中歐比較視域下的物理文化教學的理解與實踐*

汪明 毛奇

(江蘇省常州高級中學 江蘇 常州 213000)

物理學不僅是一種自然科學，更是一種科學文化．物理教學不僅是物理知識或事實的傳授過程，也是一項極其重要的物理文化交流活動．因此，從物理文化的視角來研究和解決教學問題，有助于物理教育的良性發(fā)展．實際上，物理教育的基本任務之一就是傳遞物理文化，保證物理文化的連續(xù)性和創(chuàng)造性，也是實現(xiàn)物理文化延續(xù)和促進人的發(fā)展的重要方式．

1 學科分化與物理文化

人們對世界的認識肇始于哲學．從15世紀到近現(xiàn)代，隨著哲學高潮不斷興起，人們對世界的認識逐漸深入，不同的學科從哲學中分化出來．學科分化在推動學科自身發(fā)展的同時，也導致不同學科的學者在認知與情感上的差距越來越大．斯諾在1959年的演講中將這種學科文化之間的差異描述為“兩種文化”的現(xiàn)象，引發(fā)了人們對學科文化持續(xù)而深入的研究．學科文化在指導學科管理與學科建設的同時[1,2]，更為實施科學教育、促進學生理解科學提供了重要途徑[3]．物理作為自然科學的基礎學科，其學科文化的研究在國內外受到了廣泛的關注與重視[4～7]．

2 物理文化的科學內涵

在文獻[7]中，作者詳細闡明了物理文化的概念、知識建構、特征與功能．他認為，物理文化是古代哲學家、近代物理學家現(xiàn)代物理共同體歷經數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識體系、觀念形態(tài)、價值標準以及約定俗成的工作方法的總和.文獻[8]從物理文化的整個形成過程出發(fā)，認為物理文化是由物理科學共同體在認識物理世界和相互交往中自覺形成的一種相對獨立、相對穩(wěn)定的社會意義網絡．同時，他們認為物理教育可以成為物理文化的一部分[9].歐盟的物理文化則建立在以“內核-軀干-外緣”模型為理論基礎的學科文化之上[3,5]．該理論由以色列耶路撒冷大學的Galili教授等人發(fā)展起來[4, 10]．

物理學的知識是由幾種基本理論組成的，每一種理論都建立了一個包含大量元素(原則、概念、模型、實驗、已解釋的現(xiàn)象等)的包容性集群，其理論框架具有很好的相關性與可信度，可以用圖1(a)來表示．它由二圈層的知識元素構成．第一圈層為內核知識，包含本體論和認識論的原則、范式模型與基本概念；第二圈層為軀干知識，是所有與內核一致的元素，它可以是從內核演繹而來，也可以是與內核不沖突的經驗性知識．軀干知識包含了更多的定律、次級概念、特定現(xiàn)象的解釋、實驗、技術等等．而如果要使物理學科上升為物理文化，則需要引入第三個圈層，即外緣層知識，如圖1(b)所示，它包含了與內核不一致的概念、矛盾的問題以及未能解釋的現(xiàn)象．通過挑戰(zhàn)內核知識，外緣知識可以反過來定義核心知識的內涵，并向初學者揭示理論中隱含的邊界，即外緣知識觸及了哲學中經典的證偽與對比的方法．

圖1 內核-軀干-外緣模型

北美的學者除了將科學史與科學哲學作為科學文化[11]，還特別強調了實踐哲學在物理文化中的地位[12,13]．伊恩·哈金在《表征與干預》中提出了實驗有自己的生命論斷，他發(fā)現(xiàn)自然科學史現(xiàn)在幾乎總是被寫成理論史，科學哲學研究已經變成了理論哲學[14]．他挑戰(zhàn)了將科學僅僅作為理論知識的傳統(tǒng)，認為科學家工作的空間具有多樣性、補丁性和異構性，科學文化包含各種各樣的零碎(物質的、社會的、概念的)，它們之間并不一定會有統(tǒng)一的聯(lián)系，因而科學文化并不能構成一個統(tǒng)一概念網絡．為此，他構建了科學實踐的圖像：實驗室中的儀器、事實、現(xiàn)象與解釋的智力成果正是將各種各樣不同的科學文化元素整合到一起的創(chuàng)造性探索[12]．因此，物理文化還應該涉及科學實踐．

