《对物理教学的哲学思考》.doc

对物理教学的哲学思考吴加澍 课程教材教法2005年第7期 摘要：所有的教育问题最终都是哲学问题，哲学处于教育的上位，它对教育起着决定性的规范和指导作用。对于什么是物理、为什么教物理、怎样教物理这三个本原性问题的思考与回答，构成了物理教育哲学的主体内容。物理既是一门科学，又是一种智慧，更是一种文化。应树立为提高全体学生的科学素养而教的物理教学观。按照教学重演律，让学生亲历知识的产生与发展的过程，全面落实新课程三维教学目标。教育的“本”是什么？它的“源”在哪里？这些带有根本性问题的答案，只能到教育哲学的层面上去追寻。对于物理教学而言，最为本原的问题不外乎三个方面：第一，什么是物理（本体论问题）；第二，为什么教物理（价值论问题）；第三，怎样教物理（方法论问题）。人们对于这三个根本性问题的思考与回答，就构成了物理教育哲学的主体内容。一、什么是物理翻开任何一本物理教科书，都不难找到这样的定义：“物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律的自然科学”。但这仅仅是对物理这门科学在学术意义上的一种界定，而我们所面对的“物理”，它同时又是一门课程，于是就有必要从教育意义的层面上进行一番再认识，以挖掘其丰富内涵。首先，物理是一门科学。物理学是一门以实验为基础的自然科学，它是发展最成熟、高度定量化的精密科学，又是具有方法论性质、被公认为最重要的基础科学。物理学取得的成果极大地丰富了人们对物质世界的认识，有力地促进了人类文明的进步。正如国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会的决议物理学对社会的重要性指出的，物理学是一项国际事业，它对人类未来的进步起着关键性的作用：探索自然，驱动技术，改善生活以及培养人才。上世纪初相对论和量子力学的建立，为物理学的飞速发展插上了双翅，取得了空前辉煌的成就，以至于人们将20世纪称誉为“物理学的世纪”。那么21世纪呢？有一种流行的说法：21世纪是生命科学的世纪。其实，这句话更确切的表述应该是：21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。生命科学只有与物理相结合，才有可能取得更大的发展。其次，物理又是一种智慧。物理学之所以被公认为一门重要的科学，不仅仅在于它对客观世界的规律作出了深刻的揭示，还因为它在发展、成长的过程中，形成了一整套独特而卓有成效的思想方法体系。2正因为如此，物理学当之无愧地成了人类智慧的结晶，文明的瑰宝。大量事实表明，物理思想与方法不仅对物理学本身有价值，而且对整个自然科学，乃至社会科学的发展都有着重要的贡献。有人统计过，自20世纪中叶以来，在诺贝尔化学奖、生物及医学奖，甚至经济学奖的获奖者中，有一半以上的人具有物理学的背景；这意味着他们从物理学中汲取了智慧，转而在非物理领域里获得了成功。反过来，却从未发现有非物理专业出身的科学家问鼎诺贝尔物理学奖的事例。这就是物理智慧的力量。难怪国外有专家十分尖锐地指出：没有物理修养的民族是愚蠢的民族！当今，物理学的触角已经伸向众多领域，并取得了越来越大的成就，以致我们很难再用传统的眼光去界分什么是物理学了。1995年在我国厦门举行了第19届国际统计物理学大会，会上交流论文的涉及面十分广泛，诸如植物的花序、DNA药物系统、交通的流量、文字的存储等等，光看这些篇目，似乎都不太像是物理。那么，究竟什么是物理呢？几年前，美国今日物理杂志，曾就此问题向读者广泛征求意见。最后，他们推崇的答案是：物理学家所做的就是物理学。