物理观念的演进与教学启示

蔡铁权 郑瑶

摘 要：物理学的发展可以追溯到古希腊的亚里士多德，近代物理学从哥白尼提出“日心说”肇始，经过伽利略时代，到牛顿、麦克斯韦时期，经典物理学形成完整的体系。20世纪初普朗克提出量子论，爱因斯坦提出相对论，开启了现代物理学的时代，一直到当代的霍金。物理观念在这一漫长的过程中也不断地演化和变革，显示出它的历史性和复杂性。物理观念成为我国新一轮基础教育课程改革中物理学科核心素养的重要组成部分，而物理观念的历史演进过程给我们提供了多方面的教学启示。

关键词：课程改革；核心素养；物理观念；教学启示

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）12-0004-4

20世纪是物理学的世纪，物理学在20世纪取得了突破性的进展，改变了世界，也改变了人们对世界的认識。今天的物理学同常识日益疏远，是一种对科学家和公众都可能产生灾难性后果的疏远。近代物理学离世俗男女已经非常遥远了[1]。但是，物理学中的理论概念，往往与日常概念有密切的关系，很多都起源于常识概念。从古希腊到21世纪，从阿基米德到霍金，物理学的变化翻天覆地，反映人们对物理世界认识的物理观念也发生了根本的变革。我们先以运动观念为例，简述它的历史演进过程，然后对经典物理观念的特点进行归纳；与这些特点相对应，揭示了现代物理观念如何突破。由此表明，物理观念是一个历史的、发展的、变化的概念，是复杂的、多元的、多层次的概念。结合物理课程标准的要求，我们提出自己的一些认识和教学建议。

1 运动观念的历史演进——一个案例

我们先追溯到古希腊，简述一下自亚里士多德以来的运动观念。亚里士多德对运动的定义意指所有种类的变化。理解亚里士多德运动理论的最好方式是把握它的两个基本原理，第一个基本原理是运动从来不是自发的，没有推动者就没有运动；第二个基本原理是两种运动的区分，运动物体朝向自然位置的运动是“自然”运动，而朝着任何其他方向的运动只有在外力强制下才会发生，因而是一种“受迫”运动[2]。而伽利略认为，没有自然运动，进一步，也没有受迫运动。伽利略认为，亚里士多德对运动的区分是不可接受的，他认为自然运动和受迫运动之间可以互相转换。抛向空中的球会返回；沿着一个斜面下滑的球会沿着对面的斜面上滚；单摆的摆锤在达到运动中的最低点时不会停止，而是上升，然后再下降；而且，如果有一个洞可以穿过整个地球，那么一个抛出的石块，在洞中不会在地球的中心停止，而是会再上升到对面的地球表面[3]。牛顿的世界观是由物质、运动、空间和引力组成的。牛顿的运动观念是支配无限宇宙的运动满足同一套定律：它使苹果落到地上，也使行星绕着太阳旋转。不仅如此，同样的定律不仅可以解释天体运动的统一模式，而且还可以解释个体间的差异；不仅可以解释规则性，而且还可以解释不规则性（不对等性）。困扰了精明的天文学家和物理学家多少世纪的全部现象（比如潮汐），似乎都是同一些基本定律组合的结果[4]。在牛顿的绝对时空观里，空间与物质不同，它是独立的，即空间与物质是二分的，所有的运动都在这个空间中发生，空间是所有物体运动的参考背景，这来源于笛卡尔坐标系的概念，也是牛顿力学世界观（Mechanical view of world）的表现。到了现代科学，这种观念当然不能平移过去了。然而，这种观念的重大变革都只能是逐渐发生的，正如库恩所指出的，哥白尼的《天球运行论》，牛顿的《自然哲学之数学原理》，以不同的方式带来了革命，但任何个人能够做出的革新范围必定是有限的，因为每个个人在研究中都必定要使用他在传统的教育中学来的工具，而他穷其一生也不可能把这些工具全部更换[5]。到了20世纪，相对论描述的高速运动和量子力学描述的微观粒子的运动，和经典物理描述的物体运动又根本不是一样的。

