物理学方法论的发展对物理教学的启示

陈　勇

摘要：物理学是包含物理学方法论的科学体系。物理学方法论在物理学的发展中作用巨大，每次物理学方法论的飞跃都会促进物理学进步。回顾物理学方法论发展的历史和现状，从中找出对物理教学有益的教育要素是很有现实意义的。

关键词：物理学；方法论；物理教学

中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003－6148(2009)8(S)－0063－3

物理学是包含物理学方法论的科学体系。从物理学发展的历史来看，物理学知识和物理学史以及物理学方法论是不可分割地紧密联系在一起的。物理学方法论的多元化发展，特别是近现代物理研究方法的逐步成熟极大地推动了人类探索物质世界的研究。可以看出物理学方法论的发展一方面成为促进物理学进步的有利手段，另一方面也反映了人类认识世界的过程中思维活动能力的不断超越。作为物理教师，如何站在物理学发展的角度审视物理教学，能否从物理学方法论的发展中抽取和挖掘出重要的教育要素以培养学生的物理兴趣、启发物理思维、领悟科学方法、提高科学素养都是值得去思考的。

1物理学方法论的发展的基本主线

物理学是自然科学的基础学科，物理学方法论是物理学重要的组成部分。古代物理学方法论主要表现为思辨和经验的方法，缺乏科学性和可靠性。真正的物理学方法论的形成与发展出现在近现代。

1.1伽利略的实验方法论

伽利略在近代动力学理论上的突出贡献，使他成为了近代物理学的主要代表人物。在伽利略对运动的研究中，他创造了近代科学发展方法的基本范式，即：对现象的观察——提出假设——运用数学和逻辑手段得出结论——通过物理的或思想的实验对推论进行检验——对假设进行修正和推广。

在物理学方法论上，伽利略实质上使用了将实验与理论假设结合起来的方法，从而为近代物理学的发展指明了方向，有力地促进了人类认识活动的发展。

1.2牛顿和他的科学发现方法论

牛顿作为伟大的科学家和哲学家，在伽利略、笛卡儿等前人工作的基础上，结合自己的科学研究，创立了经典物理学，实现了物理学发展中的一次飞跃。他的科学方法论对以后自然科学的发展产生了极其深远的影响。

牛顿重视实验在科学研究中的作用，他把通过对自然进行实验得出的认识称为“实验哲学”。牛顿把他的实验哲学在发现问题的认识过程中划分为分析和综合两个方面：(1)分析的方法就是从观察和实验出发，用归纳法找出普遍结论和一般规律。(2)综合的方法就是根据已发现的一般规律，对特殊事件做出解释和预测，由此证实一般定律的真实性和可靠性。它表现为运用归纳出来的一般原理和定律去解释物体的运动，对物体的状态进行预见。

牛顿分析和综合的方法遵循了从特殊到一般，再从一般到特殊的人类认识世界的基本过程。他的研究方法的一大特点是敢于并且善于将错综复杂的自然现象简化，建立物理模型；另一特点是运用形象思维，构思一些神奇的理想实验，创造出新的物理图景来揭示天地物体运动的统一性。

1.3爱因斯坦和他的概念方法论

爱因斯坦是现代物理学的主要创始人和奠基人。他一生在三个不同领域作出了开拓性的贡献，展示了巨大的创造才能。除建立相对论外，他还提出了光量子假说、开创了现代宇宙学的研究，并且致力于统一场论的研究。

杨振宁先生在总结爱因斯坦物理学方法论时，曾指出了爱因斯坦方法论的两个重要特点：一是关于物理概念的形成。近代物理学的公理不是从经验中概括出来的，必须通过自由想象创造出来。很显然在近代被物理学研究所排斥的非逻辑的方法正在融入现代物理学的研究；二是数学的作用。20世纪以来，物理学的发展越来越离不开数学，尤其是一些深奥抽象的数学在物理学的发展中起到了重要的作用。正是由于数学与物理学如此紧密的交织在一起，使得爱因斯坦发展了他的数学方法论，使数学成为他在研究物理学过程中最重要的工具。

信念、知觉、形象思维、自由想象及对科学美的追求是爱因斯坦物理学形成的重要因素。正基于此，当我们在赞叹爱因斯坦创立其博大精深的科学理论的同时，也不禁为他所开创新的物理学研究方法所折服。从爱因斯坦的物理学方法论中我们注意到现代物理学研究的领域在宏观和微观尺度上不断出现了新的研究方法，这既预示了现代物理学的发展将面临越来越多的困难，也暗示着在物理学新的发展时期必然要求新的研究方法的诞生。

1.4物理学方法论的现状和展望

当前，物理学的研究方法同现代科学技术一样处在一个重大的变革时代。物理学已不仅仅将机械运动、电磁运动和简单原子分子的运动作为研究对象，而是把视线转移到复杂性和综合性的研究客体上来。随之逐渐形成了研究此类问题的新学科——系统科学和非线性科学。系统科学是对传统研究方法的创新，它首先从整体出发，再分析综合，强调各部分功能有机的组合。非线性科学表明：线性是理想的，是在一定条件下的近似；而非线性才是接近实际世界而且普遍存在的。非线性关注微小变化所产生的结果和整体与局部的相关性。随着人类洞察与理解客观世界的不断深入，系统科学和非线性科学将会为物理学的发展提供更为有力的方法论的支持，拓展出广阔的空间。