这话乍听似觉偏颇，其实不无道理。因为在今天看来，物理学更多的是体现出一种智慧，“代表着一套获取知识、组织和应用知识的有效步骤和方法，把这套方法用到什么问题上，这问题就变成了物理学”。3再次，物理还是一种文化。从广义来说，文化指的是人类历史实践过程中创造的物质财富和精神财富的总和。它包括科学文化和人文文化。同样，物理学家在长期科学实践中所创造的大量物质产品与精神产品，也就构成了物理文化，物理文化是科学文化的重要组成部分。物理学是以实验为基础的科学，它的基本研究方式就是实践，因而在客观性上表现为“真”；物理学创造的成果最终是为了造福于人类，它在目的性上体现出“善”；另外，物理学还在人的情感、意识等多方面反映了“美”。正因为物理学本身兼具真、善、美的三重属性，我们完全有理由说，物理不仅是一种文化，而且是一种高层次、高品位的文化。4(17)物理学是求真的。物理最讲究实证，物理学家在科学研究活动中最基本的态度就是实事求是，坚守“实践是检验真理的唯一标准”原则。正如物理学家费曼所说：“不论你的想法有多美，不论你多么聪明，更不论你名气有多大，只要与实验不符便是错了，简简单单，这就是科学。”可以说，物理学的发展史，就是一部不断修正错误、不断逼近真理的“求真”史。物理学是从善的。物理学致力于将人从自然中解放出来，从必然王国走向自由王国，帮助人们不断认识自己，促使人的生活趋于高尚。这是物理学的价值取向和终极目标，因而物理学的本质是从善的；另外，物理学家的行为也是从善的。爱因斯坦曾这样评价居里夫人和以她为代表的杰出物理学家：“第一流人物对时代和历史进程的意义，在其道德方面，也许比单纯的才智成就更大。”他们那种严谨求实的态度、献身科学的精神、热爱人民的情怀等等，对于后人无疑是一份尤为珍贵的人文财富。物理学是至美的。德国物理学家海森伯说过：美是真理的光辉；罗马哲学家普洛丁又说过：善是美的本原。由此，物理学因真而美、因善而美就是十分自然的了。物理的美属于科学美，主要体现于简单、对称和统一；对称则统一，统一则简单，它们构成了物理学的基本美学准则。翻开物理学的篇章，可以发现到处都跳动着美的音符，体现了人们对美的追求与创造。仅以统一性为例。英国物理学家狄拉克首先发现，在自然界的某些物理量之间存在着下列引人注目的关系，宇宙半径/电子半径1040；宇宙年龄/强衰变粒子寿命1040；氢核与电子的电力/氢核与电子的引力1040在上述比数中，宇宙这个最大的系统与基本粒子这个最小系统之间，竟然珠联璧合达到了如此完美的统一，充分展示了物理世界的美，一种动人心弦的壮丽的美。正是这许多美不胜收的事例，激发起人们对大自然由衷的赞叹与敬畏，难怪爱因斯坦会说：“宇宙间最不可理解的，就是宇宙是可以理解的”。综上所述，我们对物理有了一个较为全面的认识：它既是一门科学，又是一种智慧，更是一种文化。作为一名物理教师，能对自己所任教的物理作一番全方位的审视与剖析，这是十分必要的。一方面可使我们看到物理原来有着如此丰富的内涵，从而会更自觉地去挖掘和开发它的育人功能，全面提升教学质量；另一方面又使我们感到物理原来有着如此美好的禀性，从而更加钟爱物理，更有激情地去从事物理教学。笔者以为，只有真正热爱物理的物理教师，才能做到不仅教会学生如何去理解物理、应用物理，而且还会进一步引导他们去感悟物理、欣赏物理。二、为什么教物理这是一个看似简单却又十分根本的问题，要正确回答并非易事。笔者对此问题的认识，就经历过从“知识本位”到“学科本位”，最后又回归到“学生本位”这样一个曲折渐进的过程。有很长一段时期，我都把物理教学的目标锁定在知识层面上，认为教物理就是要把物理知识尽可能多地传授给学生，以供他们今后一生的受用。