邢紅軍，董鑫鑫，石 堯

(1.首都師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，北京 100048；2.北京中學(xué)，北京 100048)

普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》提出要在物理教學(xué)中進(jìn)行學(xué)科本質(zhì)教育的要求，并在課程基本理念中將“在課程目標(biāo)上注重提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)”修改為“注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)”[1]，這一重要改變體現(xiàn)了物理教育理念的進(jìn)步. 然而，物理學(xué)科的本質(zhì)究竟是什么？它的構(gòu)成要素到底包括哪些內(nèi)容？相關(guān)的研究雖然較多，但關(guān)于物理學(xué)科本質(zhì)的研究始終莫衷一是、眾說紛紜，從而影響了物理學(xué)科本質(zhì)教育的開展. 鑒于此，本文對(duì)此問題展開討論，以期對(duì)物理學(xué)科本質(zhì)的研究有所啟迪.

1 物理學(xué)科本質(zhì)的研究思路

物理學(xué)科的本質(zhì)是什么？目前，國(guó)內(nèi)物理教育界對(duì)該問題研究的通常做法是，以科學(xué)本質(zhì)代替物理學(xué)科本質(zhì)進(jìn)行研究.

1989年，美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)認(rèn)為應(yīng)該從3個(gè)維度來理解科學(xué)本質(zhì)：

1)科學(xué)世界觀——世界是可被認(rèn)知的；科學(xué)理念是不斷變化的；科學(xué)知識(shí)是相對(duì)持久的；科學(xué)家不能完美地回答所有問題.

2)科學(xué)探究觀——科學(xué)需要證據(jù)作為支持；科學(xué)融合了邏輯和想象；科學(xué)需要解釋和預(yù)見；科學(xué)家要努力避免偏見；科學(xué)不依賴于仰仗權(quán)威.

3)科學(xué)事業(yè)觀——科學(xué)是一項(xiàng)復(fù)雜的社會(huì)活動(dòng)；科學(xué)由學(xué)科內(nèi)容組成，有不同的研究機(jī)構(gòu)；科學(xué)研究有普遍接受的道德規(guī)范；科學(xué)家在參與公共事務(wù)時(shí)的身份既是科學(xué)家又是公民[2].

1996年，德里弗(Driver)等人認(rèn)為科學(xué)本質(zhì)包括：科學(xué)目的、科學(xué)知識(shí)的地位和性質(zhì)、科學(xué)作為一種社會(huì)事業(yè)[3]. 我國(guó)學(xué)者李醒民也在其著作《科學(xué)論：科學(xué)的三維世界》中將科學(xué)本質(zhì)劃分為三層，即作為知識(shí)體系的科學(xué)、作為研究活動(dòng)的科學(xué)、作為社會(huì)建制的科學(xué)[4]. 不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過多年的理論探討，人們對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)基本達(dá)成共識(shí)，即科學(xué)本質(zhì)應(yīng)當(dāng)包括科學(xué)過程、科學(xué)結(jié)果以及科學(xué)事業(yè)對(duì)人類社會(huì)的影響.

科學(xué)學(xué)科群雖然包括物理學(xué)，但物理學(xué)并不等同于科學(xué). 這是因?yàn)榭茖W(xué)本質(zhì)是上位概念，而物理學(xué)科本質(zhì)是下位概念，二者的內(nèi)涵有交集，但又具有很大的不同. 科學(xué)本質(zhì)的范疇與內(nèi)涵并不能直接外推到物理學(xué)科本質(zhì)的研究中，也不能直接外推到物理學(xué)科本質(zhì)教育中. 因此，科學(xué)本質(zhì)的研究范式只能對(duì)物理學(xué)科本質(zhì)研究提供啟示，但無法準(zhǔn)確界定與詮釋物理學(xué)科本質(zhì)的內(nèi)涵.

長(zhǎng)期以來，人們一直采用以科學(xué)本質(zhì)代替物理學(xué)科本質(zhì)來展開研究. 造成這種現(xiàn)象的原因可能在于：a.研究者默認(rèn)科學(xué)本質(zhì)就是物理學(xué)科本質(zhì)，認(rèn)為按照這樣的方式進(jìn)行研究就不會(huì)出現(xiàn)問題；b.國(guó)際科學(xué)界對(duì)于科學(xué)本質(zhì)的研究汗牛充棟，按照拿來主義的方式進(jìn)行研究非常順手，且可以在此基礎(chǔ)上侃侃而談. 不幸的是，這種研究范式雖然省時(shí)省力，但其研究結(jié)果卻與物理學(xué)科本質(zhì)南轅北轍，相去甚遠(yuǎn). 同時(shí)，以科學(xué)本質(zhì)代替物理學(xué)科本質(zhì)還存在指鹿為馬的嫌疑. 因此，物理學(xué)科本質(zhì)的研究既要超越簡(jiǎn)單的拿來主義研究范式，也要超越簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)主義思維，摒棄沒有理論依據(jù)的物理學(xué)科本質(zhì)研究范式.

