汪明 毛奇

(江蘇省常州高級(jí)中學(xué) 江蘇 常州 213000)

物理學(xué)不僅是一種自然科學(xué)，更是一種科學(xué)文化．物理教學(xué)不僅是物理知識(shí)或事實(shí)的傳授過(guò)程，也是一項(xiàng)極其重要的物理文化交流活動(dòng)．因此，從物理文化的視角來(lái)研究和解決教學(xué)問(wèn)題，有助于物理教育的良性發(fā)展．實(shí)際上，物理教育的基本任務(wù)之一就是傳遞物理文化，保證物理文化的連續(xù)性和創(chuàng)造性，也是實(shí)現(xiàn)物理文化延續(xù)和促進(jìn)人的發(fā)展的重要方式．

1 學(xué)科分化與物理文化

人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)肇始于哲學(xué)．從15世紀(jì)到近現(xiàn)代，隨著哲學(xué)高潮不斷興起，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)逐漸深入，不同的學(xué)科從哲學(xué)中分化出來(lái)．學(xué)科分化在推動(dòng)學(xué)科自身發(fā)展的同時(shí)，也導(dǎo)致不同學(xué)科的學(xué)者在認(rèn)知與情感上的差距越來(lái)越大．斯諾在1959年的演講中將這種學(xué)科文化之間的差異描述為“兩種文化”的現(xiàn)象，引發(fā)了人們對(duì)學(xué)科文化持續(xù)而深入的研究．學(xué)科文化在指導(dǎo)學(xué)科管理與學(xué)科建設(shè)的同時(shí)[1,2]，更為實(shí)施科學(xué)教育、促進(jìn)學(xué)生理解科學(xué)提供了重要途徑[3]．物理作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，其學(xué)科文化的研究在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注與重視[4～7]．

2 物理文化的科學(xué)內(nèi)涵

在文獻(xiàn)[7]中，作者詳細(xì)闡明了物理文化的概念、知識(shí)建構(gòu)、特征與功能．他認(rèn)為，物理文化是古代哲學(xué)家、近代物理學(xué)家現(xiàn)代物理共同體歷經(jīng)數(shù)千年逐步創(chuàng)造的物理知識(shí)體系、觀念形態(tài)、價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)以及約定俗成的工作方法的總和.文獻(xiàn)[8]從物理文化的整個(gè)形成過(guò)程出發(fā)，認(rèn)為物理文化是由物理科學(xué)共同體在認(rèn)識(shí)物理世界和相互交往中自覺(jué)形成的一種相對(duì)獨(dú)立、相對(duì)穩(wěn)定的社會(huì)意義網(wǎng)絡(luò)．同時(shí)，他們認(rèn)為物理教育可以成為物理文化的一部分[9].歐盟的物理文化則建立在以“內(nèi)核-軀干-外緣”模型為理論基礎(chǔ)的學(xué)科文化之上[3,5]．該理論由以色列耶路撒冷大學(xué)的Galili教授等人發(fā)展起來(lái)[4, 10]．

物理學(xué)的知識(shí)是由幾種基本理論組成的，每一種理論都建立了一個(gè)包含大量元素(原則、概念、模型、實(shí)驗(yàn)、已解釋的現(xiàn)象等)的包容性集群，其理論框架具有很好的相關(guān)性與可信度，可以用圖1(a)來(lái)表示．它由二圈層的知識(shí)元素構(gòu)成．第一圈層為內(nèi)核知識(shí)，包含本體論和認(rèn)識(shí)論的原則、范式模型與基本概念；第二圈層為軀干知識(shí)，是所有與內(nèi)核一致的元素，它可以是從內(nèi)核演繹而來(lái)，也可以是與內(nèi)核不沖突的經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)．軀干知識(shí)包含了更多的定律、次級(jí)概念、特定現(xiàn)象的解釋、實(shí)驗(yàn)、技術(shù)等等．而如果要使物理學(xué)科上升為物理文化，則需要引入第三個(gè)圈層，即外緣層知識(shí)，如圖1(b)所示，它包含了與內(nèi)核不一致的概念、矛盾的問(wèn)題以及未能解釋的現(xiàn)象．通過(guò)挑戰(zhàn)內(nèi)核知識(shí)，外緣知識(shí)可以反過(guò)來(lái)定義核心知識(shí)的內(nèi)涵，并向初學(xué)者揭示理論中隱含的邊界，即外緣知識(shí)觸及了哲學(xué)中經(jīng)典的證偽與對(duì)比的方法．

