朱雄 王向暉

（華東師范大學物理系，上海 200062）

大學物理思想方法教育資源庫的建設(shè)及其實施策略＊

（華東師范大學物理系，上海 200062）

物理學思想方法教育不是大學物理課程額外的“附加物”，它的地位和作用是由大學物理課程的本質(zhì)所決定的.本文首先對大學物理思想和方法教育的內(nèi)涵和意義價值作了明確的定位，并著重論述了我們近幾年來在大學物理思想和方法教育資源庫的建設(shè)過程中實現(xiàn)的“三部曲”的主要內(nèi)容并作了案例分析.本文還提出了在大學物理教學中實施這個資源庫的策略和目標.

大學物理；物理思想和方法；大學物理課程資源庫

1 從大學物理課程的本質(zhì)看物理學思想方法教育的內(nèi)涵和意義

物理學思想方法教育不是大學物理課程額外的“附加物”，它的地位和作用是由大學物理課程的本質(zhì)所決定的.

什么是大學物理課程的本質(zhì)？從根本上說，一門課程就是一種文化，大學物理課程就是進入教育領(lǐng)域的一種科學文化，它的特殊本質(zhì)是人的學習生命的存在及其活動.我們往往比較容易看到大學物理課程具有“工具價值”，這常常被看成是有用的“硬”的價值，然而我們應(yīng)該看到大學物理課程的目標取向決不是使人類成為站在自然界對立面上“主宰”自然界的工具；我們有時也會提到大學物理課程具有“理性價值”，但似乎這是沒有用的“軟”的價值，實際上大學物理的“理性價值”看似無用，實有大用.

大學物理課程具有科學的品格，更具有一種教育意義上的文化品格，它既是一項掌握知識和技能的活動，更是一種價值活動或文化活動，因此，學生學習大學物理的知識和技能，掌握物理學的方法，本質(zhì)上都是在特定的物理情景中發(fā)生的文化行為與文化活動.在這種文化活動中，學生在學校里學習大學物理的過程就是生命存在的一種方式，是學生把自己作為主體與學習內(nèi)容的客體融為一體的過程，它的價值目標最根本的取向是使學生在物理世界中發(fā)展人的主體精神和展現(xiàn)人的生命價值.因此，從文化的意義上看，物理課程作為文化主體的存在，承擔著文化建構(gòu)的使命.學生學習大學物理課程的過程是學生在物理世界里獲得生命體驗的過程，這種生命體驗的過程也就是人屬于自然界的一分子與自然界一起和諧發(fā)展的過程.

大學物理課程的文化建構(gòu)既需要重視物理課程對于提高學生科學素養(yǎng)（包括科學思想、科學精神、科學方法和科學態(tài)度）功能的價值，也需要重視物理課程對于提高學生人文素養(yǎng)（包括認識人與社會、人與自然的關(guān)系和體會人的尊嚴、人的價值、人的認識局限性）功能的價值.實現(xiàn)這些價值的過程就是師生以課程實施主體的地位不斷對大學物理課程的實施進行反思，不斷推進大學物理課程創(chuàng)新的過程.大學物理課程以它特有的科學內(nèi)容、科學思想方法和內(nèi)在的科學精神以及情感動力能夠賦予個體生命以價值、尊嚴、自由和創(chuàng)造力.

很多事實表明，在實現(xiàn)這個創(chuàng)新的過程中加強物理學思想和方法的教育，以物理學家認識世界和創(chuàng)新實踐的方式學習大學物理，對于激發(fā)學生的創(chuàng)新意識，提高創(chuàng)新能力，展現(xiàn)生命的價值有著重要的地位和作用.就思想方法教育價值而言，作為一門研究物質(zhì)基本運動形式和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)學科——物理學發(fā)展顯示的方法比其他學科更具有普遍性和代表性.

在很多物理學家的演講或著作中，我們都可以找到他們關(guān)于物理學思想和方法教育重要性的論述.例如，物理學家玻恩指出：“每一個現(xiàn)代科學家，特別是理論物理學家都深刻地意識到自己的工作是同哲學思維錯綜地交織在一起的，要是對哲學文獻沒有充分的認識，他的工作就會是無效的.在我自己的一生中，這是一個最重要的思想.”愛因斯坦曾經(jīng)明確指出：“在建立一個物理學理論時，基本觀念起了最主要的作用.物理書上充滿了復(fù)雜的數(shù)學公式，但是所有的物理學理論都是起源于思維與觀念，而不是公式.”