上世紀(jì)70年代美國(guó)學(xué)者霍爾頓(G.Holton)提出物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型. 霍爾頓認(rèn)為，物理學(xué)任何一部分的基本內(nèi)容及結(jié)構(gòu)都可以分解為以下3種成分：X——實(shí)驗(yàn)(事實(shí))、Y——物理思想(邏輯、方法論等),Z——數(shù)學(xué)[5]. 這種普適性的結(jié)構(gòu)模型抓住了物理學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的核心，也為物理學(xué)各分支學(xué)科、單元結(jié)構(gòu)及教學(xué)規(guī)律的研究奠定了基礎(chǔ). 將三維結(jié)構(gòu)投影到平面上，就形成了上(實(shí)驗(yàn))、中(核心理論)、左(科學(xué)方法論)、右(數(shù)學(xué))、下(延伸與應(yīng)用)5個(gè)部分，這不僅揭示了物理學(xué)科的5個(gè)特點(diǎn)，而且彰顯了物理知識(shí)與方法的關(guān)系. 該結(jié)構(gòu)圖被稱為物理學(xué)知識(shí)—能力結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示.

深入分析物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型后，發(fā)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)、物理思想與數(shù)學(xué)是物理學(xué)科本質(zhì)的3個(gè)基本構(gòu)成要素. 鑒于物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型中對(duì)于物理思想的界定不夠清晰，通過進(jìn)一步結(jié)合物理學(xué)知識(shí)—能力結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行分析，可將物理思想明確為物理知識(shí)與物理方法. 于是，物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素就初步確定為物理實(shí)驗(yàn)、物理知識(shí)、物理方法與數(shù)學(xué).

為了確定物理學(xué)科本質(zhì)的要素，有必要從物理學(xué)科核心素養(yǎng)的角度進(jìn)行考查.

普通高中《物理課程標(biāo)準(zhǔn)》將物理學(xué)科核心素養(yǎng)界定為4個(gè)方面，即物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任. 然而，深入分析不難發(fā)現(xiàn)，物理學(xué)科核心素養(yǎng)未能真正反映出我國(guó)物理教學(xué)的理論與實(shí)踐成就，因此，物理學(xué)科核心素養(yǎng)需要進(jìn)行重新建構(gòu). 為此，本文從核心素養(yǎng)的內(nèi)涵、特點(diǎn)與價(jià)值取向出發(fā)，結(jié)合物理學(xué)的學(xué)科特征，建構(gòu)出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)層級(jí)模型，如圖2所示，其構(gòu)成要素包括：物理知識(shí)與物理方法、物理思維與物理技能、物理思想與物理觀念以及科學(xué)精神與人文精神[6].

圖2 物理學(xué)科核心素養(yǎng)層級(jí)模型

認(rèn)真研究物理學(xué)科核心素養(yǎng)層級(jí)模型，不難發(fā)現(xiàn)，作為物理知識(shí)與物理方法的升華，物理思想、物理觀念也應(yīng)納入物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素之中. 這是因?yàn)?，物理思想是由物理學(xué)共同體對(duì)物理知識(shí)和方法進(jìn)一步提煉而形成的關(guān)于物理本質(zhì)的深層認(rèn)識(shí). 它不僅能夠影響物理方法的形成，還能夠引領(lǐng)物理觀念的發(fā)展. 可以說，正是在物理思想的指導(dǎo)下，物理世界才能夠從孤立的知識(shí)碎片上升為系統(tǒng)的知識(shí)體系，并促使感性認(rèn)識(shí)逐步向理性認(rèn)識(shí)過渡. 物理觀念是在物理學(xué)視角下形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)；是由物理概念和規(guī)律在人的頭腦中經(jīng)過凝煉升華而形成的.