圖1 內(nèi)核-軀干-外緣模型

北美的學(xué)者除了將科學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)作為科學(xué)文化[11]，還特別強(qiáng)調(diào)了實(shí)踐哲學(xué)在物理文化中的地位[12,13]．伊恩·哈金在《表征與干預(yù)》中提出了實(shí)驗(yàn)有自己的生命論斷，他發(fā)現(xiàn)自然科學(xué)史現(xiàn)在幾乎總是被寫成理論史，科學(xué)哲學(xué)研究已經(jīng)變成了理論哲學(xué)[14]．他挑戰(zhàn)了將科學(xué)僅僅作為理論知識(shí)的傳統(tǒng)，認(rèn)為科學(xué)家工作的空間具有多樣性、補(bǔ)丁性和異構(gòu)性，科學(xué)文化包含各種各樣的零碎(物質(zhì)的、社會(huì)的、概念的)，它們之間并不一定會(huì)有統(tǒng)一的聯(lián)系，因而科學(xué)文化并不能構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一概念網(wǎng)絡(luò)．為此，他構(gòu)建了科學(xué)實(shí)踐的圖像：實(shí)驗(yàn)室中的儀器、事實(shí)、現(xiàn)象與解釋的智力成果正是將各種各樣不同的科學(xué)文化元素整合到一起的創(chuàng)造性探索[12]．因此，物理文化還應(yīng)該涉及科學(xué)實(shí)踐．

我們看到，物理文化是一個(gè)包容性的概念，從逆向思維的方式來(lái)看，物理文化至少應(yīng)當(dāng)涉及物理史、科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)實(shí)踐3個(gè)方面的內(nèi)容，并且物理文化與物理教育有著密切的聯(lián)系．

3 物理文化與物理教學(xué)

課程是由人類共同擁有的學(xué)科結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為個(gè)人的認(rèn)知結(jié)構(gòu)的階梯．課程結(jié)構(gòu)決定于社會(huì)結(jié)構(gòu)、學(xué)生心理結(jié)構(gòu)和學(xué)科結(jié)構(gòu)三者的交叉和結(jié)合．課程緣于文化傳承以及對(duì)人教化的需要，沒(méi)有物理文化就無(wú)法理解物理教學(xué)．因此，物理課程中積淀了與人類認(rèn)識(shí)自然的相關(guān)活動(dòng)、實(shí)踐、審美情趣和價(jià)值觀等相關(guān)的文化性格．物理文化教學(xué)要具體涉及對(duì)科學(xué)知識(shí)產(chǎn)生的社會(huì)文化背景、歷史觀、方法論及其教育價(jià)值觀等方面，讓學(xué)生不僅學(xué)習(xí)物理知識(shí)與技能，更要學(xué)習(xí)蘊(yùn)涵于其中豐富的物理思想與正確的研究范式，養(yǎng)成理性精神和科學(xué)態(tài)度．

從學(xué)科發(fā)展的角度出發(fā)，物理學(xué)科需要大規(guī)模的合作與達(dá)成共識(shí)，物理文化有著競(jìng)爭(zhēng)性、探索性、國(guó)際性等特征[7,15]，因此有志于終身學(xué)習(xí)物理的人需要了解物理文化．自20世紀(jì)初以來(lái)，面對(duì)復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，以學(xué)科交叉與融合為基礎(chǔ)的跨學(xué)科研究越來(lái)越受到關(guān)注[16]，明確物理文化有助于物理與其他學(xué)科之間的融合．