目前来看，物理学的研究并非尽善尽美，一些基础性的研究问题仍得不到很好的解决，对于许多未知领域和新的方向，研究依旧举步维艰。反思物理学发展的困难，归根究底还是在于物理学研究方法创新的困难。从物理学发展历史的角度审视物理学，我们注意到：物理学研究一方面不可能抛弃如实验、数学演绎等传统方法；另一方面，计算机模拟等信息化手段正越来越多地渗透到现代物理学的研究当中，加之科学研究正在走出学科间的相对封闭，逐步实现学科之间的交叉和融合，其它学科的研究方法也必将会对物理学的发展在方法论上产生深远的影响。可以预见：物理学研究的方法在今后将会越来越明显的体现多元化的特点，单一的研究方法是不足以支撑起物理学这样一座宏伟大厦的。

2方法论的发展对物理教学的启示

物理学方法论是包括在物理教育教学在内的主体内容，它和物理知识处于同等重要的地位。回顾物理学研究方法的演变，可以看出，以变革为存在形式的物理学方法必然要求有与之相适应的物理教学。我认为在反思以往物理教学的基础上，在以下几方面应当弥补过去工作的不足，做一些富有成效的实践探究。

2.1重视物理概念和规律形成中归纳法的运用

归纳是从个别事实中概括出一般概念、结论的思维方法，是从个别到一般的思维运动。归纳是演绎的基础，通过归纳对个别事物的现象研究所概括出来的一般知识原则，既是归纳的终点，又是演绎的起点。而现行物理教学中通常是以演绎法占据教学的主导地位。大部分教师通过讲授将物理概念和定律告之学生，再利用这些物理结

论进行大量的解题训练。教学过分偏重一般原理的适用性而忽视定律和概念的形成过程，将学生排除在定律和概念的形成过程之外。在中学阶段，这样的问题尤为突出。因此我们认为，在教学中应加强归纳法在教学中的运用，让学生通过对实验和物理现象进行归纳和概括，自主建构起对知识意义的理解。教师要设计好概念和定律教学中的重要环节，帮助学生实现对物理知识的掌握，这将有助于改善当前学生解决问题能力低下的状况。

2.2注意培养学生非逻辑思维能力

物理教学一般强调物理问题数学化，通过建立物理模型运用数学手段对问题进行描述，从而对物体的状态给予预测。在此过程中讲求严密的推理和准确的逻辑关系，表现出物理学作为一门严谨科学所应有的特质。但是，长此以往的学习和训练，学生可能会因此而丧失思维中最宝贵的闪光点：直觉和想象。

从现代物理学发展来看，包括直觉和想象这样的非逻辑思维形式越来越多的发挥出其神奇的作用。爱因斯坦认为：在科学研究方法中“直觉是真正最可贵的因素”，“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括着世界的一切，推动着社会进步，并且是知识进化的源泉。”直觉是从科学发现到概念形成中的重要因素；是由经验事实到检验理论活动的重要步骤；是面对各种可能性做出正确选择的重要能力。而想象不仅可以把复杂的对象纯粹化、简略化，而且还可以借助它进行创造性的构思。

物理教学要顺应物理学方法论的发展，激发并保持青少年在学习过程中的非逻辑思维，特别是在近代物理的教学中，教师应当尽可能让学生体会和理解非逻辑思维在推动物理学向前发展过程中的重要作用。教师要创设民主、宽松的学习和交流的环境，留给学生思考的空间，鼓励学生非逻辑性思维的尝试，这将有益于培养学生的创造性才能，实现21世纪人才培养模式的转变。

2.3整合物理教学内容，形成系统的物理学结构

系统科学的整体性原理指出：凡是系统，必然存在一个由各个部分构成且相互联系的整体结构。这个结构所具备的功能可能要比各个有机组成部分功能的简单相加要强大的多。在教学中除了要重视学生对知识的自主建构，还应当注意学生结构化知识的形成。没有整体观念的知识结构，所掌握的知识是零乱的、不完整的，且很快容易遗忘。正是由于学生头脑中没有一定的结构，加之教师在认识上的偏差，学生在学习上往往表现为对知识掌握短暂、认识肤浅、忽视知识的前后联系，结果只能是学习兴趣不高、视野狭窄、解决问题能力低下；反之，如果头脑中存在结构，可能有些具体内容(如定律或定理)会忘记，但留在头脑中的结构将成为学生解决问题和继续学习坚实的基础。教师要在整体原理的指导下，整合教学内容，给学生展现出系统化的物理世界，发挥出整体结构的最佳功能。

纵观物理学方法论的发展伴随物理学已经走过了几百年的历史，从物理学的角度来看，物理学方法论如同物理学之灵魂，总是与它相附相依。每一次物理学研究方法的飞跃必然带动物理学的进步。从物理教学的角度来看，物理学方法论是教学重要的组成部分，对每一位教师的教学都会有所启发。

(栏目编辑张正严)