生動(dòng)的物理意義，抽象的符號描述準(zhǔn)確的物理情景，是用較少的文字高效表述科研成果的體現(xiàn)。物理學(xué)科語言具有學(xué)科特點(diǎn)，兼具抽象、簡約以及和諧之美。

三、結(jié)束語

物理文化中的 “真、善、美”不僅具有學(xué)科某一方面體現(xiàn)的或真、或善、或美的個(gè)性，更是 “真、善、美”三者兼具的共性，物理學(xué)科的魅力就在于物理學(xué)科兼具 “真、善、美”。學(xué)生通過物理學(xué)科學(xué)習(xí)，首先是欣賞物理文化中的 “真、善、美”、然后是領(lǐng)悟這種 “真、善、美”，最后內(nèi)化為學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)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(xué)科核心素養(yǎng)中的物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等四個(gè)維度既是一脈相承，又是物理學(xué)科核心素養(yǎng)四個(gè)維度躍升到文化層面的體現(xiàn)，并且高于物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)維度。

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