2 经典物理观念的特点

我们先简略地介绍经典物理观念的特点，以和现代物理观念的突破进行对照。

以牛顿理论为核心的经典物理体系，形成了以力学世界观为特征的科学范式，是经典物理学发展的思维方法的核心内容。如热力学定律的建立架设了力学和热学之间的桥梁，焦耳定律的得出和能量守恒定律的确立，认识到热学过程和力学过程是统一的。法拉第建立了“场”的概念，麦克斯韦由此建立了场的力学模型，形成了“光的电磁理论”。这些都是在牛顿力学框架下，以力学解释纲领为核心导致的物理学的进步。

以这样的框架所构建的经典物理体系，形成了这些基本观念：牛顿的绝对空间、绝对时间和绝对运动，排除了任何主体观察的参照系，没有任何主体活动的、参与的、纯客观描述的动力学世界。

根据牛顿的动力学方程，可以从物体的初始运动状态准确地计算出在此之前或以后的任一时刻的运动状态，这些运动状态之间具有确定的、必然的因果联系，这样，事物的发展过程是必然的、唯一确定的，因而也是可逆的。这种以因果性为核心的指导思想和方法论原则，形成了严格决定论观念。

认为事物的整体是由其各个部分累加组成的，分别知道了各个隔离的组成部分，再由这些部分的累加而构成了事物的整体，否定了部分之间的相互关联和影响，认为描述系统内各部分的行为的关系式是线性的。

机械还原论是经典物理学家普遍的观念，认为物理学的任务就在于把自然现象归结为简单的力学定律，科学家的工作就是找到对各种自然现象的合理的力学解释，世界的多样性和纷繁复杂只是一种表面假象。

宇宙学也将宇宙作为整体的结构，研究其成分、演化与起源，牛顿依据他的力学规律建立了静态宇宙模型，等等。

3 现代物理观念的突破

20世纪一开始，就发生了物理学的两大革命，不但彻底改变了世界的科学图景，而且从根本上改变了科学家的思维方式，同时也改变了人们对概念的使用、对世界的看法、对科学的认识和对理论的理解。物理观念发生了深刻的变革。

爱因斯坦颠覆了牛顿的绝对时空观，将对运动的认识发展到了一个全新的阶段。狭义相对论将时间、空间和运动、参考系联系起来，这意味着，并没有一个独特的优越的视角判断事物是否真正运动，相反，不同参考系中的观测都是真的。当物体运动的速度接近光速时，“同时的相对性”将明显地表现出来，认识到这一点，“动钟变慢”“动尺缩短”等效应就变得比较容易理解了。在广义相对论中，物体受到的引力与物体加速时受到的力是等价的，引力本身是时空结构中的蜷曲，物质使空间发生蜷曲，而蜷曲又使物质移动，从而进一步使空间弯曲，而弯曲的时空又会反过来影响物质的运动。广义相对论将时空、物质、能量、引力场联系在一起，描述了一幅生动的自然图景，是人类认识史上的一次飞跃。

20世纪的物理学，由于相对论和量子论的提出，物理观念产生了革命性的演化。

爱因斯坦的相对论从根本上否定了牛顿理论“纯客观性”的绝对参考系，同时把观察者引入到物理理论的描述之中。同一事件的进程，相对于不同的参考系有不同的时空属性，描述的变换要遵循同观察者参考系紧密联系的洛伦兹变换，洛伦兹变换与以绝对时空为背景的伽利略变换的区别不仅在数学形式上，而且在物理观念上。伽利略变换是任意两个惯性系之间的变换，其中v是两个惯性系之间的相对速度。爱因斯坦从“相对性原理”和“光速不变原理”出发，在不知道洛伦兹等人工作的情况下独立地导出了洛伦兹的变换公式，他认为根本不存在绝对空间和静止的以太，因此，在洛伦兹变换公式中，洛伦兹变换只是任意两个惯性系之间的变换，v是两个惯性系之间的相对速度。正是愛因斯坦在两个基本观念（“相对性原理”和“光速不变原理”）上同时实现了突破，才有了相对论新理论的创立。在量子力学中，人的活动也融入了量子力学的原理，正是由于主体的观测手段与观察对象相互作用的结果，才导致海森伯的不确定性原理。在量子力学任何一个可观察量的集合中，总有某个可观察量无法精确测量。因而就无法如经典物理那样由初始条件和理论来精确预言物质的时空演化了，于是大自然在原则上具有不可精确预测性，本质上是不确定的。但不确定性并非因为测量手段不够精准，而是量子的本性，经典意义上的决定论几乎被彻底否决了。