由此我們可以得出，大學物理學思想方法教育的內(nèi)涵和意義應(yīng)該是：“在傳授物理學知識的過程中揭示物理學發(fā)生、發(fā)展和演化及其相應(yīng)的認識論和方法論變革的歷史規(guī)律，并對物理學發(fā)展的基本趨勢和它在科學技術(shù)中的地位和作用提出科學的說明，從而使學生在接受物理知識的同時了解人類對自然界的認識發(fā)生發(fā)展的基本規(guī)律；了解物理學家認識和發(fā)現(xiàn)物理定理、定律的基本方法，以物理學家認識世界本來面目的方式去認識世界，從而實現(xiàn)個人的智力、智慧和創(chuàng)造力的發(fā)展與科學知識、科學體系的形成過程之間達到基本平行和同步.”［1］

2 我們推進大學物理思想方法課程資源庫建設(shè)的“三部曲”

大學物理思想方法課程資源庫是整個大學物理課程資源庫的重要組成部分.作為一種科學資源，國外關(guān)于科學思想和科學方法的研究文獻早在20世紀30年代就已經(jīng)形成［2］.我國物理學界對物理學思想和方法的探究始于20世紀80年代.國內(nèi)學者研究科學方法論的一部史料豐富、脈絡(luò)清晰的著作則是1986年由上海人民出版社出版的《西方科學方法論史》（作者周昌忠），而1993年由湖南教育出版社出版的《物理學思想史》（作者楊仲耆和申先甲）以嚴謹詳實的史料按歷史時期敘述了物理學思想的發(fā)生和發(fā)展，是學習了解物理學思想的一本很有價值的文獻.

1983年山東科學技術(shù)出版社出版的《物理學方法論》（作者張濤光）較早地提出了物理學方法教育在物理教育中的地位，并對物理學方法作了分類.從1983年到2008年之間還出版了多本以物理學思想和方法為主題或書名的著作［3］.

在實施大學物理思想和方法教育的過程中，已經(jīng)出版的很多書籍和文章都已經(jīng)作為教育資源庫的一部分，這些資源可以為大學物理教學提供物理學思想和方法的系統(tǒng)介紹和分析，可供大學物理教學使用和參考.但是在教學中我們發(fā)現(xiàn)，這些資源在如何把思想和方法本身的發(fā)生和發(fā)展放在物理學史的背景下作“縱向”的考察尚顯不足，缺乏“動態(tài)性”；在如何把對物理學思想和方法的分析滲透在大學物理課程呈現(xiàn)的學科體系中作“橫向”的考察也顯得不夠緊密，缺乏“關(guān)聯(lián)性”，因此，如何進一步完善大學物理思想和方法資源庫的建設(shè)就成了多年來擺在我們面前的研究課題.

20世紀60年代，布魯納、施瓦布等人提出的“學科結(jié)構(gòu)”概念強調(diào)了學科是“活”的實體，是不斷地生長和改變的知識體.學生學習一門學科，必須對該學科的“動態(tài)歷程”和某種“心智地圖”有所感悟，即了解學科知識的主張從何而來，以及它們得到何種評價.美國哲學家和教育理論家杜威在20世紀初就指出，如果學生以毫無生氣或機械化的方式記憶知識提供的信息，那么這樣獲得的知識是“靜止的、冷藏的知識”.他認為，“與思考活動無關(guān)的知識是死的，是一種足以扼殺心智的負擔”.

對大學物理課程而言，所謂感悟“動態(tài)歷程”主要就是結(jié)合物理學史對物理學科內(nèi)容及其思想和方法的形成和發(fā)展所作的歷史考察.離開了這樣的“動態(tài)過程”顯示的“動態(tài)性”，面對教材中的物理公式和定理，學生會逐漸感到越學越乏味，充滿著抽象感和神秘感，更談不上理解物理知識的核心價值.這樣的大學物理學習過程是毫無生氣的，不能激發(fā)學生的創(chuàng)造性和批判性，學生由此獲得的充其量只能是一種“冷藏的知識”.

對大學物理課程而言，所謂構(gòu)建“心智地圖”指的就是對物理學科體系結(jié)構(gòu)各部分之間的內(nèi)容在論證邏輯上和物理思想上互相關(guān)聯(lián)所作的思維追蹤.失去了這樣的“心智地圖”顯示的“關(guān)聯(lián)性”，學生雖然可以知道“物理公式定律”，但無法理解“物理學科結(jié)構(gòu)”.如果大學物理學習過程與學生的思考過程無關(guān)，那么，學習物理學不僅不可能使學生在思維能力上得到改善和提高，反而對學生成為“一種足以扼殺心智的負擔.”

從根本上說，“動態(tài)歷程”和“心智地圖”涉及的是歸屬于哲學范疇的物理學的思想方法問題.對物理學內(nèi)容思想和方法的學習和研究必須結(jié)合物理學的發(fā)展作歷史視野和整體視野兩方面的考察，在科學思想和方法論的意義上認識物理學的思想方法，以體現(xiàn)大學物理課程的學習價值［4］.

正是在這樣的理念指引下，我們從2008年起開展了《物理學思想和方法教育資源庫》建設(shè)“三部曲”的課程建設(shè)項目.

