物理文化研究对物理教育的启示

1物理文化研究对物理教育的启示解世雄广东嘉应学院 广东 梅州 514015摘要：“物理文化”在物理教师中成为一个热门的概念，但是物理文化概念的提出和研究对物理教育有哪些启示呢？当前急需进一步的研究。这里首先概述科学文化和物理文化概念的起源；然后论述：物理文化研究对制定物理教育目标启示；物理文化研究对学生发展的启示；物理文化研究对物理教师角色的启示。关键词：物理文化、起源、物理教育一、科学文化、物理文化概念的起源 1、科学文化概念的起源美国著名文化人类学家、新进化论学派主要代表人物 L.A 怀特在上世纪40 年代，提出建立一门“文化科学”的构想。怀特把文化理解为人类所创造的符号的总和，而语言则是人类这种符号能力的最为重要的形态。在他看来，文化是一个有其自身生命和自身规律的自成一体的系统，其功能在于使人类适应自然界，以保证种的生存和延续。而科学文化概念则是英国人查尔斯斯诺（Charles Percy Snow,1905 - 1980）最先提出的， 1956 年，在新政治家杂志上发表了一篇名为两种文化的文章。三年后，他将文中的思想加以扩充，在剑桥大学作了一个著名演讲，讲题是两种文化与科学革命 。斯诺身跨文学与科学两个领域，又都达到优异的成绩，因此特别能体会出两者之间的差异性。斯诺认为西方的知识社会里，日渐分裂出两极对立的群体：一极是文学知识分子，另一极是以物理学家为代表的科学工作者。斯诺把这两种势力称为两种文化，不仅是智力意义上的文化而且是人类学意义上的文化。收稿时间：作者简介：解世雄（1957-） ，男（汉） ，内蒙古人，广东嘉应学院物理系，副教授。主要研究方向：物理文化、物理教育。2 近年来，科学文化一词频频出现在大众传媒。而对于什么是科学文化，如何理解科学文化、如何更好地从事科学传播，存在着各种想法。科学文化具有思想和实践两方面的意义。中国科学院自然科学史研究所最近把科学文化的研究提到很高的地位。该所将“科学文化”定为学科发展的三大方向之一，以科学史的研究为基础拓展研究者的学术视野，跟踪国际学术研究的最新进展.于2004 年成立了科学文化研究小组，创办了学术刊物科学文化评论 ，开办了“科学文化”网站，推动了科学文化的研究，扩大了社会影响。2、物理文化概念的起源 在把科学文化概念作为一个整体进行研究的同时，国内的一些学者把科学文化作为一个系统，类比知识系统的分化模式提出并研究数学文化、物理文化、生态文化，而且取得了可观的成果，这对于改进科学教育起到了很好的作用。物理文化的著作有：物理文化论 （解世雄 西南师大出版社 1996 年版）物理文化与物理学史 （厚宇德 浙江科技出版社 2004 年版 ） ，物理文化的理论研究相对薄弱一点，但物理文化概念在物理教师中广为流传，从文化视角研究物理教育已有不少文章和著作涉及到了。中国物理学会教学委员会和物理通报2002 年，在为物理通报创刊 20 周年举行的征文比赛中，有一个选题是“物理文化与人文精神” ，2005 年该刊开辟了“物理与文化”专栏。2005 年 1 月 13-15 日，陈佳洱院士出席了在巴黎举办的“世界物理年”开幕式活动，这次活动由联合国教科文组织主办，陈佳洱院士应邀担任会议国际顾问委员会和国际指导委员会的成员，并在圆桌会议上代表中国物理学会和国家自然科学基金委做了“物理与文化”的发言。在物理文化论一书中，我认为物理文化是由物质设备、观念形态、知识体系、语言符号四大要素构成，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。（4）二、物理文化研究对制定物理教育目标的启示物理教育本身就是一种广义的文化活动，物理教育不能不重视物理学的文化价值。物理教育活动中，学生仅仅了解物理学知识是远远不够的；还应该了3解物理学在人类文化发展和社会生产力发展中的作用；也应让学生在学习物理学过程中，形成和掌握科学的价值观、科学思维方式，接受物理文化全方位的熏陶。国际纯粹物理与应用物理联合会在进入新千年的物理学一书中，对二十世纪物理教育的目的提出了质疑。