物理學(xué)本來就是科學(xué)與人文的統(tǒng)一，因此，物理教育的目的不僅在于傳播物理知識(shí)與方法，培育科學(xué)精神，還需要進(jìn)行人文精神的浸潤(rùn)與陶冶. 人文精神作為具有普適價(jià)值的人類自我關(guān)懷，它表現(xiàn)為對(duì)人的尊嚴(yán)、價(jià)值、命運(yùn)的維護(hù)、追求和關(guān)切，對(duì)人類所保存的各種精神文化現(xiàn)象的尊重與珍視，是對(duì)全面發(fā)展理想人格的肯定和塑造. 因此，物理學(xué)科本質(zhì)教育亟需科學(xué)精神與人文精神協(xié)同共進(jìn)，從而扭轉(zhuǎn)物理教育中長(zhǎng)期存在的唯科學(xué)主義傾向.

綜上所述，物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素包括：物理知識(shí)、物理方法、物理思想、物理觀念、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)、科學(xué)精神與人文精神.

2 物理學(xué)科本質(zhì)的內(nèi)涵解讀

在確定物理學(xué)科本質(zhì)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步厘清物理學(xué)科本質(zhì)中各個(gè)要素的內(nèi)涵，從而為物理學(xué)科本質(zhì)教育的開展奠定基礎(chǔ).

2.1 物理知識(shí)本質(zhì)

知識(shí)是人們?cè)陂L(zhǎng)期實(shí)踐活動(dòng)中對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，包括感性知識(shí)與理性知識(shí). 其中，感性知識(shí)反映的是事物的外在屬性或外部聯(lián)系，其心理表現(xiàn)形式為感知與表象；理性知識(shí)反映的是事物的本質(zhì)屬性或內(nèi)部聯(lián)系，其心理表現(xiàn)形式為概念和原理. 就物理學(xué)科而言，作為一門嚴(yán)密的理論科學(xué)，物理學(xué)以物理概念為基石，以物理定律為主干，建立了經(jīng)典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)，以及各個(gè)分支物理學(xué)的嚴(yán)密邏輯體系.

怎樣在物理教育教學(xué)中進(jìn)行物理知識(shí)本質(zhì)教育？這就要求教師在物理教育教學(xué)中，把握物理知識(shí)的實(shí)質(zhì)，揭示物理知識(shí)的真諦. 例如，在電動(dòng)勢(shì)教學(xué)中，雖然教材的定義為 “電動(dòng)勢(shì)等于非靜電力將單位正電荷從電源的負(fù)極搬運(yùn)到正極所做的功”，但是學(xué)生對(duì)于非靜電力的產(chǎn)生原因及“搬運(yùn)”正電荷的方式并不清楚，這在一定程度上影響了學(xué)生對(duì)電動(dòng)勢(shì)的學(xué)習(xí)與掌握. 以伏打電池為例，教師通過對(duì)電動(dòng)勢(shì)概念進(jìn)行高端備課，發(fā)現(xiàn)并揭示了電動(dòng)勢(shì)的形成機(jī)理. 即在內(nèi)電路中，帶正電荷的銅板與帶負(fù)電荷的鋅板之間形成了“板電場(chǎng)”，同時(shí)，鋅板附近帶正電荷的“薄膜”鋅離子層與銅板附近帶負(fù)電荷的“薄膜”電子層形成了“膜電場(chǎng)”，由于2個(gè)電場(chǎng)的方向相反，于是就形成了等效電場(chǎng)E非，E非=E膜-E板.由于E非不是靜電場(chǎng)，故帶電離子在E非中受到的力屬于非靜電力. 可見，只有深入到電動(dòng)勢(shì)形成的微觀機(jī)制去備課與教學(xué)，才能真正觸及到物理知識(shí)的本質(zhì)[7].

2.2 物理方法本質(zhì)

物理方法是人們?cè)谡J(rèn)識(shí)和改造客觀世界的實(shí)踐活動(dòng)中總結(jié)出的行為方式，是人們認(rèn)識(shí)和改造自然的有效工具，對(duì)物理知識(shí)的建構(gòu)有重要作用，如物理教學(xué)中常用的比值定義法、控制變量法等.

雖然物理方法與物理知識(shí)都是物理學(xué)的組成部分，但嚴(yán)格說來，二者又具有不同的特點(diǎn). 物理知識(shí)與客觀物質(zhì)世界聯(lián)系密切，是對(duì)客觀世界的描述與反映；而物理方法涉及的是人類認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界的途徑與方式，具有高度的抽象性. 同時(shí)物理方法具有自己獨(dú)特的表達(dá)方式，它往往隱藏在物理知識(shí)背后，決定著物理知識(shí)的獲取和應(yīng)用.