我們的“第一部曲”是編寫出版了《物理學方法概論》（2008年，清華大學出版社）一書.作為對大學物理“動態(tài)歷程”的考察，《物理學方法概論》一書的特色是以物理學史進程為背景，以物理學方法論的演化為主線，選取了古希臘時期以亞里士多德為代表創(chuàng)建的邏輯方法，中世紀時期以伽利略為代表創(chuàng)立的實驗方法，近代時期以牛頓為代表創(chuàng)建的“分析—綜合”方法，20世紀以愛因斯坦為代表創(chuàng)建的概念方法，以申農(nóng)、貝塔朗菲和維納等人創(chuàng)建的信息論、系統(tǒng)論和控制論為主要內(nèi)容的系統(tǒng)科學方法以及復(fù)雜性層次上的非線性方法等幾個重大發(fā)展時期的物理學思想和科學方法作為主要內(nèi)容，闡述了物理學家力圖按照物理世界的本來面目在不斷深化對自然界的認識的過程中進行科學探究的方法.

案例1 注重思辨的邏輯方法：歸納、演繹和類比的方法.

邏輯方法是人們根據(jù)事實材料，遵循邏輯規(guī)律和規(guī)則，形成概念作出判斷和進行推理的方法.邏輯方法是物理學研究中的理性方法，也是人們正確表述思想和互相交流不可缺少的一種思維方法.大致說來，邏輯方法包括了從“特殊”到“一般”的歸納法、從“一般”到“特殊”的演繹法和從“特殊”到“特殊”以及從“一般”到“一般”的類比法.

現(xiàn)在邏輯方法已經(jīng)被滲透在大學物理教材之中，并正在大學物理的課堂教學中得到體現(xiàn).例如，在關(guān)于自由落體運動的教學內(nèi)容中往往會加入一段伽利略對亞里士多德提出的“重物下落得比輕物快”的論斷從邏輯上的否定論證，這個論證的方法就是一種演繹推理法.還有伽利略從測量物體從斜面上滑下的過程中得出路程與時間平方成正比的結(jié)論當初是從實驗中歸納得出的（注意：任何歸納法都是不完備的），而在大學物理力學中這個結(jié)論是通過演繹法從加速度積分得出的.盡管結(jié)論是相同的，但是對歸納的結(jié)果進行了演繹論證，這就是體現(xiàn)了從伽利略開始，后來由牛頓發(fā)展的把歸納和演繹相結(jié)合的“實驗—歸納—演繹—推理方法論”.在力學教學中適當?shù)刂赋龇椒ㄕ摰闹饕憩F(xiàn)，有助于學生在加深對運動學公式意義理解的同時，體會邏輯方法的要點.

注重實驗的分析—綜合方法：分析和綜合的方法.

仍以力學為例.牛頓說：“如果說我看得更遠的話，那是因為我站在巨人肩上的緣故.”正是站在伽利略的肩上，牛頓把實驗方法論和數(shù)學—演繹方法論相結(jié)合并創(chuàng)造性地加以發(fā)展，超越了伽利略；正是站在培根肩上，牛頓進一步改造了實驗方法論，并用微積分的數(shù)學工具發(fā)展了數(shù)學演繹的公理方法，創(chuàng)造性地用分析—綜合模式創(chuàng)建了一個完整的科學方法論體系.牛頓繼承了并成功地通過自己的科學實踐發(fā)展了前人創(chuàng)建的“歸納—演繹”方法論，并把它們稱為“分析—綜合方法論”.牛頓的分析方法的要點是實驗—歸納—演繹相結(jié)合，旨在發(fā)現(xiàn)定律.牛頓的綜合方法的要點是確立原理進行演繹—建立理論發(fā)現(xiàn)定律—實踐檢驗證實真理.牛頓在科學方法上的成功在于他創(chuàng)造性地把實驗和數(shù)學相結(jié)合，把數(shù)學和邏輯相結(jié)合，把歸納和演繹相結(jié)合，并用分析和綜合相結(jié)合的方法把它們構(gòu)筑成了一個完整的科學方法論體系.例如，開普勒的行星運動定律和伽利略的自由落體定律都是通過觀察和實驗以歸納方法得出的，但牛頓從他提出的萬有引力定律出發(fā)，以此作為基本原理把它們推導(dǎo)出來.這正是牛頓把歸納—演繹方法相結(jié)合以確立定律地位而運用的科學方法.在牛頓看來，在力學中一個是自然的力，一個是論證，有了這兩者，力學的精確性是不容置疑的.實際上，牛頓的三大定律就是他推理力學的三條公理.正是從這樣的公理體系出發(fā)，牛頓演繹出了大量的關(guān)于具體物理理論的定律，它們已超出了原來作為基礎(chǔ)的公理.這正是牛頓公理體系具有的巨大邏輯力量的來源.牛頓的這種科學方法也延伸到其他學科的發(fā)展過程中.