其论点就是：如果所有的学生都要学物理，那么物理教育的主要目标应该放在大多数的未来公民的兴趣和需要上，而不是放在将进一步学习物理而成为科学家或工程师的少数精英分子身上。如果物理教育是为更多学生的全面发展服务的，那就应当重视物理学家的工作成果在社会上、技术上的应用；应当重视物理学的哲学和物理学的历史；应当重视蕴含于我们文化之中的物理学方法；应当重视物理学家这个专业群体的特点，如支持、贡献社会的方式等。物理教学是一个庞大的体系，有中学的物理教学、大学的物理教学，而大学物理教学也有不同的要求。我认为至少可以分为三种类型：为研究物理而学物理；为应用而学物理；为提高文化素养而学物理。即为物理而物理，为应用而物理，为文化而物理。这就构成了物理教学目的多样性或者说物理学习的多功能性问题。诺贝尔物理学奖获得者，费曼对物理科学的价值有独到的看法，他认为：科学应用价值是众所周知的，科学知识使人们能够制造许多产品，做许多事业。科学的另一个价值是提供智慧与思辨的享受。这种享受在一些人可以从阅读、学习、思考中得到，而在另一些人则要从真正的深入研究中方能满足，这种享受的重要性往往受人忽略。科学上已发现的理论和定律，是科学研究的收获，也是科学家得到的最高奖赏。科学家发现这些理论时激动不已，而学习者从学习和理解的过程中得到满足和成就感，而这种心情对于人来说是极其重要的。第三个价值是改变人们对世界概念的认识。人类为了满足自身的物质和精神需要而创造出来的科学和技术，已经成为人类的文化背景，改变了人们对自然和世界的认识。第四个价值是科学的精神价值，科学就是对未知世界的永无止境的探索，科学家们对研究对象，不知道答案时他是无知的；当他大概有了猜测时他是不确定的；即使满有把握时，他永远会留下质疑的余地。科学家的责任是探索更好的办法留传给下一代。 （6）4物理教学的目的，费曼有非常深刻而全面的观点。他认为学习物理有五方面的理由：第一是为了学会怎样动手做测量和计算，及其知识在各方面的应用；第二是培养科学家，他们不仅致力于工业的发展，而且贡献于人类知识的进步；第三认识自然界的美妙，感受世界稳定的实在；第四是学习怎样由未知进到已知的科学求知方法；第五是通过尝试和纠错，学会一种有普遍意义的自由探索和创造精神。费曼在他的费曼物理学讲义的结束语中这样写道：“我讲授的主要目的，不是为你们参加考试做准备甚至不是为你们服务于工业或军事做准备，我最想做的是给出对于这个奇妙世界的一些欣赏，以及物理学家看待这个世界的方式，我相信这是现今时代里真正文化的主要部分。也许你们将不仅对这种文化有欣赏，甚至也可能你们会加入到人类理智已经开始的这场伟大的探险中去。 ”（7）三、物理文化研究对学生发展的启示从文化的视角来看，物理教育与物理文化是密不可分的。物理文化的世代相传主要依靠物理教育，物理教育一方面保证物理文化在新一代身上再生，以保证物理文化的延续，另一方面把人纳入一定的社会模式中使其社会化，培养成适应社会需要的掌握一定知识和技术、具有一定科学精神的现代人力资源。物理文化通过三个途径实现对青少年的培养：一是借助作为文化结晶的文字读物（物理教材、教参书、科学期刊、物理学家传记、科普读物等） ，向青少年传播物理文化；二是通过作为物理文化“活”的载体的物理教师，系统地讲述物理学发展历史、知识体系、物理学的价值标准、杰出物理学家的思维方式，工作方法，个性特征等，青少年对进行物理文化的熏陶；三是借助自然物理环境和人工物理环境引导学生感悟物理、热爱物理。物理文化教育可以在下几个方面实现对青少年的培养，促进他们的发展。1、有助于形成科学探索精神物理文化是当代人类文化的主流文化之一，是领引社会进步的重要力量。物理文化是科技文化的基础，对青少年的培养具有不可替代作用。 它是战胜一切伪科学的认识论基础。 物理学习活动有助于破出封建迷信，激发好奇心，求5知欲，培养人的探索精神。爱因斯坦在其自述一文中，对自己观念的变化和好奇心有过精彩的描述：“尽管我是完全没有宗教信仰的（犹太人）双亲的儿子，我还是深深地信仰着宗教，但是这种信仰在我 12 岁那年突然终止。