试论物理学科本质及独特的育人功能

2021-05-14陶昌宏

物理通报 2021年5期

陶昌宏

(北京教科院基教研中心物理室北京 100031)

2017年年底，国家颁布了普通高中课程方案、课程标准，开启了新一轮课程改革．本次课程改革提出了核心素养课程目标，颁布了学业质量标准．核心素养课程目标是贯彻党的教育方针，坚持立德树人根本任务的纲领性指南；学业质量标准则是规范教学、规范考试，教学与考试和谐统一的纲领性尺子．以上两项内容均具有历史性意义．需要引起注意的是，课程标准中同时提出：注重体现物理学科本质，充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用．但是，学科本质是什么？课标中没有正面回答．笔者认为，学科本质、核心素养、学业质量标准、育人价值是一个有机整体，目的是更好地发挥物理学科独特的育人功能，体现其育人价值．

关于核心素养理念下的教学设计、教学实施，学业质量标准下学业水平等级性考试、命题等相关内容，笔者已在2018年、2019年《物理通报》连载文章中做了相应阐述．

本文就物理学科本质与核心素养、学业质量标准、育人价值的关系，如何发挥物理学科独特的育人功能谈一些认识．不妥之处，敬请指正．

1 物理学科本质

物理学科本质是什么？笔者与一线教师讨论、交流这个问题时，看得出，很多教师没有思考这个问题，或是言之泛泛，或是言之名词，也有见仁见智．这与课程标准中没有做出回答不无关系．

1.1 物理学科本质

物理学研究自然界物质的基本结构、相互作用和运动规律．由此，物理学科本质：反映并揭示自然界物理运动的规律．具体内容包括物理现象及实验，物理概念、定律及理论，物理学应用以及在物理学发展过程中所形成的方法和思维方式．这里的物理运动指的是指机械运动，分子、原子运动，电磁运动，热运动等．其中的机械运动是自然界中最普遍、最基础的运动，也是最重要的运动．恩格斯曾说道：“一切运动都是和某种位置移动相联系的．不论这是天体的、地上物体的、分子的或以太粒子的位置移动．运动形式愈是高级，这种位置移动就愈小．位置移动决不能把有关的运动的性质包括无遗，但是也不能和运动分开，所以首先必须研究位置移动．” (马克斯恩格斯选集第三卷P491)不了解运动，就不了解自然．在自然界，由于物理运动是最基楚的，化学运动、生命运动以及宇宙运动都是在物理运动上展开的，因此掌握了物理运动规律，也就有利于对自然界其他运动规律的理解，在人类认识的历史上，正是物理学的发展推动了化学、生命科学、宇宙学的发展，引领了人类文明的进步．正因为如此，物理学科本质具有基础性与丰富性．

1.2 物理学科本质的基础性地位

物理学科本质、核心素养、学业质量标准、育人价值是一个有机整体，学科本质具有基础性地位．

(1)物理学科本质，体现物理学本身的价值

物理学科本质，首先体现物理学本身的价值．物理学已经且正在改变人类的生活，物理学始终引领着人类对自然奥秘的探索，深化着人类对自然界的认识．

(2)基于物理学科本质，提炼学科核心素养

物理学科本质，体现物理学的育人价值．物理学科核心素养是学科育人价值的集中体现．物理学科建构的核心素养是从物理学科本质中提炼的．例如，核心素养当中的物理观念，主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素．这些观念是物理学科本质的体现，涉及人的世界观，而物理学科本质能够促进人们形成正确的世界观．核心素养其他几个维度亦然．

一个人，如果不经过物理课程的学习，将不能理解苹果成熟会落到地上，而高处的月亮则不会落到地上的事实．头脑中没有物理世界，也许就成为科盲了，很难从事科学研究．物理学科独特的育人价值无可替代．

(3)基于物理学科本质，制定学业质量标准

物理学科本质，是制定学业质量标准的根本依据，因为，学业质量标准依据学科核心素养及其水平化分为主要维度，结合课程内容对学生学业成就表现进行总体的刻画．

通过上述，可以看出物理学科本质与核心素养、学业质量标准、育人价值是不可割裂的整体．同时可以鲜明地看到，物理学科本质具有基础性地位．认识和理解物理学科本质，便于理解学科核心素养的本质内涵，便于理解学业质量评价标准，就能够发挥物理学科独特的育人功能，体现育人价值．方知孰轻孰重，才能举重若轻．在深化课程改革实践中，不是邯郸学步，也不会顾此失彼，从而有效地落实立德树人根本任务．