因为我信奉“知识就是力量”。然而令人困惑的是，我们授予学生那么多的物理知识，但在他们往后的生活和工作中，却很少显示出直接的功用，以致过了若干年，学生把所学的物理知识几乎忘得一干二净，“全都还给老师了”。我曾为此深感失落；但每当我向他们提出“高中三年岂不白读了”的反诘时，这些离开学校多年的学生，却又都会异口同声地作出否定的回答，一致认为高中阶段的学习，对于他们的成长起到了重要的奠基作用，然而又说不清究竟是哪些具体知识所起的作用。这犹如谁都不否认吃饭对于生存的意义，然而谁也说不清楚，吃了这顿饭究竟是在身上的什么地方长了块肉。一位毕业已有二十余年的学生，曾与笔者聊起他“印象最深”的一堂物理课。原来那堂课讲的是重力势能。当时为了说明重力势能的相对性，曾向学生提出过这样的问题：有人站在五楼的窗台上要往下跳，你说危险吗？开始大家都认为这太玩命了，后来仔细一琢磨，又全都乐了：你别往窗外跳，往窗里跳不就没事了吗？这名学生觉得这个例子特有意思，于是经久不忘；但问他该例说明了什么物理知识时，他却说忘了。正当我面露憾色时，他紧接着的一番话却又令人宽慰：“这个例子使我懂得凡事都是相对的，从不同角度看就会有不同的结果。”我想，尽管这堂课所传授的物理知识，这名学生已经遗忘殆尽，但通过有关知识学习而凝炼成的思想、方法，却在他的心里铭刻了深深的印记。从这个意义上说，二十多年前的这堂物理课，对他不正是极有价值的吗？由此看来，具体的知识通常是作为教学的载体，在知识的背后还有更多值得我们去追求的东西。正如资深科学家钱伟长教授说的：“我在大学里学的是物理学以物理学为对象我学到了调查研究、收集资料、分析资料和逻辑思维的能力，物理学的知识有时是很有用的，但通过物理学学到的这些能力，比物理学知识更有用。”可见，那种将物理教学等同于物理知识教学的看法是片面的，以“知识本位”确立物理教学目标的价值取向是短视的。随着教学实践的深入，许多教师都会对自己所任教的学科日臻钟爱。可能是受了这种职业情感的影响，笔者也一度把物理教学的目标确定为“把尽可能多的学生培养成为物理学家或物理工作者”，尤其是当我从农村普通中学调入重点高中，面对的是一个个聪颖好学的学生时，这种愿望愈显强烈。但我不久就发现，其他学科教师大概也出于各自的职业偏好，都对学生有着类似的期望。于是大家自扫门前雪，各唱各的调，没能将各学科的分力凝聚成一股合力，实际效果当然就不尽如人意了。尤其令我沮丧的是，班上那些物理学习优秀的“得意门生”，日后直接从事物理专业的竟然少之又少。正当我陷于迷惘之时，原复旦大学校长杨福家先生的一则事例给了自己极大的启迪。当年他曾对核物理专业的毕业生的去向做过一次调查，结果发现，只有不到十分之一的学生毕业后从事与核物理有关的工作，其余的都纷纷改行，活跃在金融、企业或行政等岗位上。对此，多数人都断言这是物理系的失败，而他却认为这正是“复旦”的成功。因为通过这四年本科物理教育，使学生具备了良好的素质，为他们今后的发展打下了坚实的基础，于是毕业后都能很快胜任各种不同领域的工作。这也印证了赵凯华先生的话：“一个人学了物理之后干什么都可以，他的物理没有白学。在我看来，对于学物理的人无所谓改行”经过上述曲折的认识历程，使我逐渐理解了物理教学的目标聚焦点，既不在知识本位上，也不在学科本位上，而应该落实到我们的教育对象学生本位上。对于“为什么教物理”这个问题，有时不妨反过来问：“如果我们不教物理，学生不学物理，将会对他们今后的发展留下哪些缺憾？”一种显而易见的回答是，学生将因此学不到许多重要的物理知识。这话没错，但不全面。因为除此之外，学生还将失去更为重要的诸如科学方法、科学精神等方面的培养与熏陶，从而最终影响他们的科学素养的提高。