由于读了通俗的科学书籍，我很快相信圣经里故事有许多不可能是真实的，其结果就是一种真正狂热的自由思想，。这种经验引起我对所有权威的怀疑。我很清楚少年时代的天堂就这样失去了，这是使我自己从“仅仅作为个人”的桎梏中，从那种被愿望和原始感情所支配的生活中解放出来的第一个尝试。在我们之外有一个巨大的世界，它离开我们人类独立地存在，它像伟大而永恒之迷，然而至少部分地是我们的观察和思维所能及的。 ”（8）从爱因斯坦的典型经历中，我们看到学习物理对消除迷信，建立批判意识的深刻作用。我们不难推想经过系统的物理学习的人群，比起没有接触这种文化的人群来，更具有抵御迷信和伪科学的能力。好奇心是人的天性，人类生活在大自然中，总是力图了解自身和所处的外部世界，渴望使心中的疑团得以解释。古人对自然的奥秘发出过多少质朴的发问：天体是怎样运行的？热现象的本质是什么？电、磁是怎么产生的？光的本质是什么？物质是怎样构成的？正是自然界美妙而复杂的现象，激发了一代又一代物理学家的好奇心，促使他们去探索自然现象背后的本质，而物理学的每一个科学概念的产生都充满了探索和创新，还包括对已有错误观念的批判。物理学作为人类认识自然的伟大成果，无论其内容、方法和结构都是人类创造智慧的集中体现，物理学形成和发展的过程，就是一个探索和创新的过程，其闪耀着科学探索之光。我们的物理文化教育是在课堂上再现科学探索的过程，因而有助于培养人的科学探索精神。2、有助于科学的认知与思维训练物理学知识具有解释物质世界的认知功能，他帮助人们科学地认识和理解物质世界的规律，开阔人们的认识视野，提高人们与自然和谐相处的能力。物理学方法是发明创造的思维武器，也是开发创造思维的理论指导。著名物理学家都非常重视科学方法的研究和应用，物理学上的重大发现往往是从方法论上打开缺口，突破前人的思想方法的局限，进而获得成功的。物理学是包6含科学方法最多丰富的学科，在通用科学方法 300 种中，物理学中包含 170 多种，物理学是具有方法论性质的学科。例如，物理教学的理想的教学模式是：创设问题情景（通过实验或现象描述）分析问题找出解决问题的出发点（建立概念或提出系统参数）找出解决问题的可能的途径从最佳途径出发建立数学模型求解数学模型讨论命题的物理意义和可能的技术应用。这一过程就是研究复杂问题的全过程，是解决复杂问题的基本方法。许多重大科学发现从方法论的角度看和解决一个物理问题完全一样。爱因斯坦认为：“如果青年人通过体操和走路训练了他的肌肉和体力的耐久性，以后能适应体力劳动。思想的训练以及智力和手艺方面的技能锻炼也类似这样。 ”（9）物理知识和物理方法是提升学生思维能力的基础，因此，物理教学把隐藏在物理学中的科学方法发掘出来，加强科学方法的学习和思维训练，有助于学生思维能力的发展。3、 有助于进行物理学美的熏陶自然界是丰富多彩的，它充满了各种各样的美妙的现象，人们在对自然的审视中获得了美的感受和体验，因而创造了艺术美、文学美、建筑美、服饰美等等。作为自然界理性思维成果的物理学也存在美，学习物理文化同样有审美价值。对于物理学的美的概括不太容易，但是如和谐、优雅、一致、简单、对称、新奇等都与物理学之美有关，物理学之美还表现在发展和变化之中，著名物理学家杨振宁认为 ，物理学的美包括三个方面：现象之美，理论描述之美，理论结构之美。 （10）现象美有自然现象之美，也有实验现象之美 ，当我们观察到彩虹现象时无疑我们会说“美极了” ，彩色的干涉条纹，优雅的激光束，奇妙的原子光谱，会给人们以美感。再如超导现象，当发现同有电流而不带电池的线圈中，长年累月地流动电流，可以想象发现者是多么惊讶。理论描述之美，在物理理论中随处可见，例如对质点运动惯性的描述，深刻地揭示了运动规律的一个侧面，解开了物体运动的原因之谜；再如热力学第一、第二定律对自然界基本性质能量转换和热力学过程自发运动方向给出了很美的理论描述；再如原子结构的行星模型，把微观世界的结构与宏观世界7进行美妙的类比；再如放射性元素按指数规律的衰变的描述，精确到难以置信的地步。