物理学史的内涵及其在物理学科教学中的功能

摘 要：本文由“钱学森之问”引发问题，引用钱三强对物理学史地位的界定，剖析了物理学史的内涵，再结合物理学科核心素养的四个方面，论述物理学史在物理学科教学中的功能，试图为破解“钱学森之问”的答案寻找思路。

关键词：物理学史；内涵；功能

作者简介：沈祖荣，江苏省木渎高级中学高级教师，江苏省333工程培养对象，苏州市名教师，苏州市学科带头人。（江苏 苏州 215101）

基金项目：本文系江苏省教育科学“十二五”规划2015年度立项课题“物理文化课堂构建策略的实践研究”（课題批号：D/2015/02/121）的研究成果。

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）25-0021-03

一、问题的提出

2005年，时任我国总理的温家宝看望著名科学家钱学森，钱学森对温总理说：“这么多年培养的学生，还没有哪一个的学术成就，能够跟民国时期培养的大师相比。”钱老还在多种场合提过这样的问题：“为什么我们的学校总是培养不出杰出的人才？”这就是著名的“钱学森之问”。

十多年来，我国国家层面为破解“钱学森之问”而进行了课程改革、高考制度的改革等一系列的措施；各级各类学者也纷纷建言献策，求破解“钱学森之问”。

所谓“钱学森之问”中的杰出人才是指对科技发展有杰出贡献或巨大影响力的科学家。物理学科是科学的重要基础学科，是科技发展的源动力。由于受目前的升学压力以及应试教育的影响，当前基础教育中的物理教育、教学中普遍存在重结果、轻过程，重逻辑推理、轻人文熏陶，重理论分析、轻动手实验，缺少学生责任担当的教育等问题；而研究物理学史内涵及功能，运用物理学史揭示科学的本质，对科学态度、科学观念、科学思维等的培养，有助于培养未来杰出的物理学家。

二、物理学史的内涵

著名科学家钱三强为郭奕玲、沈慧君等主编的《物理学史》一书所作的序中曾提出：物理学发展史是一块蕴藏着巨大精神财富的宝地，这块宝地很值得我们去开垦，这些精神财富很值得我们去发掘。如果我们都能重视这块宝地，把宝贵的精神财富发掘出来，从中吸取营养，获得教益，我相信对我国的教育事业和人才培养都会是大有益处的。

正如钱三强所说，物理学史是蕴藏着极大精神财富的宝地，这块宝地蕴含着的就是物理学史的内涵，挖掘这块宝地就需要剖析物理学史的内涵。

1. 物理学史诠释物理学的发展历程。物理学史是物理学在历史进程中的发生、发展过程。学习了物理学史就能了解物理学的发展历程，更能辩证看待物理学的发展。

物理学科从最初的“经验物理”阶段：即凭日常生活中的现象总结出的经验，如亚里士多德提出的力是维持物体运动状态的原因，重的物体下落得快、轻的物体下落得慢等；再诸如地方天圆、地心说等。到经典物理学阶段：这阶段已有较为完整的理论体系，如牛顿运动定律为基础的经典力学，其研究对象主要是宏观、低速的物体；再诸如经典的能量、动量规律，经典的几何光学和物理光学等。再到现代物理学：高速系统要用相对论的理论研究、微观系统要用量子力学理论来研究等。

从物理学的发展历程看，虽然最初的“经验物理”中很多结论是错误的，现在看来就算是经典物理中也有不少规律或结论是片面的，但其具有时代性，符合当时的人们科学技术的认知水平需求，不能全盘否定其对当时的社会进步做出的贡献。理解物理学的发展史有助于培养学生正确的观念及观念更新的意识。

2. 物理学史诠释物理文化的本质。解世雄在其《物理文化论》一书中明确指出，物理文化是世界历代物理学家在创建物理学理论过程中，发现、创造和形成的物理思想、物理方法、物理概念、物理定律、物理语言符号、价值标准、科学精神、物理仪器设备以及约定俗成的工作方法的总和。

笔者也曾通过物理学史的研究，发现并在《试论物理文化中的“真、善、美”》一文中提出物理文化的本质观点，即所谓“真”体现在：研究的对象是客观存在真实的物质、解释现象用的是已经检验的规律或原理、渗透的基本理念是讲究证据、培养实验技能的途径是真做实验、领悟到的为人标准是实事求是、培育学生具有正确的物理观念等；所谓“善”体现在：“完善知识系统、形成正确物理观念”“提高智能水平、善于解决实际问题”“物理研究具有向善性、杜绝恶性成果产出”“物理助推科技发展、科技促进社会进步”“物理学家不计名利、拥有和善之心”等等；所谓“美”体现在：抽象之美、简约之美、和谐之美、对称之美、语言之美等等。

通过对物理学史的研究、物理学发展的案例分析，可以明确给我们启示：物理文化中的“真、善、美”。学生学习物理学史还可以内化为学生的物理学科素养中的“真、善、美”。

3. 物理学史诠释物理学与其他科学的关系。研究物理学史，从物理学的发展可知：物理学是自然科学的基础学科，最初的自然科学实际就是物理学。物理学研究的时间跨度和空间跨度大约都在1044数量级范围，尺度大到天体、宇宙研究范围内的现在称为天体物理学，尺度数量级小于10-10m研究范围内的现在称为原子和原子核物理学等。所谓化学是在数量级为10-10m研究范围内物理学科的分支学科，生物学实际也是大物理范围的一个分支学科。在很久以前，化学、生物学等自然科学都属于大物理学范畴。从发展趋势看，尺度在数量级为10-9m即纳米级研究范围内表现出来的性质、规律和特性称为纳米技术领域；从尺度在不同数量级的颗粒表现出不同性质可以推断物理学的发展预期热门领域。