1.3 体现物理学科本质的重要内容

物理学家劳厄曾说过：“重要的不是获取知识，而是发展思维能力，教育无非是一切都忘掉的时候，所剩下来的东西．”

剩下来的东西，应体现学科本质．物理学科能剩下什么？应该剩下什么？

物理学包括物理现象及实验，物理概念、定律及理论，物理学应用以及在物理学发展过程中所形成的方法和思维方式．由此，能够体现物理学科本质、具有独特育人功能的重要内容，笔者认为要有物理实验、物理思维和物理方法．物理实验会影响人的世界观，物理思维会影响人的品格，物理方法会影响人的关键能力．而核心素养的关键词正是价值观念、必备品格和关键能力．

物理实验、物理思维和物理方法是物理学独创的、独特的、独具的，经过实践检验，可堪称经典，为其他学科进行科学研究树立了榜样．

2 物理实验独特的育人功能

物理实验属于科学实验范畴，但具有其独特性．

2.1 物理实验形成一种理念

物理实验已形成一种理念，即“小实验，大物理”，这是物理学、物理实验带给人们的启示．

(1)小实验，大物理

物理实验现象的背后，蕴含深刻道理，即“小实验，大物理”.

例如，如图1所示，小磁针的偏转使人类看到了电流的磁效应.

图1 通电导线使小磁针偏转

例如，如图2所示，一个线圈通电瞬间，另一个线圈中有了电流，揭示了电与磁的统一性.

图2 法拉第曾用过的线圈

法拉第线圈中产生感应电流，是在实验室发现的现象，证实磁场可以产生电流，这个发现促进人类进入电气化时代．

实验现象，可能反映自然界的某种规律．因此，做实验要进行细心的观察、理性的思考和推理．对于每一个实验都应以景仰的心态去完成．

(2)实验是重要的科学方法

近代物理学发展的过程中，实验一直相伴．实验(事实)与逻辑推理相结合的方法，开创了物理学的新篇章．

物理学是一门理论与实验高度精密结合的科学．要证明假说吗？要探究物理量之间的关系吗？要证明理论是否正确吗？回答是：做实验．物理离不开实验．实验成为物理学科特色．物理实验促进物理学自身的发展，并成为科学研究的重要方法．

(3)物理实验具有科学探究的本质意义

物理实验和采用的科学思维方法，体现了科学探究的本质特征，是人类认识世界的有效工具．物理实验开创了人类科学探索自然世界奥秘的先河．例如，天电的引入、磁生电的探索、光电效应疑难等等，不仅发现自然规律，促进人类生产方式变革，改善人们生活，而且增强了人类进行科学探究的意识和能力．

物理实验进行的探究、采用的方法、获得的成果，特别是形成的探究意识丰富了人类物质生活和精神生活，探究给人生带来情趣，探究是人类发展的不竭动力．

(4)物理实验增强证据意识

物理实验可以探究规律，可以验证规律．实验为理论的建立提供证据．

例如，如图3所示，伽利略通过斜面实验，得出小球做匀变速直线运动的结论．然后进行合理外推，确定了自由落体的运动规律．实验不仅为批驳绵延两千年对落体运动的错误论断提供了证据，而且开创了科学的研究方法．

图3 小钢球在斜面上的运动

例如，傅科摆实验，为说明地球的自转提供了证据．

例如，如图4所示，卢瑟福的α粒子散射实验，为建立原子核式结构模型提供了证据．

图4 α粒子散射实验装置

物理实验能够增强证据意识．证据意识增强了，有句老话儿“摆事实讲道理”就懂了；证据意识增强了，明辨是非的能力就增强了；证据意识增强了，诚信就能成为一种共识．

物理实验能够有效地培养和增强证据意识，促进学生科学素养、人文素养的提升．

2.2 物理实验具有独特性

物理实验为研究物质的基本结构、相互作用和运动规律提供证据，奠定基础．

例如，牛顿管实验，研究真空状态下，轻重不同的物体下落的规律．

例如，α粒子散射实验，研究原子的基本结构．

例如，卡文迪什实验，研究物体间引力作用规律．

物理实验探究的内容是物理学范畴，不同于其他学科．从这个意义上说，物理实验是独特的．这种独特性，能够帮助学生对物质的基本结构，物体的运动、相互作用等形成正确认识．能够帮助学生建立一个物理世界，这个物理世界能够促使学生形成正确的世界观．

