物理学本质及其教育意义

第二节　物理学本质及其教育意义

物理学本质是指物理学本身所固有的、决定物理学性质、活动和发展的根本属性。物理学的性质有些是显性的，有些是隐性的。这些隐性的本质需要通过透过现象来加以认识。⁽¹⁰⁾认识物理学本质对物理课程与教学是十分重要的。因为课程编订者会以自己对物理学本质的认识来进行物理课程的编订，课程实施者也会以自己对物理学本质的认识来实施物理课程。本节通过对科学本质的再认识，来认识物理学的本质，并揭示其内涵对物理课程与教学的重要意义。

一、科学本质的再认识

人们认识科学的本质有一个渐进的过程。最初人们认为“科学”就是科学知识，如一般英文辞典把科学（science）解释为知识（know ledge）。我国《现代汉语词典》把“科学”解释为“反映自然、社会、思维等的客观规律的分科的知识体系”。由于科学知识一般都通过观察实验的论证，又能有效解释相应的科学现象和解决科学问题，人们便以为科学知识是对自然界本质的真实描述，是绝对的真理。在传统科学教育中长期占主导地位的就是这种基于逻辑实证主义和客观主义的科学知识观。

随着研究的日趋深入，许多学者认为，把科学仅仅解读为知识体系是一种静态的科学本质观，应该用动态的观点来解释科学，并逐步意识到科学是一个包含知识、方法和态度等多向度的活动。从多向度来认识科学本质有许多论述，比较有权威性的有美国科学促进会（AAAS，1990）对科学本质的论述，它将科学本质从“科学知识”、“科学探究”、“科学事业”三个方面来进行阐述：科学知识的本质——世界是可认识的，科学知识是可变的，科学并不能解决所有问题；科学探究的本质——科学讲究证据，科学是逻辑和想象的结合体，科学具有解释和预测的功能，科学试图确定和避免偏见，科学反对权威；科学事业的本质——科学是一种复杂的社会活动，科学分成专门领域并在不同情况下进行研究，科学必须考虑伦理的原则，科学家既作为专家又作为公民参与公众事务。⁽¹¹⁾

美国《国家科学教育标准》（1996）也从科学教育层面阐述了科学本质的教育标准。如5－8年级的标准为：①科学家利用观察、实验、理论及数学的方法来形成及验证他们对自然界现象所提出来的解释。②科学知识是暂时性的、可以改变的，但大部分的科学知识是经过无数次的实验与观察所产生的，所以这些知识也不是很容易被推翻的。③科学家在面对与现存理论不符合的新证据时，会改变原先的想法。④不同的科学家对于同一个科学现象，可能会产生彼此冲突的实验结果，或是从相同的资料中导出不同的结论。面对此种状况时，科学家最好一起工作以解决他们当初不同的意见。⑤对已有的科学研究、实验、观察及理论模型等成果进行评价，也是科学探究的一部分。⑥与科学有关的争议问题可通过科学家之间的互动来解决。⁽¹²⁾

总的来说，虽然哲学家、历史学家、教育家对科学本质的见解有差异，但在科学教育中引导学生认识科学本质的问题上，有一些共识：①科学知识是暂定性的，会改变，但是在一定时期会相对稳定；②科学知识基于（或至少部分基于）观察和实验的论证；③科学知识是具有主观性的和受到理论驱使的，个人的追求、信念、先前知识、训练、经验和期望等会影响科学研究；④科学知识涉及人的推测、想象和创造（涉及解释的构建）；⑤科学是一定文化和社会背景中的人类事业。此外，学生应当理解两个重要的区别：观察与推测的区别、科学定律与科学理论的区别（Lederman，2007）。⁽¹³⁾

总之，对于科学本质的认识，经历了从客观知识观、科学探究观，发展到包括知识、方法和态度的本质观的过程。随着科学和教育的发展，人们逐渐认识到科学本质的丰富内涵，科学不仅仅是系统化的知识体系，也是一种方法论体系，而且也是包括科学态度与科学精神的价值观体系。