我們的“第二部曲”是編寫出版了《物理學思想概論》（2009年，清華大學出版社）一書.作為對大學物理“心智地圖”的構(gòu)建，《物理學思想概論》一書的特色是以當前正在為各類高校使用的若干《大學物理》優(yōu)秀教材的內(nèi)容體系為主要依據(jù)，以物理學發(fā)展進程的豐富史料為主要背景，以物理學知識體系中體現(xiàn)的物理學思想為主要線索，按《大學物理》課程的教學內(nèi)容分為力學中的物理學思想、熱學中的物理學思想、電磁學中的物理學思想、波動和光學中的物理學思想、相對論中的物理學思想和量子論中物理學思想等六章闡述了主要物理學思想的表現(xiàn)以及形成發(fā)展的歷史軌跡，探討了物理學思想與哲學認識論和方法論的關(guān)系問題.對目前在物理教學中涉及的有關(guān)的物理學思想和方法論問題也作了適當?shù)脑u述.

案例2 從力學和靜電學的不同研究對象看靜電學包含的“從頭開始”的思想.

19世紀中期，法拉第和麥克斯韋就提出，“電磁力”是不同于“萬有引力”、需要“從頭開始”研究的對象.愛因斯坦敏銳地洞見了物理學發(fā)展史上這一重大轉(zhuǎn)折，明確指出，牛頓的公理式方法已經(jīng)不適用了，并進一步指出“在研究電和光的規(guī)律時，第一次產(chǎn)生建立新的基本概念的必要性”.

“從頭開始”意味著什么？顯然，“從頭開始”指的是對電磁力的研究需要開辟新的完全不同于對萬有引力研究的道路.這主要表現(xiàn)在：第一，牛頓僅得出質(zhì)點之間存在萬有引力的表示式，沒有揭示萬有引力的起源，而且引力是與物體的運動速度無關(guān)的.然而，在電磁學中電磁力的產(chǎn)生卻來自帶電體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，它的大小與方向與帶電粒子的速度是密切相關(guān)的.第二，牛頓把物體之間的萬有引力看成是一種“超距作用”，力的傳遞是即時的，傳遞速度無限大；但是，電磁力的作用不是“超距的”，傳遞速度是有限的.第三，牛頓以“三大定律”作為公理推理出其他定理，從而建立了一整套經(jīng)典力學的理論體系，但是電磁學卻不是基于公理體系建立起來的.相對于力學而言，整個電磁學理論體系的建立就是“從頭開始”建立起來的，而靜電場就是“從頭開始”的開始.

在研究的對象上，力學研究的是質(zhì)點運動狀態(tài)描述及質(zhì)點運動狀態(tài)變化與外力的關(guān)系.靜電學研究的對象不是場源點電荷，而是由場源電荷產(chǎn)生的“場”；也就是說，“電場”一旦得以產(chǎn)生，就可以把它作為獨立的對象進行研究.此外，力學中的質(zhì)點是一個“實體”，兩個質(zhì)點不可能同時占有同一空間位置，但兩個點電荷在空間同一點產(chǎn)生“場”是可以疊加的.

在研究的邏輯層次上，力學先確定對質(zhì)點狀態(tài)的描述，再研究狀態(tài)的變化及力的作用.而靜電學一開始卻先從定義“庫侖力”開始，然后引出了對“場”的狀態(tài)的描述.靜電學強調(diào)，電場強度和電勢都是描寫電場本身性質(zhì)的物理量，只與場源電荷有關(guān)，與檢驗電荷電量大小無關(guān).由于開始只討論靜電場，因此，電場強度和電勢都還不是時間的函數(shù)，只與場點的位置有關(guān).后來，當人們從“靜”到“動”，不僅發(fā)現(xiàn)了與電荷運動無關(guān)的靜電力，還發(fā)現(xiàn)了與電荷運動速度有關(guān)的磁力以及與電荷運動的加速度有關(guān)的“電動力”，牛頓理論的那種研究模式在電磁學中就被完全改變了.

我們的“第三部曲”是編寫出版了《大學物理學習導(dǎo)引——導(dǎo)讀，導(dǎo)思，導(dǎo)解》（2010年，清華大學出版社）.

如果說，前兩本書主要是為教師提供物理學思想和方法教育的課程資源，那么第三本書主要是為學生的學習提供物理學思想和方法的課程資源.

我們之所以把該書取名為《大學物理學習導(dǎo)引——導(dǎo)讀，導(dǎo)思，導(dǎo)解》，是希望本書區(qū)別于一般的大學物理學習指導(dǎo)書，從歷史視野和整體視野上，從理解和感悟物理學思想和方法意義上為學習大學物理課程的學生提供一個學習的導(dǎo)引.這個導(dǎo)引以導(dǎo)讀、導(dǎo)思和導(dǎo)解為主線貫串全書.

“學習導(dǎo)讀”是每一章的主體部分.