我們看到，物理文化是一個包容性的概念，從逆向思維的方式來看，物理文化至少應當涉及物理史、科學哲學與科學實踐3個方面的內容，并且物理文化與物理教育有著密切的聯(lián)系．

3 物理文化與物理教學

課程是由人類共同擁有的學科結構轉化為個人的認知結構的階梯．課程結構決定于社會結構、學生心理結構和學科結構三者的交叉和結合．課程緣于文化傳承以及對人教化的需要，沒有物理文化就無法理解物理教學．因此，物理課程中積淀了與人類認識自然的相關活動、實踐、審美情趣和價值觀等相關的文化性格．物理文化教學要具體涉及對科學知識產生的社會文化背景、歷史觀、方法論及其教育價值觀等方面，讓學生不僅學習物理知識與技能，更要學習蘊涵于其中豐富的物理思想與正確的研究范式，養(yǎng)成理性精神和科學態(tài)度．

從學科發(fā)展的角度出發(fā)，物理學科需要大規(guī)模的合作與達成共識，物理文化有著競爭性、探索性、國際性等特征[7,15]，因此有志于終身學習物理的人需要了解物理文化．自20世紀初以來，面對復雜的現(xiàn)實問題，以學科交叉與融合為基礎的跨學科研究越來越受到關注[16]，明確物理文化有助于物理與其他學科之間的融合．

從學科教學角度出發(fā)，物理文化可以作為三維目標的理論教學基礎[7]，同時也是中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)中人文底蘊與科學精神的重要組成部分[17]．過去的教學往往過度強調知識與技能，片面追求應試教育．在新一輪的物理課程改革下，物理教育從“精英教育”變成“大眾教育”．物理文化中蘊含著豐富的課程資源，可以作為培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的立足點，讓師生站在物理史、科學哲學與實踐哲學的高度去重新認識物理學科．

從教學實踐角度出發(fā)，目前學校開設物理課程過度地強調物理學科的科學性、邏輯性，業(yè)已發(fā)展出了“唯科學主義”的思想局限．如果把物理教學實踐作為物理文化的認識過程，既強調物理學的科學性、邏輯性，更強調物理學的歷史性、整體性、人文性的認識過程，也是將物理教學定位于人類認識世界和改造世界的一部分，回歸物理學科教學的文化品性．從這個意義上看，從整體性、歷史性和人文性的角度進行物理教學實踐，無疑具有非常重要的意義．下面我們通過兩個課程實踐案例，介紹國外在物理文化課程建設方面的研究成果．

3.1 融合物理史的物理文化課程

物理學科不僅關注科學內容的客觀真實，而且還體現(xiàn)在物理對物質世界的認識隨時間逐漸呈螺旋上升的情況．因此，物理學科知識并不是一成不變的．人們對世界的認識經歷了從感性到理性，再到對理性的綜合的過程．學生對物理的理解，首先是通過感性的具體，經過科學抽象成為抽象的規(guī)定，再經過科學抽象成為思維中的具體[18]．

在歷史上，前人對世界的理解在現(xiàn)在看來可能是局限的甚至是錯誤的，然而，這種理解往往代表了當時的最先進理性水平．文獻[4,10,19,20]將物理學史資源整合成為文化內容知識(Cultural Content Knowledge，以下簡稱CCK)，并展開了多年教學實踐的研究．課程以講座的形式，貫穿科技史中針鋒相對的辯論，再現(xiàn)了關于視覺與光的本質的討論，向中學生展示了物理文化．

圖2 17世紀粒子說與波動說的“內核-軀干-外緣”示意圖[20]

文獻[20]利用“內核-軀干-外緣”模型向有相應知識基礎的學生重演了理論的發(fā)展．例如，在17世紀時，經典的光理論有粒子說與波動說(圖2)．光是粒子或者波作為內核能解釋各自的軀干部分，軀干有共同部分說明兩種內核都能解釋．兩種理論的內核各自處于對方的外緣區(qū)，即它們之間相互無法解釋．