從學(xué)科教學(xué)角度出發(fā)，物理文化可以作為三維目標(biāo)的理論教學(xué)基礎(chǔ)[7]，同時(shí)也是中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)中人文底蘊(yùn)與科學(xué)精神的重要組成部分[17]．過(guò)去的教學(xué)往往過(guò)度強(qiáng)調(diào)知識(shí)與技能，片面追求應(yīng)試教育．在新一輪的物理課程改革下，物理教育從“精英教育”變成“大眾教育”．物理文化中蘊(yùn)含著豐富的課程資源，可以作為培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的立足點(diǎn)，讓師生站在物理史、科學(xué)哲學(xué)與實(shí)踐哲學(xué)的高度去重新認(rèn)識(shí)物理學(xué)科．

從教學(xué)實(shí)踐角度出發(fā)，目前學(xué)校開(kāi)設(shè)物理課程過(guò)度地強(qiáng)調(diào)物理學(xué)科的科學(xué)性、邏輯性，業(yè)已發(fā)展出了“唯科學(xué)主義”的思想局限．如果把物理教學(xué)實(shí)踐作為物理文化的認(rèn)識(shí)過(guò)程，既強(qiáng)調(diào)物理學(xué)的科學(xué)性、邏輯性，更強(qiáng)調(diào)物理學(xué)的歷史性、整體性、人文性的認(rèn)識(shí)過(guò)程，也是將物理教學(xué)定位于人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的一部分，回歸物理學(xué)科教學(xué)的文化品性．從這個(gè)意義上看，從整體性、歷史性和人文性的角度進(jìn)行物理教學(xué)實(shí)踐，無(wú)疑具有非常重要的意義．下面我們通過(guò)兩個(gè)課程實(shí)踐案例，介紹國(guó)外在物理文化課程建設(shè)方面的研究成果．

3.1 融合物理史的物理文化課程

物理學(xué)科不僅關(guān)注科學(xué)內(nèi)容的客觀真實(shí)，而且還體現(xiàn)在物理對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)隨時(shí)間逐漸呈螺旋上升的情況．因此，物理學(xué)科知識(shí)并不是一成不變的．人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從感性到理性，再到對(duì)理性的綜合的過(guò)程．學(xué)生對(duì)物理的理解，首先是通過(guò)感性的具體，經(jīng)過(guò)科學(xué)抽象成為抽象的規(guī)定，再經(jīng)過(guò)科學(xué)抽象成為思維中的具體[18]．

在歷史上，前人對(duì)世界的理解在現(xiàn)在看來(lái)可能是局限的甚至是錯(cuò)誤的，然而，這種理解往往代表了當(dāng)時(shí)的最先進(jìn)理性水平．文獻(xiàn)[4,10,19,20]將物理學(xué)史資源整合成為文化內(nèi)容知識(shí)(Cultural Content Knowledge，以下簡(jiǎn)稱CCK)，并展開(kāi)了多年教學(xué)實(shí)踐的研究．課程以講座的形式，貫穿科技史中針鋒相對(duì)的辯論，再現(xiàn)了關(guān)于視覺(jué)與光的本質(zhì)的討論，向中學(xué)生展示了物理文化．

圖2 17世紀(jì)粒子說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的“內(nèi)核-軀干-外緣”示意圖[20]

文獻(xiàn)[20]利用“內(nèi)核-軀干-外緣”模型向有相應(yīng)知識(shí)基礎(chǔ)的學(xué)生重演了理論的發(fā)展．例如，在17世紀(jì)時(shí)，經(jīng)典的光理論有粒子說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)(圖2)．光是粒子或者波作為內(nèi)核能解釋各自的軀干部分，軀干有共同部分說(shuō)明兩種內(nèi)核都能解釋．兩種理論的內(nèi)核各自處于對(duì)方的外緣區(qū)，即它們之間相互無(wú)法解釋．