為什么需要“學習導(dǎo)讀”？在學習大學物理每一章內(nèi)容的開始，學生往往容易產(chǎn)生的一個想法是，為什么要學習這部分內(nèi)容？從這部分內(nèi)容能夠?qū)W到什么？從認識論角度看，產(chǎn)生這樣的想法是很自然的.當一個人參加旅游團第一次到達一個陌生的城市時，他可能會發(fā)問，為什么要安排這個旅游點？到這個城市來能夠觀賞到什么景色和獲得什么感受？對此一個好的導(dǎo)游就會做出詳細和明確的講解，使旅游者對這次旅游的目的和途徑獲得一個大致的了解，從而在旅途中保持一定的主動性，這就是“導(dǎo)游”的作用.同樣，學生在開始學習大學物理課程時，為了實現(xiàn)從被動的學習方式向主動的學習方式的轉(zhuǎn)變，同樣需要一個“導(dǎo)游”——這就是“學習導(dǎo)讀”.例如，第一章學習結(jié)束后為什么要進入第二章的學習？什么問題在第一章得到了解決，但是還有什么問題沒有解決？第二章將會從什么角度提出問題，在物理學發(fā)展史上物理學家用什么物理學方法探討了物理現(xiàn)象及其規(guī)律等等，這就是“學習導(dǎo)讀”應(yīng)該包括的主要內(nèi)容.

從教材編寫的角度上看，一本優(yōu)秀的大學物理教材的編寫者在構(gòu)思教材內(nèi)容框架時一定包含著編寫者自己如何提出問題和解決問題的理念和意圖，但由于教材篇幅的限制，這樣的理念和意圖一般是不寫在教材上的，需要學習者自己去領(lǐng)會和感悟.從物理學發(fā)展史上看，一個重要的物理問題的提出和解決，一個物理定律和定理的形成總有它的地位和作用，總會蘊涵著一代一代物理學家對問題思考和分析的思想方法，他們的成功之道對后人來說是比具體知識更有價值的一筆“財富”.但是由于受到課程內(nèi)容的限制，這樣的思想方法一般也是不會被寫在大學物理教材上的，然而對于學習者來講，這是完整的學習過程所必需的，尤其對于體現(xiàn)基礎(chǔ)課程的地位和價值是完全必要的.雖然沒有這樣的學習過程，學習者可以記住定律和定理，可以解出難題，但是，他無法獲得對大學物理學科知識體系的整體把握.如果沒有對整個學科從歷史和整體上的把握，缺少了對學科中蘊涵的物理思想和方法的感悟，那么學習者記住“定理”和“定律”再多也是沒有意義的.本書在“學習導(dǎo)讀”欄目中力圖把物理學發(fā)展史和滲透在物理學史中的物理學思想方法結(jié)合在一起，既引導(dǎo)學習者經(jīng)歷一個“動態(tài)”的學習歷程，也引導(dǎo)學習者構(gòu)建一個“心智地圖”，這樣的“動態(tài)歷程”和“心智地圖”將有助于提升學習者的全面素養(yǎng).實際上，這樣的“導(dǎo)讀”方式不僅在學習大學物理課程時是必需的，在學習其他課程時也是必要的，與其他課程相比，大學物理課程在這方面顯然有著其他課程所不可取代的價值和作用.

案例3 “質(zhì)點運動學”導(dǎo)讀.

運動學首先以質(zhì)點為模型，討論質(zhì)點運動學.所謂質(zhì)點運動學就是指研究質(zhì)點位置在哪里、質(zhì)點運動狀態(tài)是什么以及質(zhì)點的運動狀態(tài)怎樣隨時間改變的物理學的一個分支.本章內(nèi)容對學生可能并不陌生，其中關(guān)于勻速運動和勻加速運動的路程公式和速度公式可能早被學生背得“滾瓜爛熟”，那么，為什么在學習大學物理一開始還要學習這部分運動學內(nèi)容呢？大學物理的運動學與中學物理學習的內(nèi)容有什么區(qū)別嗎？

確實，從內(nèi)容的表述上和公式的形式上看，似乎大學物理與中學物理沒有什么不同，初學者往往產(chǎn)生的一個印象是，大學物理不過是中學物理加上一點高等數(shù)學而已.這是對大學物理課程的一種誤解.從建立的物理理論體系看，中學物理分別討論路程和位移、平均速度和速度和加速度及其運動的公式，這些公式只能適用于勻速運動和勻加速運動.而大學物理卻通過高等數(shù)學工具建立了從位移依次微分得到速度和加速度和從加速度依次積分得到速度和位移的一般關(guān)系，由此可以討論更一般的變加速運動的運動規(guī)律，中學物理課程中的勻加速運動的路程和速度公式只是其中一個特例而已.因此，大學物理關(guān)于質(zhì)點運動學的理論比中學物理更著眼于對來自實驗和觀察得到的一般過程和結(jié)論.如果說，中學物理討論的是“特例”，那么大學物理就從“特殊”上升到“一般”，大學物理具有比中學物理更加嚴密的邏輯性和系統(tǒng)性.