例如，运动是物质的基本属性，物体的运动不需要外力来维持，地上和天上物体的运动遵从同样的规律，运动的物体具有能量等等．这些认识能够提升学生的科学素养，这是物理实验独特的育人功能．

2.3 物理实验的创造性

(1)实验工具的创造

物理学发展过程中，创造了一系列实验工具．

例如，计时工具的创造，滴水计时、砂漏计时、单摆计时，电磁打点计时器等．例如，天平，重锤线，验电器、变阻器、各种电表，传感器等．实验工具的创造，提升了实验水平，为物理学进一步发展，为物理教学提供条件，打下基础．

(2)实验方法的创新

物理学发展过程中，创造了一系列实验方法．

例如，库仑扭秤实验．电荷量的控制、微小力的测量、巧妙的设计步步都是创新．

例如，验证动量守恒定律的实验，将瞬时速度的测量转变成对水平位移的测量，这同样是实验方法的创新．实验方法的创新，开拓人们的思路．

(3)实验数据处理方法的创造

物理实验，发明了一系列数据处理方法．

例如，列表法、公式法、图像法、转换法、微元法等，特别是图像处理数据的方法，丰富了认知．坐标的变换，图像的截距、斜率、“面积”等都赋予了物理意义．

物理实验工具的演变、实验方法的创新、数据处理的多样，丰富了学生的认知，理性思维和想象力得到提升．例如，物理量的二分法、转换法、微小形变放大法、极限方法等能够有效地培养学生的创新精神和实践能力．

2.4 物理实验技术是一项专业化很强的独特技术

物理实验涉及学术、技术等问题．物理实验本身是科学，科学的本质在于求真．因此,实验来不得半点虚假．物理实验有助于形成实事求是的科学态度．物理实验技术是一项专业化很高的独特技术，物理实验讲究观察，讲究控制变量，讲究操作步骤，讲究数据记录、数据处理，讲究理性分析和逻辑推理，讲究合作与分享．

例如，连接好电路，闭合开关时，要采用试触方法.

例如，采用感应起电的方式使物体带电，实验操作的先后顺序决定成败.

例如，电表的选择、电源供电方式的选择，都会影响实验效果．

物理实验中的一招一式、一举一动，实验物品的一拿一放，都在培养学生的科学素养．物理实验不是随随便便就能成功．

综上所述，物理实验使人们获得关于物质、运动、相互作用、能量、电磁关系等方面的直接经验和证据，有助于形成正确的世界观．物理实验在培养学生创新精神和实践能力方面有不可替代的作用．

3 物理思维独特的育人功能

物理思维属于科学思维范畴，但具有其独特性．

科学是关于自然、社会和思维的系统化知识、系统化方法体系．显然，科学离不开思维．

3.1 思维是人类所特有的客观存在

思维在社会实践中产生，是人类所特有的一种客观存在．物理思维是在表象，物理概念、规律的基础上进行分析、综合、推理、判断等认知活动的过程．物理思维在物理课程学习中产生，并在物理课程学习中得到培养和提升．

3.2 思维有规律

已故科学家钱学森曾说道：“从最广泛的意义上讲，从唯物主义的思想讲，思维当然有规律，因为思维也是一种客观现象，而一切客观的东西及其运动都有自己的规律，思维当然也不例外．”

思维既然有规律，思维能力就能够培养．物理课程培养学生思维能力责无旁贷．

3.3 物理概念的高度抽象

(1)物理概念是物理学的基石

物理概念是物理学的基石，物理概念在物理学中极其重要，因为一切物理现象、实验、规律、理论，物理问题都要用物理概念来描述．物理概念是物理知识结构的基础，是学好物理课程的基础．学好物理课程必须要建构好物理概念．物理概念建构不好，其他均为泡影．