同時(shí)，有些現(xiàn)象(雙反射)處于兩種理論的外緣，兩種內(nèi)核都無(wú)法解釋．到了20世紀(jì)初，人們對(duì)光學(xué)領(lǐng)域的物理知識(shí)結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)(圖3)，光子說(shuō)可以用于解釋由偏振光引起的雙反射現(xiàn)象．雖然學(xué)生與這些科學(xué)家不在同一個(gè)時(shí)代，但講座幫助他們聚焦于過(guò)去的科學(xué)家所交流和爭(zhēng)辯的概念、矛盾、論證、實(shí)驗(yàn)、證明與反駁，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)會(huì)物理學(xué)基于理論的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而不是像通常的物理學(xué)科課程那樣按部就班地給出主題、概念與習(xí)題．

圖3 20世紀(jì)光學(xué)理論：射線、粒子、波與光子[10]

文獻(xiàn)[4,10,19]將學(xué)生的前概念與物理史的重演聯(lián)系在一起．以光學(xué)與視覺(jué)領(lǐng)域的教學(xué)為例，重演的相關(guān)平行概念列于表1．教師利用這些平行概念展開(kāi)討論，喚起學(xué)生自身的觀念與信仰并進(jìn)行比較，從而通過(guò)強(qiáng)調(diào)相似性來(lái)指明學(xué)生已有的迷思概念(misconcept)．通過(guò)理解科學(xué)觀點(diǎn)的演進(jìn)這種方式，基于主題的CCK課程可以使學(xué)生對(duì)迷思概念免疫．同時(shí)，Galili等人相信，學(xué)生本人的構(gòu)想通常并不會(huì)像物理史中的構(gòu)想那樣順理成章，理解相關(guān)的歷史辯論可以豐富學(xué)生知識(shí)，將他們直覺(jué)感受到的相異概念(alternative concept)變得清晰，推動(dòng)他們的概念學(xué)習(xí)，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變．因此，CCK課程對(duì)學(xué)生的相異概念有糾正作用．

表1 光學(xué)與視覺(jué)領(lǐng)域中的相關(guān)概念

3.2 融合科學(xué)哲學(xué)的物理文化課程

眾所周知，同一時(shí)代的科學(xué)哲學(xué)與科學(xué)之間有密切的聯(lián)系．科學(xué)哲學(xué)關(guān)注如何描述科學(xué)結(jié)構(gòu)的問(wèn)題．物理學(xué)知識(shí)體系是在物理事實(shí)的觀察和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，但物理觀察和實(shí)驗(yàn)結(jié)果堆積還不是物理學(xué)．物理知識(shí)體系，是由一系列的物理概念、定律、定理以及推論，按照嚴(yán)密的邏輯關(guān)系，借助物理語(yǔ)言符號(hào)有機(jī)組成的[7]．在描述物理量之間的相互作用和相互關(guān)系與物理教學(xué)過(guò)程中，物理語(yǔ)言構(gòu)成物理文化的載體．在物理語(yǔ)言中，物理概念的定義是最根本的問(wèn)題．實(shí)際教學(xué)中，課程設(shè)計(jì)者需要對(duì)概念的定義有所選擇，使物理的概念與知識(shí)結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系在一起．

文獻(xiàn)[21]根據(jù)中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，對(duì)各類教材中能量概念的定義開(kāi)展了調(diào)查與研究，將科學(xué)哲學(xué)融合在以色列的中學(xué)課程中，并在七年級(jí)與九年級(jí)的能量模塊教學(xué)中付諸實(shí)施．課程精心挑選了能量概念的定義，用物理語(yǔ)言明確地向?qū)W生解釋了“能量概念用來(lái)表達(dá)變化”以及“為何能量守恒是一個(gè)合理的推論”，從而將物理概念的定義上升到物理文化的高度．

Lehavi等人發(fā)現(xiàn)，中學(xué)生在學(xué)習(xí)能量的概念時(shí)，普遍對(duì)4個(gè)問(wèn)題感到疑惑：

(1)什么是能量(能量的定義).