特別值得注意的是，大學物理關(guān)于物理學思想和方法的滲透比中學物理體現(xiàn)得更加突出，而這些思想和方法的滲透正是從力學的運動學開始的.

例如，在中學物理中學生學習過路程，位移，速度和加速度等物理量，但在大學物理中仍然從討論這些物理量開始，這是不是不必要的重復(fù)呢？仔細考察可以發(fā)現(xiàn)，中學物理討論速度和加速度是通過對生活經(jīng)驗和實驗結(jié)果的直接觀察得出的，這是一種基于觀察事實進行歸納推理的方法.而大學物理在運動學中著重展示了從定義位置矢量到定義速度和加速度矢量的過程以及從加速度矢量可以得出速度和位移矢量的過程，這是一種基于數(shù)學原理進行演繹推理的方法.

又如，中學物理使用的是初等代數(shù)工具，它只能描述物理量之間的靜態(tài)關(guān)系.大學物理利用的是高等數(shù)學的工具.它描述的物理量之間的隨時間的動態(tài)變化關(guān)系.正是從運動學開始，數(shù)學工具的改變不僅大大延伸了力學討論的范圍，而且體現(xiàn)了物理學描述事物“從靜到動”的認識論思想和邏輯推理的科學方法.

在大學物理課程中，時間t是作為參數(shù)出現(xiàn)在微積分的表示式中的，例如，通過位移對時間變量的微分可以依次得到速度和加速度，反之由加速度通過對時間變量積分可以依次得到速度和位移，由此可以建立一系列運動學公式.一般地講，運動學得出的路程、速度和加速度表示式都是時間的函數(shù)，因此，任何物體的運動變化都是用空間和時間來度量的.運動學一系列公式雖然是用數(shù)學符號來表述的，實際上已經(jīng)滲透了時間和空間的思想.

此外，從大學物理的力學開始，物理量分為“基本量”和“導(dǎo)出量”，“強度量”和“廣延量”等等，這里體現(xiàn)的就是物理學的一種重要的分類思想.可以說，沒有分類就沒有認識和研究的具體對象，沒有分類就沒有物理學中的歸納演繹方法；沒有各種分類就不能進行類比，也就沒有物理學中的形象思維.物理學中這樣的分類的思想和方法正是從運動學中定義“基本量”和“導(dǎo)出量”開始的.

在運動學中，大學物理按照質(zhì)點運動函數(shù)的表示式對運動作了分類.在直線運動中把從位移出發(fā)演繹推理的結(jié)果主要用于重新導(dǎo)出了勻速運動和勻加速直線運動的相關(guān)公式，在曲線運動中主要用于重新導(dǎo)出了拋體運動和圓周運動的公式.由于在運動中位移、速度和加速度之間的公式在中學物理中都已為學生所熟知，初學者往往感到這是不必要的重復(fù)，于是以“短平快”的學習方式跳躍過去.實際上，大學物理課程中之所以再重新得出上述公式，其目的正是在于以運動學演繹推理的結(jié)果與學生已有知識的相符合來滲透演繹推理方法的基本過程并由此證明演繹推理方法的一般性和正確性.

由此可見，運動學在大學物理中占有重要的地位.大學物理的力學不是中學物理公式的簡單重復(fù)，而是在物理思想方法上對中學物理的深化和發(fā)展.

從學科體系內(nèi)容的邏輯關(guān)系上看，本章建立的運動學描述（物體質(zhì)點位置在哪里、質(zhì)點運動狀態(tài)是什么以及質(zhì)點的運動狀態(tài)怎樣隨時間改變）為下一章討論動力學問題（物體運動狀態(tài)改變的原因以及變化的規(guī)律）奠定了基礎(chǔ)，而只有建立了質(zhì)點運動學和動力學的描述，才能討論質(zhì)點的動量守恒定律、能量守恒定律等基本規(guī)律.

因此，開始學習大學物理時，學習者既要看到與中學物理的聯(lián)系，更要看到大學物理與中學物理的區(qū)別.“聯(lián)系”指的是從中學物理到大學物理在知識內(nèi)容和體系上的一種“銜接”，學習者注重這樣的“銜接”是完全必要的；“區(qū)別”指的是從中學物理到大學物理的在思想和方法上的一種“提升”，學習者把握這樣的“提升”是完全必須的.

“本章的主要內(nèi)容體系和學習指導(dǎo)”欄目是每一章的重要內(nèi)容.如果說，“學習導(dǎo)讀”是一個從歷史和整體上引導(dǎo)學生對內(nèi)容的把握，那么“本章的主要內(nèi)容體系和學習指導(dǎo)”是一個從具體知識體系和學科思想和方法上引導(dǎo)學生對物理內(nèi)容的把握.在這個欄目中不僅列出了知識的框架，還同時伴以“學習指導(dǎo)”，以盡可能體現(xiàn)具體知識在結(jié)構(gòu)上的互相聯(lián)系和學習的主線.