同時，有些現(xiàn)象(雙反射)處于兩種理論的外緣，兩種內核都無法解釋．到了20世紀初，人們對光學領域的物理知識結構有了新的認識(圖3)，光子說可以用于解釋由偏振光引起的雙反射現(xiàn)象．雖然學生與這些科學家不在同一個時代，但講座幫助他們聚焦于過去的科學家所交流和爭辯的概念、矛盾、論證、實驗、證明與反駁，引導學生領會物理學基于理論的知識結構，而不是像通常的物理學科課程那樣按部就班地給出主題、概念與習題．

圖3 20世紀光學理論：射線、粒子、波與光子[10]

文獻[4,10,19]將學生的前概念與物理史的重演聯(lián)系在一起．以光學與視覺領域的教學為例，重演的相關平行概念列于表1．教師利用這些平行概念展開討論，喚起學生自身的觀念與信仰并進行比較，從而通過強調相似性來指明學生已有的迷思概念(misconcept)．通過理解科學觀點的演進這種方式，基于主題的CCK課程可以使學生對迷思概念免疫．同時，Galili等人相信，學生本人的構想通常并不會像物理史中的構想那樣順理成章，理解相關的歷史辯論可以豐富學生知識，將他們直覺感受到的相異概念(alternative concept)變得清晰，推動他們的概念學習，促進概念轉變．因此，CCK課程對學生的相異概念有糾正作用．

表1 光學與視覺領域中的相關概念

3.2 融合科學哲學的物理文化課程

眾所周知，同一時代的科學哲學與科學之間有密切的聯(lián)系．科學哲學關注如何描述科學結構的問題．物理學知識體系是在物理事實的觀察和實驗的基礎上建立起來的，但物理觀察和實驗結果堆積還不是物理學．物理知識體系，是由一系列的物理概念、定律、定理以及推論，按照嚴密的邏輯關系，借助物理語言符號有機組成的[7]．在描述物理量之間的相互作用和相互關系與物理教學過程中，物理語言構成物理文化的載體．在物理語言中，物理概念的定義是最根本的問題．實際教學中，課程設計者需要對概念的定義有所選擇，使物理的概念與知識結構緊密聯(lián)系在一起．

文獻[21]根據(jù)中學生的認知特點，對各類教材中能量概念的定義開展了調查與研究，將科學哲學融合在以色列的中學課程中，并在七年級與九年級的能量模塊教學中付諸實施．課程精心挑選了能量概念的定義，用物理語言明確地向學生解釋了“能量概念用來表達變化”以及“為何能量守恒是一個合理的推論”，從而將物理概念的定義上升到物理文化的高度．

Lehavi等人發(fā)現(xiàn)，中學生在學習能量的概念時，普遍對4個問題感到疑惑：

(1)什么是能量(能量的定義).

(2)什么是能量形式.

(3)能量轉換與轉移.

(4)能量守恒．

基于這些觀察，他們認為能量教學應該包含以下幾個方面：

(1)多變量共存，即自然界中的過程是無法用單變量的變化來描述，因此需要引入同步(耦合)過程．

(2)相反的變化方向，即在同步過程中總有一方能量增加，另一方能量減少．

(3)能量的同步變化可以相互抵消，即同步過程中各方能量的變化方向相反并不意味著能夠相互抵消，是否能相互抵消應該由實驗來決定．

(4)孤立系統(tǒng)與非孤立系統(tǒng)，即同步過程實際上定義了一個孤立系統(tǒng)．

(5)能量守恒，從(1)到(4)可以看到，對于孤立系統(tǒng)，其能量是否守恒應該是一條實驗定律．

同時，以往物理教育工作者并沒有在能量概念的語言描述上達到一致．例如既然能量并不是物質，能量本應該是表達物質的某個屬性的量，但“能量轉移”的說法可能會啟發(fā)學生將能量物質化．基于以上兩點，Lehavi等人將能量相關的課程設計工作分為兩個階段，在第一個階段科學教學系的研究員為七年級到九年級的科學教師開發(fā)教師材料，在第二個階段相關教師在工作室開發(fā)七年級到九年級的課本．