(2)什么是能量形式.

(3)能量轉(zhuǎn)換與轉(zhuǎn)移.

(4)能量守恒．

基于這些觀察，他們認(rèn)為能量教學(xué)應(yīng)該包含以下幾個(gè)方面：

(1)多變量共存，即自然界中的過(guò)程是無(wú)法用單變量的變化來(lái)描述，因此需要引入同步(耦合)過(guò)程．

(2)相反的變化方向，即在同步過(guò)程中總有一方能量增加，另一方能量減少．

(3)能量的同步變化可以相互抵消，即同步過(guò)程中各方能量的變化方向相反并不意味著能夠相互抵消，是否能相互抵消應(yīng)該由實(shí)驗(yàn)來(lái)決定．

(4)孤立系統(tǒng)與非孤立系統(tǒng)，即同步過(guò)程實(shí)際上定義了一個(gè)孤立系統(tǒng)．

(5)能量守恒，從(1)到(4)可以看到，對(duì)于孤立系統(tǒng)，其能量是否守恒應(yīng)該是一條實(shí)驗(yàn)定律．

同時(shí)，以往物理教育工作者并沒(méi)有在能量概念的語(yǔ)言描述上達(dá)到一致．例如既然能量并不是物質(zhì)，能量本應(yīng)該是表達(dá)物質(zhì)的某個(gè)屬性的量，但“能量轉(zhuǎn)移”的說(shuō)法可能會(huì)啟發(fā)學(xué)生將能量物質(zhì)化．基于以上兩點(diǎn)，Lehavi等人將能量相關(guān)的課程設(shè)計(jì)工作分為兩個(gè)階段，在第一個(gè)階段科學(xué)教學(xué)系的研究員為七年級(jí)到九年級(jí)的科學(xué)教師開(kāi)發(fā)教師材料，在第二個(gè)階段相關(guān)教師在工作室開(kāi)發(fā)七年級(jí)到九年級(jí)的課本．

在第一個(gè)階段，中學(xué)的科學(xué)教師通過(guò)教師材料了解了“能量是描述變化”的基本原理，獲得了課堂活動(dòng)的指導(dǎo)建議，例如一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)與演示．教師材料特別提供了精心設(shè)計(jì)的提問(wèn)，意在強(qiáng)調(diào)變化而不是靜止?fàn)顟B(tài)，例如提問(wèn)“當(dāng)課本從桌面掉到地時(shí)能量變化”而不是“靜止在桌面上的課本的能量”，或者提問(wèn)“當(dāng)汽車從行駛到停下時(shí)的能量變化”而不是“運(yùn)行中的汽車的能量”．為了將注意力集中在系統(tǒng)中的過(guò)程與過(guò)程相關(guān)的能量變化上，教師材料給出了示意圖(圖4)．同時(shí)，教師材料增加了能量變化的操作定義，即能量的變化可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)物體溫度的變化來(lái)定量測(cè)量(焦耳定律)．

圖4 能量變化圖[21]

在第二個(gè)階段，為了明確向廣大師生明確表達(dá)能量作為描述變化的概念，自編課本將能量概念的相關(guān)定義分成了若干個(gè)方面：

(1)過(guò)程.自然界中不同的過(guò)程，特征是可變化的屬性(參數(shù)或指標(biāo))，如高度、速度等，可用能量變化來(lái)定量描述．

(2)同步(耦合)的變化.自然界中的變化總是與其他的變化同時(shí)發(fā)生．

(3)統(tǒng)一.能量被認(rèn)為是單一的性質(zhì)，因?yàn)樗诓煌^(guò)程中的增加或者減少可以通過(guò)測(cè)量唯一的定量描述．不同的“類型”或者“形式”只是代表在能量增加或減小的不同過(guò)程的標(biāo)簽，因此不同形式的能量并沒(méi)有本質(zhì)上的不同．