“严格决定论”也否定了“随机性”的实在意义，而19世纪热力学和统计物理学中的热力学第二定律及熵概念的提出，引进了几率概念，给不可逆过程作出了统计的说明，这对严格决定论发起了严重的冲击。20世纪量子力学的理论是几率的、统计性的，薛定谔方程的波函数只能是几率波。20世纪70年代，发现了气象混沌的蝴蝶效应的洛伦兹及其他科学家发展了混沌科学，揭示了服从因果决定的事物存在着内在随机性，这是客观事物自身的一种属性。而在20世纪80年代后蓬勃发展的量子信息论表明，对具备量子纠缠特征的两个系统中的其中一个进行测量，将对另一个造成决定性的影响，这一特征显然无法归入任何一种因果关系的框架之中，到此，因果性被完全地否定了。

作为严密自然科学代表的物理学，其发展长期与关于有机体进化的科学不相容，这似乎是一个悖论。1944年，薛定谔出版了名著《生命是什么》，推动了物理学家研究生命现象及其进化。不久，普里高津在60年代末建立了耗散结构理论，哈肯构建了协同论，这些有关系统的组织，即系统进化机制的理论，表明物理世界是一个演化的世界，进化的世界，系统在存在负熵的情况下可以从混沌走向有序，物质运动的过去、现在、将来是不一样的，时间之箭是有方向的。

自组织理论、混沌理论表明物理世界并不是简单性的世界，它内含着演化的自组织过程和复杂的混沌行为。非线性、非平衡、不稳定性、涨落、分岔、混沌等，成为物理学状态的描述概念，探索物理学的复杂性成为引导人们认识物理学的新的航标。

人们从广义相对论开创了现代宇宙学，今天，膨胀宇宙模型已被学术界普遍接受，可以肯定，宇宙是无界的。一些天文观测证据表明，宇宙现在正在加速膨胀，人们正试图用暗物质和暗能量来解释宇宙膨胀为何有“加速阶段”。20世纪60年代以后，黑洞的观念被相对论界普遍接受，目前认为，真实的黑洞过程不会保证信息守恒，但也可能会有部分信息从黑洞中泄露出来或残留到最后[6]。莫兰提出了相对于简单性的复杂性形式应该具有的特性原则，对两者作出了全面的比照[7]。今天，静态宇宙模型已经被淘汰，宇宙和生物界、人类一样是发展变化的。

4 物理观念演进历史的教学启示

综上所述，物理观念是变化的、发展的，物理观念是复杂的，不同的历史时期，反映出物理观念发展的阶段性；物理观念是深刻地认识物理学的要素，是物理学本质的重要组成部分，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础，是形成物理学科核心素养的关键。

《普通高中物理课程标准（2017年版）解读》[8]指出：“通过高中阶段的学习，学生深入理解力学、热学、电磁学、光学等经典物理的概念和规律，逐步形成经典物理的物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等，能用其解释自然现象和解决实际问题；了解相对论和量子力学等现代物理的概念与规律，初步形成现代物理的物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念等，并能用这些观念描述自然界的图景。”课标清晰地指出了经典物理观念和现代物理观念的区别，也明确规定高中物理教育中学习物理观念的不同要求，由于物理观念在不同的物理学历史发展时期表现出不同的特点，尤其是现代物理观念实现了对经典物理观念革命性的突破，即在高中物理学习的不同内容、不同阶段，对应的是同一个物理观念（例如运动观念），或者说一个物理观念的形成是多个内容，几个阶段，并且是通过大量概念和规律的理解，逐步形成的，而且其对应的物理观念又是在不断变化和发展的。这样，高中物理教育中物理观念的养成必须根据不同历史阶段所表现出来的特点实施教学。

