物理學史的內涵及其在物理學科教學中的功能

□沈祖榮

一、問題的提出

2005年，時任我國總理的溫家寶看望著名科學家錢學森，錢學森對溫總理說：“這么多年培養的學生，還沒有哪一個的學術成就，能夠跟民國時期培養的大師相比。”錢老還在多種場合提過這樣的問題：“為什么我們的學校總是培養不出杰出的人才？”這就是著名的 “錢學森之問”。

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

所謂 “錢學森之問”中的杰出人才是指對科技發展有杰出貢獻或巨大影響力的科學家。物理學科是科學的重要基礎學科，是科技發展的源動力。由于受目前的升學壓力以及應試教育的影響，當前基礎教育中的物理教育、教學中普遍存在重結果、輕過程，重邏輯推理、輕人文熏陶，重理論分析、輕動手實驗，缺少學生責任擔當的教育等問題；而研究物理學史內涵及功能，運用物理學史揭示科學的本質，對科學態度、科學觀念、科學思維等的培養，有助于培養未來杰出的物理學家。

二、物理學史的內涵

著名科學家錢三強為郭奕玲、沈慧君等主編的《物理學史》一書所作的序中曾提出：物理學發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去開墾，這些精神財富很值得我們去發掘。如果我們都能重視這塊寶地，把寶貴的精神財富發掘出來，從中吸取營養，獲得教益，我相信對我國的教育事業和人才培養都會是大有益處的。

正如錢三強所說，物理學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史的內涵，挖掘這塊寶地就需要剖析物理學史的內涵。

1.物理學史詮釋物理學的發展歷程。物理學史是物理學在歷史進程中的發生、發展過程。學習了物理學史就能了解物理學的發展歷程，更能辯證看待物理學的發展。

物理學科從最初的 “經驗物理”階段：即憑日常生活中的現象總結出的經驗，如亞里士多德提出的力是維持物體運動狀態的原因，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。到經典物理學階段：這階段已有較為完整的理論體系，如牛頓運動定律為基礎的經典力學，其研究對象主要是宏觀、低速的物體；再諸如經典的能量、動量規律，經典的幾何光學和物理光學等。再到現代物理學：高速系統要用相對論的理論研究、微觀系統要用量子力學理論來研究等。

從物理學的發展歷程看，雖然最初的 “經驗物理”中很多結論是錯誤的，現在看來就算是經典物理中也有不少規律或結論是片面的，但其具有時代性，符合當時的人們科學技術的認知水平需求，不能全盤否定其對當時的社會進步做出的貢獻。理解物理學的發展史有助于培養學生正確的觀念及觀念更新的意識。

2.物理學史詮釋物理文化的本質。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家在創建物理學理論過程中，發現、創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、價值標準、科學精神、物理儀器設備以及約定俗成的工作方法的總和。

筆者也曾通過物理學史的研究，發現并在 《試論物理文化中的 “真、善、美”》一文中提出物理文化的本質觀點，即所謂 “真”體現在：研究的對象是客觀存在真實的物質、解釋現象用的是已經檢驗的規律或原理、滲透的基本理念是講究證據、培養實驗技能的途徑是真做實驗、領悟到的為人標準是實事求是、培育學生具有正確的物理觀念等；所謂 “善”體現在：“完善知識系統、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、杜絕惡性成果產出” “物理助推科技發展、科技促進社會進步” “物理學家不計名利、擁有和善之心”等等；所謂 “美”體現在：抽象之美、簡約之美、和諧之美、對稱之美、語言之美等等。

通過對物理學史的研究、物理學發展的案例分析，可以明確給我們啟示：物理文化中的 “真、善、美”。學生學習物理學史還可以內化為學生的物理學科素養中的 “真、善、美”。

3.物理學史詮釋物理學與其他科學的關系。研究物理學史，從物理學的發展可知：物理學是自然科學的基礎學科，最初的自然科學實際就是物理學。物理學研究的時間跨度和空間跨度大約都在1044數量級范圍，尺度大到天體、宇宙研究范圍內的現在稱為天體物理學，尺度數量級小于10-10m研究范圍內的現在稱為原子和原子核物理學等。所謂化學是在數量級為10-10m研究范圍內物理學科的分支學科，生物學實際也是大物理范圍的一個分支學科。在很久以前，化學、生物學等自然科學都屬于大物理學范疇。從發展趨勢看，尺度在數量級為10-9m即納米級研究范圍內表現出來的性質、規律和特性稱為納米技術領域；從尺度在不同數量級的顆粒表現出不同性質可以推斷物理學的發展預期熱門領域。

4.物理學史詮釋科學的本質。詮釋科學的本質有助于培養學生的科學素養，物理學是科學的基礎學科，科學發展的源動力，研究物理學史能很好地詮釋科學的本質。

美國科學促進會 （AAAS）將科學本質分為世界觀、科學探究、科學事業等三個方面。結合物理學史與物理學科的本質，筆者認為科學本質主要包括以下三個方面：第一，必須以證據為基礎的思考方式，即從猜想、假說到推理、驗證，再到得出結論的過程，必須以證據為依據。第二，科學問題的解決需要進行科學探究，即需要科學的方法，即使有了科學的方法也未必能解決所有的問題。第三，科學知識需要辯證接受，科學知識是暫時的、動態的、具有時代性。科學知識的發展是理論提出→實驗驗證 （或接受或否定）→新的理論→新的實驗的過程。

三、物理學史在物理學科教學中的功能

2017年版的普通高中物理課程標準中明確指出：物理學科核心素養主要包括 “物理觀念” “科學思維” “科學探究” “科學態度與責任”等四個方面。以史為鑒，學習物理學史、研究物理學的發展歷史規律，理解物理學史的內涵，發掘物理學史的育人功能，運用物理學史來培育學生的物理學科核心素養。

1.運用物理學史提高物理教學效率。物理教學分為以物理知識、科學方法、實驗技能的傳授為載體的顯性教學，以培養學生科學思維、科學探究、邏輯推理能力的隱性教學。最終形成正確的觀念和具有認識世界的科學態度與責任，培養學生解決實際問題的能力。

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

2.運用物理學史為學生科學思維的培養尋找證據。科學思維又稱科學思維方法，是從物理視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式；是基于經驗事實建構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領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品格。科學思維包括：模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素。

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

3.運用物理學史培育學生科學態度與責任。中學課程設置物理學科，物理學科教學絕非僅僅是傳授物理知識，更重要的是培養對國家有用的人才。2017年版的普通高中物理課程標準中明確指出：“科學態度與責任”是指認識科學本質，認識科學技術社會環境關系的基礎上，逐漸形成的探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態度，以及遵守道德規范，保護環境并推動可持續發展的責任感。“科學態度與責任”主要包括科學本質、科學態度和社會責任等要素。

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

正像錢三強先生所說，物理學史是一塊深藏寶貴財富的寶地。在物理教學中要適時開挖這塊寶地，并且將物理學史富含的內涵上升到物理文化，物理文化能潛移默化熏陶學生，影響學生的思想。引入物理學史，將物理學史滲透到物理教學之中，是培育學生物理學科核心素養重要保證；也可使學生以史為鑒，學物理不能為了學習而學習，而應從科學本質上認真學習物理、物理學習過程要理論和實踐兩條腿協同走路，樹立正確的辯證統一的觀念，帶著興趣、肩負責任地學習。這樣的物理學習是 “真學習”，這樣的教育是 “真教育”，這樣一定能培養出對社會有卓越貢獻的大科學家。