二、物理学本质

从教育的视角，物理学本质可以从“物理学是知识体系”、“物理学是探究”、“物理学是价值观体系”三个方面来认识。

（一）物理学是知识体系

物理学知识主要由物理事实、物理概念、物理学规律、物理学理论等构成。把物理学本质理解为知识体系，要从它的“建构性”、“实证性”、“相对性”等方面加以认识。

1.物理学知识是人们对物理事物的意义建构

人们在对物理事物探究的基础上，在一定的范围内和一定的条件下对物理事物的现象、过程等作出合乎逻辑的阐释而形成物理学知识。它在一定的范围内和一定的条件下是正确的，具有相对的确定性和稳定性。但这并不意味它是绝对客观的。因为物理学知识是基于人的“意义建构”，人们感知物理事物，并利用推测、想象、创造来达到物理事物的理性认识。正是由于这种“建构性”及其他一些因素，通过“意义建构”的物理学知识也包含一些错误的可能性；所认识到的物理学规律或所建构的理论也或多或少带有人的主观性。

2.物理学知识需要观察或实验的论证

人们对物理事物的意义建构，要成为物理学知识，必须要经过观察实验或实践的检验。评判某个物理学知识是否科学，不在于它的理论有多高深，而在于它依据的观察资料有多真实，它经受实验检验有多高的重复性。某个物理学理论可以经过许多次的观察或实验的论证被认为是正确的，但仍然难以排除其或然性。因为只要有一次观察或实验与之不符，这个理论就可能要修改甚至被推翻。观察实验和实践是检验物理学知识的唯一标准。

3.物理学知识具有相对真理的性质

人们对物理学世界的认识是一个逐步深入的过程。由于人的想象、推断等主观因素，各种客观条件如仪器、技术条件的限制，使得物理学知识只能是在一定的范围内或一定的条件下对客观真理的一种逼近，具有相对的真理性。如牛顿三大运动定律在宏观和低速的条件下是经过无数次的实验和观察等客观证据的检验，被认为是与客观事实相符合的正确的知识。但在微观或高速的条件下，它就不再正确。也就是说，物理学知识不是绝对客观的真理，可能会有偏见或谬误，随着时代发展，它会不断地发展。

（二）物理学是探究

物理学本质上是一种探究活动。把物理学本质诠释为探究，至少要从“探究的普遍性”、“探究的各要素”、“创新知识的手段”等几方面加以认识。

1.物理学是一种探究，是每个正常人都可以做的探究活动

有些人认为物理学仅仅是物理学家从事的探究活动，并非是其他人所能从事的，而物理学家则是那些神奇的怪人。这种观点从教育意义上讲是不正确的。探究是人类普遍存在的生活样式之一，学生对自己未知的物理学现象的解释，对未知的物理学问题的解决，虽然与物理学家对未知事物的探究有一定的区别，但它们本质上何尝不是一种探究呢？只有确立物理学探究是每个人都可以做的信念，学生才有可能积极主动地投入物理学探究的学习中。

2.物理学探究需要质疑、观察、提出问题、假说、设计、实验、推理、评价、交流等活动

美国《国家科学教育标准》指出，科学探究的过程主要包括：进行观察，提出问题，查阅书籍和其他信息资源来寻找已有知识，利用各种工具搜集、分析并解释数据，作出答案、解释或预言，以及交流结果。⁽¹⁴⁾我国物理课程标准指出，进行探究的方式是多种多样的。一般来说，其基本过程具有七个要素：提出问题；进行猜想和假设；制订计划，设计实验；观察与实验，获取事实与证据；分析与论证；检验与评价；表达与交流。也就是说，在教学中，物理学探究活动由上述七个要素组成。学生的物理学探究能力正是通过这些部分探究要素和完整要素的活动而形成和发展的。

3.物理学探究是发现已有物理学知识的局限性甚至谬误、创新知识的必需手段

纵观物理学史，通过探究发现已有理论的缺陷并创生知识的例子比比皆是。如伽利略对亚里士多德关于物体运动与力关系理论的质疑和探究，得出物体运动与力关系的正确认识。人们对“热是什么”问题的探究，产生“热质说”；对“热质说”进一步探究，发现热不是什么“热质”，而是物体内部的一种能量等等。物理学探究是知识创新的必需手段，没有探究，就没有物理学。

（三）物理学是价值观体系

科学价值观是指人们从事科学探究、科学应用等活动的基本价值取向、态度、精神等。它主要表明人们“相信什么样的精神追求”、“坚持什么样的态度”来从事科学活动。物理学是一门重要的基础科学，它的价值观体系，主要从“怀疑”、“求真”、“求实”、“创新”等基本的科学态度和科学精神去认识。