作為“導(dǎo)解”，“例題分析”欄目選擇了一些典型的例題從“情景解析”，“解題步驟”和“拓展思考”三個方面作了分析表述，對部分例題，還添加了“錯解分析”欄目，這樣的分析是針對目前不少學生在解題過程中存在的“代公式，湊答案”的不良學習習慣而設(shè)計的.“情景解析”是為了引導(dǎo)學生學會如何提出問題而設(shè)計的；“解題步驟”是為了引導(dǎo)學生學會分析問題和有條有理地合乎邏輯地表述問題而設(shè)計的；“錯解分析”是我們針對學生經(jīng)常會出現(xiàn)的錯誤（學習中的錯誤往往是教學的一筆“財富”）而設(shè)計的；“拓展思考”是為了引導(dǎo)學生從解題的學習過程中不滿足于得到“標準答案”，而是學會“由此及彼”地進行更深入的思考而設(shè)計的.在“自我檢測”欄目中提出了若干“討論題”，以引導(dǎo)學生從物理學思想和方法論的層次上對物理問題進行更深入的思考.

3 我們對大學物理思想和方法論資源庫的實施策略

1）“學史”和“學論”相結(jié)合.在大學物理教學過程中結(jié)合講解物理定律講一點物理學史已經(jīng)成為很多教師經(jīng)常采用的教學方法.學一點“史料”可以激發(fā)學生的學習興趣，可以了解物理學家發(fā)現(xiàn)物理問題、提出物理問題和解決物理問題的過程，有助于學生加深對物理定律的理解和掌握.

應(yīng)該看到，物理學史不是由史料的羅列和堆積而成的，一部物理學史就是“研究人類對自然界各種物理現(xiàn)象的認識史，研究物理學概念和思想發(fā)展和變革的過程，研究物理學史怎樣成為一門獨立學科，怎樣不斷地開拓新領(lǐng)域，怎樣產(chǎn)生新的飛躍，它的各個分支怎樣互相滲透，怎樣綜合又怎樣分化.”“物理學史是一塊蘊藏著巨大精神財富的寶地.”［8］

物理學思想和物理學方法是指在物理學各個發(fā)展階段中逐漸萌發(fā)出來并成長為這個階段物理學最重要的、對促進和發(fā)展以后物理學認識有突出影響的物理學的主流思想以及科學的方法，這些思想和方法既體現(xiàn)在物理學家對他們研究領(lǐng)域和研究工作的思考、理解和認識以及創(chuàng)造性發(fā)展的過程中，也體現(xiàn)在與不同學派和不同觀點的比較、切磋和爭論以及逐漸為同行所認可的過程中.在一個時期占有突出主體地位的物理學思想和物理學方法不僅給那個時期的物理學發(fā)展打上了深深烙印，而且對以后物理理論的發(fā)展方向和速度產(chǎn)生著重大的影響.

因此，學習物理學史不等于對物理事件的背誦和記憶，也不是僅僅作為引起學生興趣的“點綴”而在課堂上所作的某種“補充”.學習物理學方法也不是對方法論條條框框的死記硬背，物理學方法也不是以達到更快地對付“題海”為目的而編制的“方法”.學習物理學史和物理學方法是對人類精神財富寶地的深刻領(lǐng)悟，對物理學家不斷開拓和發(fā)展人類認識過程和思想的總結(jié)提升.“學史”和“學論”是相互交織在一起的.

2）“顯性”和“隱性”相結(jié)合.在大學物理教學中進行物理學思想和方法的教育，一種是顯性的，在學生已經(jīng)理解物理概念和物理定律的基礎(chǔ)上教師可以以總結(jié)物理定律發(fā)現(xiàn)過程的方式指明其中滲透的物理學思想方法或要求學生以課外寫作小論文的方式課后查找有關(guān)文獻梳理物理學定律中體現(xiàn)的物理學思想方法.另一種是隱性的，一個物理教師應(yīng)該通過自己對教學內(nèi)容的理解和再創(chuàng)造，從具體的物理學內(nèi)容中結(jié)合物理學史去揭示出體現(xiàn)在物理學公式、定理和定律中的物理學思想方法，并以學生容易接受的方式向他們展示——其中包括引導(dǎo)學生進行探究性的學習——以啟發(fā)學生對物理學思想方法的思考和領(lǐng)悟.“顯性教育強調(diào)明了”，而“隱性教育重在滲透”［9］.

3）“言教”和“身教”相結(jié)合.進行物理學思想和方法論的教育，需要“言教”，即需要教師結(jié)合物理學的內(nèi)容進行適當?shù)狞c撥和引導(dǎo)，無論“顯性”的教育還是“隱性”的教育都是“言教”的方式；除了“言教”外，更需要進行“身教”，即需要教師在引入物理概念，分析物理問題到得出公式定律等結(jié)論的教學過程中把物理學思想方法的各個要素化解為課堂的教學行為，給學生以物理學包含的思想和方法的潛移默化的教育.