(2)物理概念的抽象性

物理概念具有高度抽象、高度概括、高度简洁、高度自洽的特点．这一点毋庸置疑．

例如，力的概念．力是改变物体运动状态的物体间的相互作用．

例如，加速度的概念．加速度的定义：速度的变化量与时间的比值．

仅上两例，无可争议，物理概念确实抽象，而且是高度抽象，又常常是多重抽象．如上面的加速度定义，当中涉及速度、速度的变化量、位移、质点、机械运动等概念．

物理概念用物理语言进行阐述，因此，仅从字面上无法认识和理解物理概念，需要经过物理专业教育，通过物理课程系统化学习才能懂得其意．

3.4 物理思维的深刻性

物理概念的高度抽象决定了物理概念的高度概括．由于物理概念高度抽象使物理思维具有其独特的深刻性．

物理思维的深刻性体现在以其独特的视角和方法，对自然界物质的基本结构、运动、相互作用、能量、电和磁及其转化等进行了科学的描述，建立了诸如质量、速度、加速度、力、电荷、电场强度、电势差等一系列概念，通过实验揭示了物理概念之间因果关系的一系列规律．

物理概念的建立促进人类的交流，提升了交流的品位，建立了量度、评估的标准和平台．

例如，某款红旗轿车百公里提速(0～100 km/h)时间为7.3 s．这种用物理概念的方式表达技术指标，使人们对汽车的性能有了一定的了解，同时还能形成具象的想象．

物理规律的揭示,促进科学技术的进步，改变人类的生活方式，改变人类的思维方式，逐渐改变人的行为．

例如，认识牛顿运动定律之后，对交通法中的“车速超过每小时100公里时，应当与同车道前车保持100米以上的距离”这项规定，在心理上不仅会有全面的认同感，同时在高速公路行驶，前、后车之间保持安全距离就容易成为一种自觉行为．

物理学一系列概念的建立、一系列规律的揭示，帮助人们形成一个物理世界．物理世界与真实世界的转换与比较，丰富了人的思维，丰富了人生．通过物理课程的学习，思维能力能够得到培养和提升．

3.5 物理规律的普适性

物理规律具有普适性．牛顿运动定律、万有引力定律、法拉第电磁感应定律等均具有普适性．

例如，生活中挑选生、熟鸡蛋，涉及牛顿第一定律、牛顿第二定律的内容．

嫦娥五号从点火升空、变轨、运行、着陆月球、衔月土、上升器起飞、与返回器对接、回归地球等一系列过程，都符合牛顿运动定律．

无论是生活中挑选生、熟鸡蛋，还是嫦娥五号探月工程的关键环节，都遵从牛顿运动定律．

例如，万有引力定律揭示宇宙间的一切物体都是互相吸引的．地上的天上的物体遵从同样的规律，这对人类的认识和思维活动产生巨大影响．

例如，无论什么方法激发的磁场，只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电动势、感应电流．

物理规律揭示物理概念之间的因果关系，物理规律的普适性必然扩大人的视野，扩展人的思维．物理思维使人类的思维活动在深度和广度上前行了一大步．

综上所述，物理实验的创造性、物理概念的抽象性、物理规律的普适性决定物理思维的深刻性．物理课程培养学生思维能力、逻辑推理能力不可替代．

3.6 物理思维可视化为抽象概念提供表象

(1)物理思维可视化

物理实验的创造性、物理概念的抽象性、物理规律的普适性决定了物理思维的深刻性．

物理思维的深刻性提升了人类思维能力，但是，客观上导致物理概念、物理规律比较难懂、难交流，物理课程比较难教、难学的状态．好在物理学家从一开始就进行了物理思维可视化的创造．发明、创造了极具形象化的表达方法．

例如，力的图示、电场线、磁感线、光线、等势面，各种图形、各种符号、各种图像，包括右手螺旋法则、左手定则等都是形象化的表达，是将抽象概念可视化．像诸如力的图示、电场线、磁感线、光线、波纹线等是物理学家创造的思想模型，这种思想模型可以帮助人们理解物质的属性，理解抽象的物理概念，便于人们的交流，便于应用．