(4)可測(cè)性.能量的增加或者減少可由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證．這種測(cè)量的結(jié)果可以是通用的并用在數(shù)學(xué)表達(dá)式中．

(5)能量轉(zhuǎn)移.在相互作用的系統(tǒng)中耦合的能量增加和減少．

(6)能量轉(zhuǎn)化.在不同種類的耦合過(guò)程中能量的增加和減少．

(7)守恒.測(cè)量(或者計(jì)算，基于通用的測(cè)量結(jié)果)某類系統(tǒng)(孤立系統(tǒng))中能量的全部耦合變化時(shí)，這些耦合變化的能量相互抵消．

利用這些概念，當(dāng)物體做自由落體時(shí)，物體高度減小時(shí)的能量變化可以看作是與高度變化呈線性關(guān)系(由焦耳實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定)，物體速度增加時(shí)的能量變化可以看作是與速度呈二次函數(shù)關(guān)系(同樣由焦耳實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定)，然后就能論證物體由于高度減小的能量改變與物體由于速度增加的能量改變呈線性關(guān)系．同時(shí)考慮能量增加/減小的定性關(guān)系，就能向?qū)W生呈現(xiàn)出能量守恒是一個(gè)合理的推論．

4 結(jié)論

本文從物理史、科學(xué)哲學(xué)與實(shí)踐哲學(xué)3個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外物理文化的研究現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)了物理文化對(duì)于物理學(xué)科自身發(fā)展與物理教學(xué)的必要性，并通過(guò)介紹國(guó)外物理文化課程的相關(guān)案例，詮釋了將物理學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)融入物理教學(xué)的實(shí)踐方案與研究成果．研究表明，任何一種理論,包括它使用的概念、命題、預(yù)設(shè)都是文化的產(chǎn)物，不同的語(yǔ)言、文化背景會(huì)使人們對(duì)同一概念或理論產(chǎn)生完全不同的思路和理解．雖然物理科學(xué)的符號(hào)、概念、定律不會(huì)隨著文化的不同而發(fā)生變化，但其形成過(guò)程以及不同的人對(duì)其產(chǎn)生的理解是與既定的文化背景有密切關(guān)系的．新一輪課程改革以“立德樹人”為核心，從物理學(xué)到物理文化的轉(zhuǎn)變，是理解物理教學(xué)在育人認(rèn)識(shí)上的一大進(jìn)步，讓師生共同成為物理文化的傳播者、整理者和創(chuàng)造者，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的形成．

從另一層面來(lái)說(shuō)，相較于物理學(xué)科課程，物理文化更加重視學(xué)生的反思與思維品質(zhì)，不但讓學(xué)生“知其然”，而且讓他們“知其所以然”，使學(xué)生正確理解物理概念與物理知識(shí)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)，這與物理學(xué)科素養(yǎng)中強(qiáng)調(diào)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任有共通之處．需要注意的是，將物理學(xué)史與科學(xué)哲學(xué)等要素融入物理教學(xué)，并不是讓學(xué)生原原本本地去理解這些要素，而是將物理文化作為一種資源，使師生能夠從多維度開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)．當(dāng)然這也要認(rèn)識(shí)到，物理文化課程在為教師發(fā)展開(kāi)辟了新進(jìn)路的同時(shí)，也對(duì)物理教師教學(xué)提出了更高的要求．同時(shí)，物理文化涉及到的科學(xué)實(shí)踐理念，對(duì)于我國(guó)學(xué)生在物理學(xué)科進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)時(shí)有重要的指導(dǎo)作用，值得進(jìn)一步的研究．