4）“灌輸”和“感悟”相結(jié)合.心理學研究表明，任何一種能力或技能都是在學習主體參與了相應(yīng)的實踐活動后才得以形成和發(fā)展的.在課堂教學中加入物理學史和思想方法的內(nèi)容有助于抓住學生的注意力，激發(fā)學生的求知欲望；有助于充分調(diào)動學生進行外部感知活動和內(nèi)部思維活動的積極性，促使學生主動學習.

研究表明，只有當學習主體對自己的學習過程獲得比較具體深刻的認識后，才能容易引起學習方法的遷移.學生在經(jīng)歷一次學習活動以后，他意會到的學習過程往往是在不自覺中獲得的一種體驗.這種體驗的性質(zhì)與程度也是因人而異的，或朦朧、膚淺，或清晰、深刻.但就某一學習者個體而言，此時獲得的對學習過程的認識還是處于淺層表面的，意會到的“關(guān)于思想和方法的知識”還不具備廣泛的適用性和較強的遷移功能.因此，教師在教學中加入物理學史和物理學思想方法的內(nèi)容，就要讓學生“不僅知道完整的結(jié)果，而且要追溯到結(jié)果的步驟”，即引導(dǎo)學生反思、總結(jié)自己的學習過程，把握正確的學習方法，進而感悟?qū)W“物理”更學“做人”的人生道理.

4 來自理科學生的一個反饋信息

我們最近對數(shù)學、物理、化學和教育信息技術(shù)四個專業(yè)的513名理科學生作了一個問卷調(diào)查，其中有一道選擇題是：

作為一名理科學生，你認為學習知識和學習科學思想方法的關(guān)系應(yīng)該是

（A）在學習知識的過程中要重視學習其中包含的科學思想和方法，對今后的發(fā)展而言，后者比前者更重要；

（B）在學習知識的過程中也要學習其中包含的科學思想和方法，對今后的發(fā)展而言，前者比后者更重要；

（C）在學習知識的過程中，掌握知識和理解科學思想和方法是同樣重要的；

（D）在學習知識的過程中，只要掌握知識就行，這是實的，有用的，科學思想和方法是虛的，沒有用的.

調(diào)查的結(jié)果表明，選擇（A）的學生數(shù)是299人，占整個被調(diào)查學生總數(shù)的58.3%，選擇（C）的學生數(shù)是142人，占整個被調(diào)查學生數(shù)的27.7%，以上兩者相加，認為在學習知識的過程中，學習和掌握科學思想和方法的重要性不低于學習知識重要性的學生數(shù)占被調(diào)查學生數(shù)比例高達86%，而選擇（D）的學生是14人，僅占整個被調(diào)查總數(shù)的2.72%.

圖1 問卷調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計分布

這些數(shù)據(jù)表明，學生對于學習科學思想和方法有著強烈和愿望.基于學生主體這個本體資源的需求，我們的大學物理課程改革應(yīng)該重視研究和實施物理學思想和方法教育，在建設(shè)條件資源庫的同時，更加重視建設(shè)本體資源庫，從而補上這方面教育存在的缺失，更好地體現(xiàn)大學物理課程的基礎(chǔ)地位和作用，不斷提高大學物理課程的教育教學水平.

［2］ 1923年由大不列顛出版社作為科學哲學系列中第5卷出版的《Scientific Method》（作者A.D.Ritchie）就是一本關(guān)于科學方法論的早期著作.而最近期的科學方法論著作則是1997年在美國和加拿大同時出版的《Scientific Method——An historical and philosophical introduction》（作者Barry Gower）

［3］ 按照出版時間的先后排列，它們分別是：

（1）張憲魁，王欣.物理學方法論.西安：陜西人民教育出版，1992

（2）王溢然，束炳如.中學物理方法叢書.河南教育出版社，1993

（3）張遙.中學物理方法.黑龍江科技出版社，2002

（4）項紅專.物理學思想方法研究.杭州：浙江大學出版社，2004

（5）吳宗漢，周雨清.物理學史與物理學思想方法論.北京：清華大學出版社，2007

（6）張憲魁，李曉林，陰瑞華.物理學方法論.杭州：浙江教育出版社，2007

［5］ ［美］小威廉姆，E.多爾.后現(xiàn)代課程觀［M］.王紅宇譯.北京：教育科學出版社，2000，p12

［7］ 郭奕玲，沈慧君.物理學史［M］.2版.北京：清華大學出版社，2005年8月，前言，第一版序

［8］ 李正福等.從隱性到顯性：物理科學方法教育方式的重要變革［J］.課程.教材.教法，2010，（12）：71～73

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2011－11－21）

＊資助項目 2010年教育部高等學校物理基礎(chǔ)課程教學指導(dǎo)分委員會資助課題項目批準號：WJZW－2010－29－h(huán)d.