我们在上一篇文章中已对物理观念的物理教育价值作出了论述，在物理教学过程中，要体现这种教育价值。现在根据物理观念历史演进的特征，对养成物理观念的高中物理教学提出几点建议。

1.按照《普通高中物理课程标准（2017年版）》对物理观念的水平划分，确定具体物理内容所对应的物理观念和所能达到的水平，阐明教学目标（具体的阐明方式在以后文章中论述）。物理教学的推进过程是物理观念的形成和发展的进阶。

2.在形成和理解物理概念、规律、原理和理论时，要为形成整体的物理观念打好基础，其目标的指向在于物理观念。物理概念、规律、原理和理论是物理观念形成的载体，物理观念是前者的终极目标。这种形成也是一个渐进的过程，既有历史的阶段性，又有整体的完备性。

3.及时完成“解释自然现象和解决实际问题”以及“描述自然界图景”的实践。物理观念提供引领知识应用实践的方向、方式和方法，促进学生对知识理解的深化，促使知识向能力和品格的转化，在实践中逐步深化对相关物理观念的认识和理解。实践应用在不同的阶段上应该有不同的应用方式和应用水平的区分，不可能一蹴而就，也不可能停滞不前，要循序渐进地确定实践目标。

4.物理观念的建构要符合物理学本质、物理观念发展的阶段性和学生的认知规律，避免形式主义的灌输式传授，物理观念应内化为学生的科学思想、科学精神、科学态度。

5.教师对物理观念要有全面的认识和深刻的理解，尤其是对现代物理观念的理解和把握，要正确处理经典物理观念和现代物理观念之间的关系，正确区分不同历史阶段对同一物理观念的认识特点，既不违背历史发展的规律，体现一定历史阶段物理观念所反映的特征，又为物理观念的进一步演化和变革留下空间，物理观念的形成过程是开放的系统，是进阶式的前行。

6.要培养学生形成物理观念的强烈意识，在学习物理学内容时，主动关注其中的物理观念；培养归纳、概括并升华物理概念、规律、原理和理论成为物理观念的能力；逐步养成应用物理观念去分析、解释自然现象和解决实际问题的能力；提高学生在整体上认识和把握物质世界的水平，最终达到养成物理学科核心素养的目标。

5 结 语

物理学的发展历史悠久，现代物理学的发展又突飞猛进，物理学的成果日益改变了人们对物理世界以至整个自然界图景的认识，日益改变了人们对事物和自然的认识的观点，物理观念是这种认识和观点的集中体现。我们对物理观念的这种特点作出了分析，由此对物理观念形成的物理教学提出了初步的思考。我国新一轮基础教育课程改革已经全面启动，核心素养成为这次课改的主旋律，物理观念是重要的物理学科核心素养，物理观念的教学必须引起我们的关注、重视和研究。

参考文献：

[1]Philip Anderson，曹则贤，刘寄星.20世纪物理学的历史概述[J].科技中国，2016（12）：99-108.

[2]戴维·林德伯格.张卜天，译.西方科学的起源（第二版）[M].长沙：湖南科学技术出版社，2013：61.

[3]A.柯依列.李艳平，张昌芳，李萍萍，译.伽利略研究[M].南昌：江西教育出版社，2002：196-196.

[4]亚历山大·柯瓦雷.张卜天，译.牛顿研究[M].北京：北京大学出版社，2003：8-10.

[5]托马斯·库恩.吴国盛，张东林，李立，译.哥白尼革命——西方思想发展中的行星天文学[M].北京：北京大学出版社，2003：178.

[6]赵峥.爱因斯坦与物理观念的突破[J].大学物理，2005，24（12）：1-7.

[7]埃德加·莫兰.陈一壮，译.复杂思想：自觉的科学[M].北京：北京大学出版社，2001：267-269.

[8]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：54.

（欄目编辑 赵保钢）