物理學(xué)史的內(nèi)涵及其在物理學(xué)科教學(xué)中的功能

摘 要：本文由“錢學(xué)森之問”引發(fā)問題，引用錢三強對物理學(xué)史地位的界定，剖析了物理學(xué)史的內(nèi)涵，再結(jié)合物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個方面，論述物理學(xué)史在物理學(xué)科教學(xué)中的功能，試圖為破解“錢學(xué)森之問”的答案尋找思路。

關(guān)鍵詞：物理學(xué)史；內(nèi)涵；功能

作者簡介：沈祖榮，江蘇省木瀆高級中學(xué)高級教師，江蘇省333工程培養(yǎng)對象，蘇州市名教師，蘇州市學(xué)科帶頭人。（江蘇 蘇州 215101）

基金項目：本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度立項課題“物理文化課堂構(gòu)建策略的實踐研究”（課題批號：D/2015/02/121）的研究成果。

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）25-0021-03

一、問題的提出

2005年，時任我國總理的溫家寶看望著名科學(xué)家錢學(xué)森，錢學(xué)森對溫總理說：“這么多年培養(yǎng)的學(xué)生，還沒有哪一個的學(xué)術(shù)成就，能夠跟民國時期培養(yǎng)的大師相比。”錢老還在多種場合提過這樣的問題：“為什么我們的學(xué)?？偸桥囵B(yǎng)不出杰出的人才？”這就是著名的“錢學(xué)森之問”。

十多年來，我國國家層面為破解“錢學(xué)森之問”而進(jìn)行了課程改革、高考制度的改革等一系列的措施；各級各類學(xué)者也紛紛建言獻(xiàn)策，求破解“錢學(xué)森之問”。

所謂“錢學(xué)森之問”中的杰出人才是指對科技發(fā)展有杰出貢獻(xiàn)或巨大影響力的科學(xué)家。物理學(xué)科是科學(xué)的重要基礎(chǔ)學(xué)科，是科技發(fā)展的源動力。由于受目前的升學(xué)壓力以及應(yīng)試教育的影響，當(dāng)前基礎(chǔ)教育中的物理教育、教學(xué)中普遍存在重結(jié)果、輕過程，重邏輯推理、輕人文熏陶，重理論分析、輕動手實驗，缺少學(xué)生責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)慕逃葐栴}；而研究物理學(xué)史內(nèi)涵及功能，運用物理學(xué)史揭示科學(xué)的本質(zhì)，對科學(xué)態(tài)度、科學(xué)觀念、科學(xué)思維等的培養(yǎng)，有助于培養(yǎng)未來杰出的物理學(xué)家。

二、物理學(xué)史的內(nèi)涵

著名科學(xué)家錢三強為郭奕玲、沈慧君等主編的《物理學(xué)史》一書所作的序中曾提出：物理學(xué)發(fā)展史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地，這塊寶地很值得我們?nèi)ラ_墾，這些精神財富很值得我們?nèi)グl(fā)掘。如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財富發(fā)掘出來，從中吸取營養(yǎng)，獲得教益，我相信對我國的教育事業(yè)和人才培養(yǎng)都會是大有益處的。

正如錢三強所說，物理學(xué)史是蘊藏著極大精神財富的寶地，這塊寶地蘊含著的就是物理學(xué)史的內(nèi)涵，挖掘這塊寶地就需要剖析物理學(xué)史的內(nèi)涵。

1. 物理學(xué)史詮釋物理學(xué)的發(fā)展歷程。物理學(xué)史是物理學(xué)在歷史進(jìn)程中的發(fā)生、發(fā)展過程。學(xué)習(xí)了物理學(xué)史就能了解物理學(xué)的發(fā)展歷程，更能辯證看待物理學(xué)的發(fā)展。

物理學(xué)科從最初的“經(jīng)驗物理”階段：即憑日常生活中的現(xiàn)象總結(jié)出的經(jīng)驗，如亞里士多德提出的力是維持物體運動狀態(tài)的原因，重的物體下落得快、輕的物體下落得慢等；再諸如地方天圓、地心說等。到經(jīng)典物理學(xué)階段：這階段已有較為完整的理論體系，如牛頓運動定律為基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，其研究對象主要是宏觀、低速的物體；再諸如經(jīng)典的能量、動量規(guī)律，經(jīng)典的幾何光學(xué)和物理光學(xué)等。再到現(xiàn)代物理學(xué)：高速系統(tǒng)要用相對論的理論研究、微觀系統(tǒng)要用量子力學(xué)理論來研究等。