科学怀疑是物理学研究的起点。在物理学研究中，人们对已有学说的怀疑，发掘了新的问题，开拓了新的研究领域。如卢瑟福发现原子核式模型以后，通过科学怀疑萌发许多问题：原子核是什么？原子核是由什么构成？原子核能不能再分裂？科学家对这些问题的探究，发现了质子、中子以及其他的基本粒子。之后，怀疑并未终止，而是产生更多的问题：这些基本粒子是不是最基本的？它们的规律是什么？如何测定基本粒子的各个特征量？如何开发基本粒子在生活和生产中的运用新领域？等等。可以毫不夸张地说，没有科学怀疑，就没有问题；没有问题，也就没有科学的探究和发展。

科学求真是物理学研究的根本追求。物理学要认识物理事物的规律，并把这种认识转化为促进社会发展的生产力，这就要求物理理论的“真”：在一定的条件与范围内的客观真理，能经得起实验和实践的检验。因此，人们在正确认识物理事物的过程中要具备高度的求真的态度和精神。物理学正是通过这样的方式来寻求对物理界事物“真”的认识。

科学务实是物理学活动的基本态度。物理学研究要通过不畏困难和实事求是的探究活动，认识物理事物的本来面目，要防止诸如个人的偏见、宗教或社会因素、权威的观点等等的影响和干扰。要基于实证和科学推理，不崇拜任何权威，不轻信，不盲从，更不迷信无根据的学说。从问题的发掘、观察、计划、实验、资料的搜集、分析、推理到最终得出结论，都要严谨认真，在没有获得充分的证据之前绝不能随意作判断或下结论。要能够倾听、尊重、宽容他人的不同观点，能接受他人的正确观点，察觉并修正自己的观点。

科学创新是物理学活动的基本价值取向。科学创新是指在已有知识的基础上，对未知的探索，而不是对已有知识的简单再认识。无论是物理学新现象的发现和新事物的揭示，还是物理学新概念和新论点的提出，无论是物理学研究新方法创造，还是物理学研究新手段的发明，无论是对已有理论的批判，还是新理论的构建等等，无不反映出物理学具有永无止境地探索未知、追求真理、拓展新知的特征。

此外，在以“怀疑”、“求真”、“务实”、“创新”为基本特征的物理学探究活动中也有“真”、“善”、“美”的人文价值。如理性精神与求真意识，批判精神与怀疑意识，创新精神与创造意识，自由精神与独立意识，追求崇高、真诚奉献，崇尚正义、完美人格，公平精神与宽容意识，强烈的社会责任感，欣赏科学之美和科学造福人类之信念。物理学本身是具有人文价值的，而且物理学教育的人文价值是人文学科的人文价值所不可替代的。

三、物理学本质的教育意义

准确地把握物理学的本质，有着十分重要的教育意义。它能揭示物理教育的基本内涵，指明有效学习物理学的基本途径。同时它也是物理课程与教学目标研制的一个理论基础。

（一）物理学本质揭示了物理教育的基本内涵

美国科学教育家Martin指出，科学教育应有三个方面的内涵：科学知识（science know ledge）、科学过程能力（science process skill）和科学态度（science attitude）：⁽¹⁵⁾其中科学知识包括事实、概念、原理和理论。科学过程能力包括基本能力和综合能力。基本能力有观察、分类、交流、测量、估计、预测和推理；综合能力有明确问题、控制变量、给出操作定义、假设、实验、图形化、解释、模型化和研究。科学态度包括情感态度和智力态度。情感态度指人们在学习和获得新经验时对自然的好奇心，它分为强烈的好奇心、毅力、对待失败的正确态度、开放的思维和与他人合作的精神。智力态度指在积极学习经验时所表现出来的与智力有关的态度，它包括对可靠信息源的期望、怀疑态度、当证据有限时避免一般化、能容忍其他的观点和解释、在所有证据被发现之前不轻易进行判断、拒绝迷信和未经证实的观点、善于根据新证据改变自己的观点以及接受对自己观点提出的疑问。Martin的论述比较全面地阐述了科学教育的基本内容。