对于大多数学生来说，今天学习物理的目的，恐怕不是为了明天去进一步研究物理，而是有助于今后去正确面对、决策所遇到的大量的非物理问题，为他们一生的文明、健康，高质量的生活奠定基础。正如面向全体美国人的科学一书中所说的：“教育的最高目标是为了使人们能够过一个实现自我和负责任的生活作准备。”因此，对于“为什么教物理”的正确回答是：为提高全体学生的科学素养而教。这也是我们应有的物理教学观。众所周知，生物基因对于生物进化有着非同小可的作用，极其细微的基因差异，往往会导致生物之间的巨大差别。受此启发，有不少社会学者正致力于寻求在人类文化传承与发展过程中，有着哪些最为核心的要素，从而提出了“文化基因”的概念，并将其定义为人类文化系统中的“遗传密码”。文化基因的核心是思维方式和价值观念。人类的进化比一般的生物进化更为复杂，它具有双重进化机制，除了生物基因进化机制外，还有文化基因进化机制。教育正是推动文化基因机制的重要途径。学校教育的要义，不只是文化现象的展示与诠释，而在于文化基因的传承和发展。物理教育当然也不例外。那么，蕴含在物理教学中的“文化基因”究竟有些什么呢？笔者以为主要体现为三个方面，即科学知识、科学方法和科学精神，因为这三者是构成科学素养最基本的要素。如果将科学素养比拟为一座金字塔，那么科学知识犹如塔基，科学方法就是塔身，科学精神则是塔尖。物理教学的最高宗旨，就是为了构建这座宏伟的科学素养之塔而添砖加瓦。换言之，物理教学的核心价值就在于促进学生实现三个转化：一是把人类社会积累的知识转化为学生个体的知识，使他们知道世界是什么样的，成为一个客观的人；二是把前人从事智力活动的思想方法转化为学生认识能力，使他们明白世界为什么是这样的，成为一个理性的人；三是把蕴含在知识中的观念、态度等转化为学生的行为准则，使他们懂得怎样使世界更美好，成为一个创造的人。5三、怎样教物理笔者从事物理教学数十年，围绕“怎样教”的问题进行过较长时期的摸索，也积累了不少经验与方法，但如果将它们置于教育哲学的高度并加以理性的过滤，最后留下来的，大概只是“关注过程，优化过程”这几个字了。而这正是教好物理的关键所在。作为教学范畴内的知识，一般有着两种形态：一种是外显的学术形态，另一种是内隐的教育形态，前者具有实用的价值，后者具有教化的功能。如果我们把知识比喻为一座冰山，它的学术形态只是露出水面的一角，而它的教育形态则犹如淹没在水下那浑厚的山体。对于学生来说，知识的价值主要体现为：功利价值（为实现某个目标提供方法与手段），认知价值（用以训练心智，提高认知能力与水平），以及发展价值（陶冶情操，修炼品性，促进人的全面发展），它们构成了一组由低到高的价值层次。教学理论与实践都表明，知识价值的发挥与知识所处的形态是密切相关的。当教学活动仅在知识的学术形态层面上徘徊时，知识多半只能发挥出有限的功利价值，只有深入到教育形态之后，才能使它的价值提升到更高的水平。由于知识的学术形态通常以结果的形式来呈现，而它的教育形态则蕴含于过程之中，因此，教学就必须关注过程、突出过程，坚持以过程为主线的原则。教师要尽力为学生营造一片广阔的时空，引导他们去探索知识的渊源，揭示知识的本质，进而体会物理的价值，感悟物理的美感，这才是成功的物理教学，也是我们提出要关注教学过程的缘由。1969年法国数学家曼德布罗特提出了“英国的海岸线有多长”的问题，随着对这一问题的深入研究，导致了一门新学科分形的诞生。分形最重要的原理是自相似性。人们惊奇地发现，自然界中原来存在着那么多的“分形”或“自相似结构”（即局部中又包含着整体的无穷嵌套的几何结构）。4(19)例如，起伏的山脉，闪电的轨迹，晶莹的雪花，金属的断面，等等。