4. 物理学史诠释科学的本质。诠释科学的本质有助于培养学生的科学素养，物理学是科学的基础学科，科学发展的源动力，研究物理学史能很好地诠释科学的本质。

美国科学促进会（AAAS）将科学本质分为世界观、科学探究、科学事业等三个方面。结合物理学史与物理学科的本质，笔者认为科学本质主要包括以下三个方面：第一，必须以证据为基础的思考方式，即从猜想、假说到推理、验证，再到得出结论的过程，必须以证据为依据。第二，科学问题的解决需要进行科学探究，即需要科学的方法，即使有了科学的方法也未必能解决所有的问题。第三，科学知识需要辩证接受，科学知识是暂时的、动态的、具有时代性。科学知识的发展是理论提出→实验验证（或接受或否定）→新的理论→新的实验的过程。

三、物理学史在物理学科教学中的功能

2017年版的普通高中物理课程标准中明确指出：物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等四个方面。以史为鉴，学习物理学史、研究物理学的发展历史规律，理解物理学史的内涵，发掘物理学史的育人功能，运用物理学史来培育学生的物理学科核心素养。

1. 运用物理学史提高物理教学效率。物理教学分为以物理知识、科学方法、实验技能的传授为载体的显性教学，以培养学生科学思维、科学探究、逻辑推理能力的隐性教学。最终形成正确的观念和具有认识世界的科学态度与责任，培养学生解决实际问题的能力。

在培养学生解决实际问题的能力的过程中，遇到的物理知识、科学方法、科学思维和逻辑推理能力等都是很生硬、抽象的。若在物理教学中渗透物理学史，讲述物理知识的形成、发展及展望的历史过程等；讲述科学方法的使用条件、要求以及历史上曾解决了哪些问题、哪些典型应用等；讲述什么是科学探究、科学探究的主要环节、科学探究典型故事等；讲述科学思维和逻辑推理，体现正确观点和科学态度与责任的典型历史故事等；把生硬、抽象、学生难以理解的物理活化为形象、有趣、感人以及实用的物理。加深学生学习物理知识的印记、激发学生学习物理的兴趣、拓展学生学习物理的思路、形成学生学习物理的责任感，从而触发学生学习物理的激情，使学生带着兴趣學习物理。这样可大大提高物理教学效率。

2. 运用物理学史为学生科学思维的培养寻找证据。科学思维又称科学思维方法，是从物理视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑和批判，进行检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。科学思维包括：模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。

科学思维是物理学科核心素养的重要方面，学生通过物理学习逐步养成科学思维的方法与习惯，也是物理学习的重要育人功能。科学思维有严密的程序和逻辑要求，思想活跃的学生刚开始不一定能接受老师对其科学思维方法与习惯培养而严格的要求。为预防这一可能现象的出现，为了具有说服力、并让学生从内心接受，在科学思维培养方面不能简单说教，教师可以通过物理学史，以讲故事的形式讲述历史上的科学家是怎么高效解决物理问题的，怎样科学思维的，科学思维要做到怎样的要求，程序、方法又如何等等。运用物理学史可以为学生科学思维培养寻找证据，为物理教学中渗透科学思维培养铺好路、搭好台，有序推进对学生科学思维的培养。

3. 运用物理学史培育学生科学态度与责任。中学课程设置物理学科，物理学科教学绝非仅仅是传授物理知识，更重要的是培养对国家有用的人才。2017年版的普通高中物理课程标准中明确指出：“科学态度与责任”是指认识科学本质，认识科学技术社会环境关系的基础上，逐渐形成的探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范，保护环境并推动可持续发展的责任感。“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度和社会责任等要素。

本文前面论述了研究物理学史，物理学史可以诠释科学本质。给学生合适的物理学史素材，让他们了解前辈科学家对待科学的态度以及做出的卓越成就，以及历史对前辈科学家做出卓越成就的评价等。前辈科学家的事例会潜移默化、深深地影响学生；他们会以前辈科学家为榜样，形成正确的价值观，树立科学态度，主动接受承担社会责任的理想愿望；激励学生为国家的富强、民主、文明，为国家科学技术的发展努力学习。

正像钱三强先生所说，物理学史是一块深藏宝贵财富的宝地。在物理教学中要适时开挖这块宝地，并且将物理学史富含的内涵上升到物理文化，物理文化能潜移默化熏陶学生，影响学生的思想。引入物理学史，将物理学史渗透到物理教学之中，是培育学生物理学科核心素养重要保证；也可使学生以史为鉴，学物理不能为了学习而学习，而应从科学本质上认真学习物理、物理学习过程要理论和实践两条腿协同走路，树立正确的辩证统一的观念，带着兴趣、肩负责任地学习。这样的物理学习是“真学习”，这样的教育是“真教育”，这样一定能培养出对社会有卓越贡献的大科学家。

参考文献：

[1] 郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2] 解世雄.物理文化论[M].重庆：西南师范大学出版社，1996.

[3] 沈祖荣.试论物理文化中的“真、善、美”[J].物理教学探讨，2018，（3）.

[4] 教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018，（1）.

责任编辑 张 婕