用抽象概念描述事物的某种属性，必然要涉及事物的本质，加上可视化的图像，概念就立体了，就容易掌握了，容易交流和应用了．

例如，物理学从力的角度去认识看不见、摸不着的电场，建立了电场强度的概念，电场强度是一个定量的抽象概念，电场线将电场、电场强度概念可视化．这种方法物理学屡试不爽．

例如，从能量的角度去认识电场，建立了电势的概念，电势是一个定量的抽象概念，等势面将这个概念可视化．

例如，物理学家建立了力的概念，同时创造了力的图示，这样，人们就容易认识这个力了．力的图示，使力的大小、方向、作用点一目了然，同时大大方便人们之间的交流．

(2)物理思维可视化为抽象概念提供表象

可视化非常重要．就像生活中，用语言描述一个人的相貌，可能在人群中不太容易找到这个人，而看一下这个人的照片，找这个人就方便多了，因为在找这个人的时候，这个人的照片的表象在头脑中生成了．

物理思维可视化，一方面使物理概念立体了，同时为抽象概念提供表象．一个物理概念在头脑中有了可视化的图像，思维过程中，就能够形成表象，有了表象，做出判断就比较从容了．

正点电荷的电场线如图5所示．场中各处电场强弱一目了然，各处场强方向心中有数．

图5 正点电荷的电场线分布

已故科学家钱学森曾说道： “模型是什么？模型是吸收一切主要因素，去掉一切不主要因素所制造出来的‘一幅图画’一个思想上的结构图．”

物理概念深刻了人的思维，物理图像丰富了人的想象力．

物理学的图像是独特的，具有简洁、对称、流畅等特点．物理思维可视化了不起，它将物理学中的抽象思维与想象力成为统一体．

中国的汉字从仓颉造字开始，甲骨文、金文等是在仓颉造字的基础上发展而来．汉字是从形逐渐演化而来．形，自古就重要．形，直观，思维活动必然要利用形，利用形方便形成表象．

“科学与艺术在山麓分手，定会在山顶汇合．”科学创造要尊重事实，理性推理，同时要有想象力．物理学一直追求科学和艺术的完美结合．

物理学中的各种图形、各种符号、各种图像丰富了人的想象力．物理学中的抽象思维与可视化图像珠联璧合，相映生辉．物理思维可视化，使人类的思维活动在想象力方面凿出了一洞天．

(3)物理思维“丰富了人类的生活”

思维是“地球上最美的花朵”，物理思维“丰富了人类的生活”.你看，早上初升的太阳是红色的，中午变白色了，而且看到的是初升太阳的虚像，而不是太阳本身．理解这个奇妙的现象，要用到光的直线传播、光的折射、折射率、光的衍射等概念，同时要用到“光线”．有了光线，想起来、说起来、画起来可就方便多了．

应用物理概念时需要表象．如果物理思维活动中能够形成力的图示、电场线、光线、弹簧振子、单摆等表象，就容易对相关问题做出选择和判断．

物理学中可视化的内容很多，可以统称为“图像语言”．学习和掌握“图像语言”对提高物理学习能力既有重要的现实意义又有长远的历史意义．

作为物理教师，可以想象一下，如果物理学没有这些可视化的图像语言，你还教物理吗？

物理思维极具深刻性与物理思维可视化，决定了物理课程在培养学生科学思维能力方面有不可替代的作用，物理课程在培养学生核心素养方面具有不可替代的作用．

4 物理方法独特的育人功能

物理学具有一套比较完整的系统化知识、系统化方法体系．物理方法属于科学方法范畴，但具有其独特性．

“给我一个支点，我可以把整个地球撬动．”阿基米德这句经典语录，激励一代又一代科技工作者在从事科学技术研究中寻找方法．方法显示力量！

物理学创造的诸如理想化方法、等效替代的方法、极限的方法、宏观现象微观解释的方法等等具有普适的意义．物理方法，一方面促进物理学自身的发展，同时也为其他学科进行科学研究树立了典范，它的思路、它的方法堪称经典．物理学方法是人类思想史上最伟大的成就之一．

通过物理课程的学习，学会将复杂问题简单化、抽象问题形象化、实际问题理想化、理论问题具体化．笛卡尔曾说道：“可以将要研究的复杂问题，尽量分解为多个比较简单的小问题，一个一个地分开解决．”