长期以来，我国的物理课程以学科和知识本位来编订，物理教学把传授和掌握系统的物理知识放在中心位置。从物理学本质的内涵来看，这只是反映了物理学本质的一个方面，并没有反映物理学的全貌。物理学本质是包含物理学知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三向度的内容。物理教育不仅要让学生获得系统的物理知识，更重要的是让学生学会和掌握认识物理世界的科学方法，并养成科学的态度与价值观。因此，物理课程与教学要从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等三个方面的内容来构建。这是物理学本质所揭示的物理教育的基本内涵。

（二）科学探究是学习和领悟物理学的基本途径

当今世界各国的科学教育积极倡导以科学探究的课程编订和实施方式。“提高科学探究的质量，关注科学探究学习目标的达成”⁽¹⁶⁾也是我国物理课程实施的基本要求之一。那么，为什么在物理课程与教学中要如此强调科学探究的重要性呢？这是因为，在物理课程与教学中进行科学探究的学习活动，一方面可以培养学生的科学探究能力，这种探究能力是科学素养的一个重要成分；另一方面，物理学本质内涵指出，物理学不仅仅是系统的知识体系和价值观体系，也是一种探究。利用探究来学习物理学，是物理学本质的要求；同时通过探究能更好地学习物理学知识和探究方法，也能更有效地领悟物理学的价值观。

因此，物理课程与教学要让学生领悟和掌握科学探究的过程、方法及性质。

1.把“人人都能做探究”理念贯穿在物理课程编订和实施中

科学探究是物理课程学习的重要内容，也是物理课程学习重要的方法。要有效地让学生参与到科学探究中来，就要破除“科学探究仅仅是科学家做的事”的陈旧观念，树立起“物理学是每个学生都可以从事的探究活动”的新理念。无论在物理课程编订中还是在教学中，都要提供机会让学生观察现象和提出问题，对问题解决提出猜想和形成假设，制订研究的计划并进行实验设计，进行实验和收集信息和处理信息，对问题解决的数据和结果进行科学解释和评价、表达和交流等。要让学生体会到科学探究并不是高不可攀的，而是他们能够独立进行的一种活动，以激发他们积极主动地参与到物理探究学习中来。

2.让学生掌握科学探究的方法与过程

一般来说，科学探究有质疑、观察、提出问题、假设、计划、设计、实验、推理、评价、交流等要素。在物理课程及其实施中，要根据学生的实际和教学的实际，让学生循序渐进地经历部分或全部科学探究的要素，并要求学生理解这些要素的意义、方法、过程，从而让学生掌握科学探究的方法，理解科学探究方法与过程的本质。

3.在“创新知识”中领悟物理学知识本质

物理课程与教学要以一种“创新知识”形态来构建。所谓“创新知识”，是指学生通过相对独立的探究，获得自己先前未知的知识。要有意识地渗透一些利用“探究发现已有知识的局限和谬误并拓展新知识”的学习内容和活动。通过“创新知识”方式来编订课程和教学，有助于学生学习并掌握探究一般过程与方法，形成创新的意识、态度、情感和价值观。这种“创新知识”课程与教学方式有利于学生领悟物理知识“建构性”、“相对真理性”、“发展性”的本质。

（三）物理学本质是物理课程与教学目标的理论基础

对物理学本质不同的认识，就会产生不同的物理课程与教学。如果认为物理学本质主要是反映物理事物的客观规律的知识，那么物理课程与教学就会以知识为中心来构建；如果认为物理学本质是探究物理事物的过程，那么物理课程与教学就会围绕探究来构建；如果认为物理学本质不仅仅是知识体系，也是探究过程，更是价值观体系，那么物理课程与教学就会以“知识”、“探究”、“价值观”三向度来构建。可见，对物理学本质的不同认识会导致物理课程与教学实践的差异。

我国目前的物理课程总目标是从物理学的“知识与技能”、“过程与方法”、“情感态度与价值观”三个向度来论述的，它与“物理学是知识体系”、“物理学是探究”、“物理学是价值观体系”的物理学本质内涵是吻合的。事实上，人们是依据时代的要求、学生发展需求、物理学本质等因素来研制物理课程与教学的目标的。换言之，人们对于物理学本质的认识，是制定物理课程与教学目标的一个重要的理论基础。