物理学的理论公式，通常给出一个简单漂亮的数学结构，如E=mc , F=G 等等，把复杂隐秘的自然规律表达得质朴无华，而反映电磁22RmM学规律的麦克斯韦方程组，反映时空联系的洛仑兹变换和相对论力学，更是令人惊叹发明者的智慧。可见，物理文化具有科学美的熏陶作用，有助于提高人的精神境界和思想品味，有助于形成健康、高尚的人格。四、物理文化研究对物理教师角色的启示物理文化研究，把物理学家和物理教师看作“活”的物理文化载体，物理教师扮演着重要的文化角色，这一观点可以为物理教育提供一些观念上的启示。首先，社会要求教师是“担负着传递社会和文化价值与标准的任务的人，而他就是被学生看作代表和具有这些价值的人” （11） ，就是说，物理教师的基本任务之一是传递物理文化，以保证文化的连续性。物理教师借助教材系统地向学生讲述物理知识，介绍物理方法和历史；物理教师通过实验设备创设物理环境，让学生操作仪器、观察现象、测试数据、分析数据，从实践中学习物理，接受物理文化的熏陶，培养系统理解和掌握物理文化精髓的活的物理文化的载体,以保证物理文化得以延续和发展。正如美国国家科学教育标准明确提出 的那样“科学教师就是科学界在课堂上的代表。 ” （12） 其次，物理文化的知识体系和技术应用，已经是我们时代的重要的文化背景，我们生活的科技含量越来越高，科技产品增加很快，物理教师要跟上发展的步伐，必须终生学习。我们认为优秀物理教师的知识领域不断扩大，大致包括：物理学知识体系的内容知识；实验设计与操作知识；物理学发展过程的知识；物理学方法论知识；物理学目的、价值观和科学精神知识；著名物理学家的文化背景知识；科学道德知识；物理课堂教学设计知识；用生动的例子揭示教育内容的知识；课堂教学过程中的决策与组织协调知识等。因而，物理教师的职业要求正在不断地提高，物理教师的发展，是社会进步的必然要求。第三，物理文化除了具有延续性以外还具有创造性，物理教师既要充当文8化传播者的角色，同时要充当文化的整理和创造者。物理文化作为人类认识自然的伟大成果，集中体现了人类的创造智慧，优秀的物理教师应能感受物理学探索过程中闪耀着科学创造之光。物理教师要在学校中创造出一种“活”的物理文化环境，这种环境充满探索、发现、创新，充满好奇心。物理教学过程要始终把学生探索精神的培养，放在重要地位，把物理知识和方法的教学作为培养学生创造力的基础。教师的教学方法和手段要多样化，不能把活生生的充满创造之光的物理学蜕化为干巴巴的概念、枯燥的公式和繁杂的计算，不能把具有生动性、创造性物理教学变为对付各种考试的应试活动。激发学生的好奇和兴趣，满足学生的探究的天性，建立学生的科学价值观，促进学生的发展，乃是物理教育的根本任务。参考文献1L.A 怀特,文化的科学M 沈原等译，山东人民出版社 1988 年 9 月版，译序（2）C.P. 斯诺著，两种文化M 纪树立译,，北京三联书店，1994.1-50.3中国科学院自然科学史研究所科学文化小组，http:/sci-cul. 2005 年 元旦4解世雄,物理文化论M西南师大出版社 1996.5-6，5国际纯粹物理与应用物理研究会，进入新千年的物理学M 赵凯华等译。北京：北京大学出版社，2000.保罗 布莱克. 新千年的物理教育 79-84。（6）R费曼， 你干吗在乎别人怎么想？M 李沉简等译，中国社会科学出版社，1999. 248-2577关洪，观光，还是探险？从费曼物理学讲义诞生谈起J大学物理1998（6）1-5 页.（8） （9） （德）爱因斯坦（E.Ainstein）著爱因斯坦文集 M 许良英等译，商务印书馆 1979 年版第 1 卷 2 页 ，第 3 卷 146 页10杨振宁,美与理论物理学J自然辩证法通讯,1988(1).1-7 页（11）美林格伦， 课堂教育心理学M 张志光译，云南人民出版社 1983 年9版 662 页（12） 美国家研究理事会， 美国国家科学教育标准M 戢守志等译，科学技术文献出版社 1991 年版（79 页）Physics Culture Research Offers Inspiration To Physics EducationXie Shi-xion