從物理學(xué)的發(fā)展歷程看，雖然最初的“經(jīng)驗物理”中很多結(jié)論是錯誤的，現(xiàn)在看來就算是經(jīng)典物理中也有不少規(guī)律或結(jié)論是片面的，但其具有時代性，符合當(dāng)時的人們科學(xué)技術(shù)的認(rèn)知水平需求，不能全盤否定其對當(dāng)時的社會進(jìn)步做出的貢獻(xiàn)。理解物理學(xué)的發(fā)展史有助于培養(yǎng)學(xué)生正確的觀念及觀念更新的意識。

2. 物理學(xué)史詮釋物理文化的本質(zhì)。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。

筆者也曾通過物理學(xué)史的研究，發(fā)現(xiàn)并在《試論物理文化中的“真、善、美”》一文中提出物理文化的本質(zhì)觀點，即所謂“真”體現(xiàn)在：研究的對象是客觀存在真實的物質(zhì)、解釋現(xiàn)象用的是已經(jīng)檢驗的規(guī)律或原理、滲透的基本理念是講究證據(jù)、培養(yǎng)實驗技能的途徑是真做實驗、領(lǐng)悟到的為人標(biāo)準(zhǔn)是實事求是、培育學(xué)生具有正確的物理觀念等；所謂“善”體現(xiàn)在：“完善知識系統(tǒng)、形成正確物理觀念”“提高智能水平、善于解決實際問題”“物理研究具有向善性、杜絕惡性成果產(chǎn)出”“物理助推科技發(fā)展、科技促進(jìn)社會進(jìn)步”“物理學(xué)家不計名利、擁有和善之心”等等；所謂“美”體現(xiàn)在：抽象之美、簡約之美、和諧之美、對稱之美、語言之美等等。

通過對物理學(xué)史的研究、物理學(xué)發(fā)展的案例分析，可以明確給我們啟示：物理文化中的“真、善、美”。學(xué)生學(xué)習(xí)物理學(xué)史還可以內(nèi)化為學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)中的“真、善、美”。

3. 物理學(xué)史詮釋物理學(xué)與其他科學(xué)的關(guān)系。研究物理學(xué)史，從物理學(xué)的發(fā)展可知：物理學(xué)是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，最初的自然科學(xué)實際就是物理學(xué)。物理學(xué)研究的時間跨度和空間跨度大約都在1044數(shù)量級范圍，尺度大到天體、宇宙研究范圍內(nèi)的現(xiàn)在稱為天體物理學(xué)，尺度數(shù)量級小于10-10m研究范圍內(nèi)的現(xiàn)在稱為原子和原子核物理學(xué)等。所謂化學(xué)是在數(shù)量級為10-10m研究范圍內(nèi)物理學(xué)科的分支學(xué)科，生物學(xué)實際也是大物理范圍的一個分支學(xué)科。在很久以前，化學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)都屬于大物理學(xué)范疇。從發(fā)展趨勢看，尺度在數(shù)量級為10-9m即納米級研究范圍內(nèi)表現(xiàn)出來的性質(zhì)、規(guī)律和特性稱為納米技術(shù)領(lǐng)域；從尺度在不同數(shù)量級的顆粒表現(xiàn)出不同性質(zhì)可以推斷物理學(xué)的發(fā)展預(yù)期熱門領(lǐng)域。

4. 物理學(xué)史詮釋科學(xué)的本質(zhì)。詮釋科學(xué)的本質(zhì)有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，物理學(xué)是科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，科學(xué)發(fā)展的源動力，研究物理學(xué)史能很好地詮釋科學(xué)的本質(zhì)。

美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）將科學(xué)本質(zhì)分為世界觀、科學(xué)探究、科學(xué)事業(yè)等三個方面。結(jié)合物理學(xué)史與物理學(xué)科的本質(zhì)，筆者認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)主要包括以下三個方面：第一，必須以證據(jù)為基礎(chǔ)的思考方式，即從猜想、假說到推理、驗證，再到得出結(jié)論的過程，必須以證據(jù)為依據(jù)。第二，科學(xué)問題的解決需要進(jìn)行科學(xué)探究，即需要科學(xué)的方法，即使有了科學(xué)的方法也未必能解決所有的問題。第三，科學(xué)知識需要辯證接受，科學(xué)知識是暫時的、動態(tài)的、具有時代性?？茖W(xué)知識的發(fā)展是理論提出→實驗驗證（或接受或否定）→新的理論→新的實驗的過程。

三、物理學(xué)史在物理學(xué)科教學(xué)中的功能

2017年版的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”等四個方面。以史為鑒，學(xué)習(xí)物理學(xué)史、研究物理學(xué)的發(fā)展歷史規(guī)律，理解物理學(xué)史的內(nèi)涵，發(fā)掘物理學(xué)史的育人功能，運用物理學(xué)史來培育學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1. 運用物理學(xué)史提高物理教學(xué)效率。物理教學(xué)分為以物理知識、科學(xué)方法、實驗技能的傳授為載體的顯性教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究、邏輯推理能力的隱性教學(xué)。最終形成正確的觀念和具有認(rèn)識世界的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力。