在第一個階段，中學的科學教師通過教師材料了解了“能量是描述變化”的基本原理，獲得了課堂活動的指導建議，例如一些簡單的實驗與演示．教師材料特別提供了精心設計的提問，意在強調變化而不是靜止狀態(tài)，例如提問“當課本從桌面掉到地時能量變化”而不是“靜止在桌面上的課本的能量”，或者提問“當汽車從行駛到停下時的能量變化”而不是“運行中的汽車的能量”．為了將注意力集中在系統(tǒng)中的過程與過程相關的能量變化上，教師材料給出了示意圖(圖4)．同時，教師材料增加了能量變化的操作定義，即能量的變化可以通過標準物體溫度的變化來定量測量(焦耳定律)．

圖4 能量變化圖[21]

在第二個階段，為了明確向廣大師生明確表達能量作為描述變化的概念，自編課本將能量概念的相關定義分成了若干個方面：

(1)過程.自然界中不同的過程，特征是可變化的屬性(參數(shù)或指標)，如高度、速度等，可用能量變化來定量描述．

(2)同步(耦合)的變化.自然界中的變化總是與其他的變化同時發(fā)生．

(3)統(tǒng)一.能量被認為是單一的性質，因為它在不同過程中的增加或者減少可以通過測量唯一的定量描述．不同的“類型”或者“形式”只是代表在能量增加或減小的不同過程的標簽，因此不同形式的能量并沒有本質上的不同．

(4)可測性.能量的增加或者減少可由實驗來驗證．這種測量的結果可以是通用的并用在數(shù)學表達式中．

(5)能量轉移.在相互作用的系統(tǒng)中耦合的能量增加和減少．

(6)能量轉化.在不同種類的耦合過程中能量的增加和減少．

(7)守恒.測量(或者計算，基于通用的測量結果)某類系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))中能量的全部耦合變化時，這些耦合變化的能量相互抵消．

利用這些概念，當物體做自由落體時，物體高度減小時的能量變化可以看作是與高度變化呈線性關系(由焦耳實驗來測定)，物體速度增加時的能量變化可以看作是與速度呈二次函數(shù)關系(同樣由焦耳實驗來測定)，然后就能論證物體由于高度減小的能量改變與物體由于速度增加的能量改變呈線性關系．同時考慮能量增加/減小的定性關系，就能向學生呈現(xiàn)出能量守恒是一個合理的推論．

4 結論

本文從物理史、科學哲學與實踐哲學3個方面介紹了國內外物理文化的研究現(xiàn)狀，強調了物理文化對于物理學科自身發(fā)展與物理教學的必要性，并通過介紹國外物理文化課程的相關案例，詮釋了將物理學史與科學哲學融入物理教學的實踐方案與研究成果．研究表明，任何一種理論,包括它使用的概念、命題、預設都是文化的產物，不同的語言、文化背景會使人們對同一概念或理論產生完全不同的思路和理解．雖然物理科學的符號、概念、定律不會隨著文化的不同而發(fā)生變化，但其形成過程以及不同的人對其產生的理解是與既定的文化背景有密切關系的．新一輪課程改革以“立德樹人”為核心，從物理學到物理文化的轉變，是理解物理教學在育人認識上的一大進步，讓師生共同成為物理文化的傳播者、整理者和創(chuàng)造者，有利于學生核心素養(yǎng)的形成．

從另一層面來說，相較于物理學科課程，物理文化更加重視學生的反思與思維品質，不但讓學生“知其然”，而且讓他們“知其所以然”，使學生正確理解物理概念與物理知識結構的本質，這與物理學科素養(yǎng)中強調科學態(tài)度和責任有共通之處．需要注意的是，將物理學史與科學哲學等要素融入物理教學，并不是讓學生原原本本地去理解這些要素，而是將物理文化作為一種資源，使師生能夠從多維度開展教學活動．當然這也要認識到，物理文化課程在為教師發(fā)展開辟了新進路的同時，也對物理教師教學提出了更高的要求．同時，物理文化涉及到的科學實踐理念，對于我國學生在物理學科進行研究性學習時有重要的指導作用，值得進一步的研究．