例如，楞次定律内容本身说起来都有些拗口，但是在教学中教师能够通过具体判断感应电流方向的过程，使学生懂得其意，懂得其中深刻内涵，懂得把规律的应用变成具体的操作行为．

物理课程中让学生学习、领悟和掌握的物理方法还有诸如归纳的方法、演绎的方法、分析与综合的方法、类比的方法、平均的方法、微元的方法、图像的方法、假说的方法、猜想的方法、量纲的方法、控制变量的方法、比值定义物理量的方法等等．

例如，学习量纲之后，懂得了量纲的含义，就能够根据量纲对某些问题做出判断，就能够有效加深对物理概念的理解，同时知道了很多物理学家，知道了他们的贡献．这些物理学家都融合在单位制的大家族中，而且非常融洽．物理学中的单位展示物理学家的人文情怀，展示物理学蕴含着丰厚的文化内涵．

“安培经过一段时间遇到了库仑”“牛顿经过一段距离遇见到了焦耳”，你看，这多有意思啊！

如果没有方法，想去探究真理，那是绝不可能的．

物理方法具有普适意义，显示了物理学的独特地位．通过物理知识载体，向学生渗透物理方法，使学生体会其方法的智慧和力量，这是物理教师的责任与担当．

5 物理教学要体现学科本质

物理实验、物理思维、物理方法体现物理学科本质，有了这样的认识，就比较容易理解学科核心素养中物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任4个维度的具体内容，就容易发挥物理学科独特的育人功能．通过教学设计和教学实施，有效地落实核心素养课程目标．

5.1 物理实验的功能不能替代

物理实验体现物理学科本质．学生通过物理实验获得的直接经验是任何人、任何方式、任何学科都无法替代的．教师在指导学生建构概念、认识规律的过程中如果能够基于实验、基于事实，将是一位了不起的教师，因为，这是持正确的世界观，采用科学的方法，揭示物理运动的规律，体现物理学科本质，具体独特的育人功能．了不起的教师将培养出了不起的学生．

例如，如图6所示，平抛竖落仪．

图6 平抛竖落仪

在研究平抛运动规律中，这个实验非常重要．教师要在不同的高度处演示两个小钢球的下落情况，而且要让全体学生都能看到、听到两个小钢球下落的情况，从而得出平抛运动在竖直方向的运动规律．

在这个基础上利用如图7所示的器材进行学生分组实验，描绘小钢球运动轨迹，从而确定水平方向的运动规律．

图7 平抛运动实验器

学生通过实验获得直接经验和认知，是难能可贵的，是非常好的学习方式．

古代思想家荀子曾说道：不闻不若闻之，闻之不若见之，见之不若知之，知之不若行之，学至于行而止矣，行之、明也．看得出，知、行者，明也．

5.2 物理思维的深刻性与可视化相辅相成

物理思维体现物理学科本质．教学中，既要重视抽象思维能力的培养，同时必须关注物理思维可视化．物理学中的“图像语言”能够帮助学生建构概念、认识规律，为抽象概念提供表象．因此，教师要拿起尺子，为学生做示范．画出一幅幅体现物理概念、物理规律、展现解决问题过程中思维路径的各种图像．

例如，组织学生探究力的平形四边形定则的实验中，要给学生时间完成分力与合力关系的图示．这个图示是学生认识矢量运算规则的第一幅图像．它会长时间影响学生对矢量运算规则的运用和理解．这个作品值得每一名学生记忆和珍藏，值得教师欣赏．

5.3 物理方法不是具体的知识

物理方法体现物理学科本质．物理方法不是具体的物理知识，没有量化的意义．每一种可以说出的、用文字表达的物理方法，均是一个范畴或者是一个领域．因此，物理方法既不能以传授具体知识的方法进行讲授，也不宜就方法而讲方法．物理方法要通过具体物理概念的建构、物理实验的实施、物理规律的认识、物理问题的解决，使学生逐步体会、感悟和掌握．物理方法要向学生逐步渗透，渗透当然是多多意会．

例如电容概念的建立．教学中，实验探究电容器两极之间的电势差与电荷量的关系．电容器的带电量采用“二分法”获得，如图8所示．电容器两极间的电势差用电压表测量．实验得出：电容器的电荷量与两极间的电势差成正比．