众多复杂事物的无规律性，却以出人意料的规律性呈现出来，使人们能够从部分中认识整体，在无序中把握有序。回溯到一个世纪前，法国的胚胎学家海克尔发现，从种细胞成长为成熟的个体，高等生物都要经历一个胚胎发育的过程，而这个过程正是该物种长期进化历史的迅速而短暂的重演。此即“生物重演律”。重演现象其实也是自相似规律的一种反映，除了生物进化外，在其他领域里也屡见不鲜。就以教学活动而言，学生从“未知”达到“真知”，需要经历一定的教学过程，而这一过程同样也是以浓缩的方式，在短暂而迅速地重演着人类漫长的认识发展历程。我们不妨称此为“教学重演律”。自相似理论或重演律不仅揭示了客观世界的一种普遍现象，而且还具有重要的方法论意义，我们将其作为指导教学的一种重要策略思想，可以有效地促进物理教学过程的优化。如果把科学家从事科学研究的过程视为科学知识的原生产过程，那么，学生接受科学教育的过程就是科学知识的再生产过程。理论与实践都表明，这两者之间并非泾渭分明、互不关联，它们在本质上有着极大的自相似性：学生的学习过程是对人类文化发展过程的一种认知意义上的重演，他们学习科学的心理顺序差不多就是前人探索科学的历史顺序。因此，理想的科学教育应该是，以浓缩的时空和必然的形式，重演人类丰富多彩的科学活动，让学生去亲历探究的过程，感受科学的启迪。这样做不仅有助于学生更好地理解并掌握所学的知识，还能从中汲取前人的智慧，领悟思想方法，陶冶科学精神，全方位提升他们的科学素养。这里需指出的是，重演并不等于重复。如果将教学活动片面地理解为一种历史的“文化回音”，或者把教学过程机械地还原成科学研究过程，不加选择地让学生去重走历史的老路，那将是荒谬的。正确的做法，应如玻利亚的“教学发生学原理”所指出的：“在教一个科学的分支（或一个理论、一个概念）时，我们应让孩子重蹈人类思想发展中那些最关键的步子。当然,我们不应该让他们重蹈过去的无数个错误，而仅仅是重蹈关键性步子。”为了在教学中正确选定并合理设置这些“关键性步子”，教师就有必要对教学的内容进行一番深入的潜科学分析。所谓潜科学是相对于显科学而言的。我们一般将那些已得到确证或世人公认的理论所构成的常规科学称之为显科学，而它的前身，即那些处于孕育阶段、尚未成熟的科学胚胎就是潜科学。写在教科书上的科学结论固然重要，但它背后的孕育发展、由潜到显的转化历程则更富启迪。杨振宁教授在上海接受记者采访时，曾将他取得成功的奥秘归结为：“要站在问题开始的地方，要面对原始的问题，而不要淹没在文献的海洋里”这不仅是一位杰出科学家的治学之道，对于物理教学也有极大的启示：物理教学同样不能淹没在结论和题目的海洋里，而应将活生生的物理现象和物理过程，返璞归真地展现开来，让学生面对原汁原味的物理问题，引导他们去亲历物理概念的形成过程，物理规律的发现过程，以及物理问题的解决过程，等等。例如，关于自由落体运动，人教版新课标教材就一改传统模式，另辟了“伽利略对自由落体运动的研究”一节，不惜花较大的篇幅与笔墨，去追述当年伽利略对自由落体规律的探究和思考，把科学大师在重大发现中所显示的创造性的研究风格和独特的思维方法，表露得淋漓尽致。这种以科学史实为背景，以科学思维活动为主线的教学方式，为我们优化物理教学过程提供了一种良好的范例。因为这样做，不仅有利于学生更好地理解、掌握自由落体规律本身，尤其为学生创设了机会，可让他们“近距离”地体验和领会伽利略开创的“实验+思维+数学”的科学方法。对于学生来说，这后者的意义或许更为深远。我们知道，在物理课堂教学中存在着三维因素（教材、学生和教师），相应地有着三种结构形态（知识结构、认知结构和教学结构），它们之间