在培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力的過程中，遇到的物理知識、科學(xué)方法、科學(xué)思維和邏輯推理能力等都是很生硬、抽象的。若在物理教學(xué)中滲透物理學(xué)史，講述物理知識的形成、發(fā)展及展望的歷史過程等；講述科學(xué)方法的使用條件、要求以及歷史上曾解決了哪些問題、哪些典型應(yīng)用等；講述什么是科學(xué)探究、科學(xué)探究的主要環(huán)節(jié)、科學(xué)探究典型故事等；講述科學(xué)思維和邏輯推理，體現(xiàn)正確觀點和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的典型歷史故事等；把生硬、抽象、學(xué)生難以理解的物理活化為形象、有趣、感人以及實用的物理。加深學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的印記、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣、拓展學(xué)生學(xué)習(xí)物理的思路、形成學(xué)生學(xué)習(xí)物理的責(zé)任感，從而觸發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的激情，使學(xué)生帶著興趣學(xué)習(xí)物理。這樣可大大提高物理教學(xué)效率。

2. 運用物理學(xué)史為學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)尋找證據(jù)。科學(xué)思維又稱科學(xué)思維方法，是從物理視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式；是基于經(jīng)驗事實建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運用；是基于事實證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品格。科學(xué)思維包括：模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素。

科學(xué)思維是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)逐步養(yǎng)成科學(xué)思維的方法與習(xí)慣，也是物理學(xué)習(xí)的重要育人功能。科學(xué)思維有嚴(yán)密的程序和邏輯要求，思想活躍的學(xué)生剛開始不一定能接受老師對其科學(xué)思維方法與習(xí)慣培養(yǎng)而嚴(yán)格的要求。為預(yù)防這一可能現(xiàn)象的出現(xiàn)，為了具有說服力、并讓學(xué)生從內(nèi)心接受，在科學(xué)思維培養(yǎng)方面不能簡單說教，教師可以通過物理學(xué)史，以講故事的形式講述歷史上的科學(xué)家是怎么高效解決物理問題的，怎樣科學(xué)思維的，科學(xué)思維要做到怎樣的要求，程序、方法又如何等等。運用物理學(xué)史可以為學(xué)生科學(xué)思維培養(yǎng)尋找證據(jù)，為物理教學(xué)中滲透科學(xué)思維培養(yǎng)鋪好路、搭好臺，有序推進(jìn)對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)。

3. 運用物理學(xué)史培育學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。中學(xué)課程設(shè)置物理學(xué)科，物理學(xué)科教學(xué)絕非僅僅是傳授物理知識，更重要的是培養(yǎng)對國家有用的人才。2017年版的普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中明確指出：“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”是指認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，認(rèn)識科學(xué)技術(shù)社會環(huán)境關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的探索自然的內(nèi)在動力，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、實事求是和持之以恒的科學(xué)態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感?！翱茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任”主要包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任等要素。

本文前面論述了研究物理學(xué)史，物理學(xué)史可以詮釋科學(xué)本質(zhì)。給學(xué)生合適的物理學(xué)史素材，讓他們了解前輩科學(xué)家對待科學(xué)的態(tài)度以及做出的卓越成就，以及歷史對前輩科學(xué)家做出卓越成就的評價等。前輩科學(xué)家的事例會潛移默化、深深地影響學(xué)生；他們會以前輩科學(xué)家為榜樣，形成正確的價值觀，樹立科學(xué)態(tài)度，主動接受承擔(dān)社會責(zé)任的理想愿望；激勵學(xué)生為國家的富強、民主、文明，為國家科學(xué)技術(shù)的發(fā)展努力學(xué)習(xí)。

正像錢三強先生所說，物理學(xué)史是一塊深藏寶貴財富的寶地。在物理教學(xué)中要適時開挖這塊寶地，并且將物理學(xué)史富含的內(nèi)涵上升到物理文化，物理文化能潛移默化熏陶學(xué)生，影響學(xué)生的思想。引入物理學(xué)史，將物理學(xué)史滲透到物理教學(xué)之中，是培育學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)重要保證；也可使學(xué)生以史為鑒，學(xué)物理不能為了學(xué)習(xí)而學(xué)習(xí)，而應(yīng)從科學(xué)本質(zhì)上認(rèn)真學(xué)習(xí)物理、物理學(xué)習(xí)過程要理論和實踐兩條腿協(xié)同走路，樹立正確的辯證統(tǒng)一的觀念，帶著興趣、肩負(fù)責(zé)任地學(xué)習(xí)。這樣的物理學(xué)習(xí)是“真學(xué)習(xí)”，這樣的教育是“真教育”，這樣一定能培養(yǎng)出對社會有卓越貢獻(xiàn)的大科學(xué)家。

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[4] 教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018，（1）.

責(zé)任編輯 張 婕