以比值定義法的教學(xué)為例. 中學(xué)物理教學(xué)中，許多物理量的定義都是采用比值定義法，例如速度、加速度、密度、壓強(qiáng)等. 比值定義法的運(yùn)用包括4個(gè)步驟，分別是：1)選取比較的對(duì)象；2)選取比較的標(biāo)準(zhǔn)；3)研究比較的意義；4)得到比較的結(jié)論[8-9]. 只有按照以上步驟展開比值定義法的教學(xué)，才能稱之為是進(jìn)行了物理方法的本質(zhì)教育. 除此之外，教師還要告訴學(xué)生，比值定義法中位于分子的物理量是優(yōu)勢(shì)變量，而位于分母的物理量是非優(yōu)勢(shì)變量，二者地位不對(duì)等. 所以，在速度概念教學(xué)中，同等時(shí)間比位移和同等位移比時(shí)間的教學(xué)方式，其不足的根本原因在于教師不明白比值定義法的物理本質(zhì).

2.3 物理思想本質(zhì)

物理思想的形成經(jīng)歷了從物理學(xué)家的“個(gè)人科學(xué)”到物理學(xué)共同體的“公開科學(xué)”的發(fā)展過程，其中物理學(xué)家的靈感與思考、探索過程與體驗(yàn)是物理思想形成的重要源泉. 物理思想作為獨(dú)立存在的內(nèi)容，能夠豐富物理學(xué)的內(nèi)涵與外延，并最終引領(lǐng)物理學(xué)的發(fā)展與完善.

為了使學(xué)生充分領(lǐng)略物理思想的本質(zhì)，須從物理思想的特征出發(fā)，歸納出物理思想的主要內(nèi)容[10]，包括：對(duì)稱思想、守恒思想、不可逆思想、等效思想、假說思想、比較思想、轉(zhuǎn)化思想、相干思想、量子化思想、相對(duì)性思想.

怎樣在物理教育教學(xué)中進(jìn)行物理思想教育？以守恒與轉(zhuǎn)化思想的形成為例，中學(xué)物理教材中的能量概念定義是：能量是表明物體做功本領(lǐng)的物理量. 對(duì)此，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊爾曼(G.Lehrman)提出了質(zhì)疑. 他認(rèn)為，能量的定義應(yīng)該同時(shí)以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為依據(jù)，熱也應(yīng)作為一種形式考慮在內(nèi)[11]. 他指出，能量轉(zhuǎn)化存在一定的不可逆性，即一定量的功可以產(chǎn)生一定量的熱，但一定量的熱卻不能在對(duì)外界無影響的情況下完全轉(zhuǎn)化為功；能量在轉(zhuǎn)化中總保持守恒，而做功的本領(lǐng)卻不是守恒的，它在轉(zhuǎn)化過程中會(huì)不斷地?fù)p失[10]. 因此，正確的能量定義應(yīng)當(dāng)是：能量是表示物體做功本領(lǐng)和傳遞熱本領(lǐng)的物理量. 由此可見，要使學(xué)生真正理解能量的本質(zhì)，除了正確定義外，還要使學(xué)生理解能量概念背后的守恒與轉(zhuǎn)化思想.

2.4 物理觀念本質(zhì)

物理觀念主要包括物質(zhì)觀、時(shí)空觀、能量觀、相互作用觀等. 其中，物質(zhì)觀的演變先后經(jīng)歷了不連續(xù)的物質(zhì)觀到連續(xù)的物質(zhì)觀，再到更高層次的物質(zhì)觀統(tǒng)一. 時(shí)空觀主要指物質(zhì)存在的2種基本形式——時(shí)間和空間. 時(shí)間是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)持續(xù)性和順序性的表現(xiàn)，空間是物質(zhì)存在廣延性和伸張性的體現(xiàn). 能量觀是代表物理學(xué)屬性的重要觀念，即能量是對(duì)物體做功本領(lǐng)和傳遞熱本領(lǐng)的量度. 相互作用觀的本質(zhì)在于，當(dāng)一部分物質(zhì)對(duì)另一部分物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，必然會(huì)受到反作用.

物理觀念是重要物理思想的濃縮，但不是所有的物理思想都可以升華為物理觀念，只有代表物理學(xué)最本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，才能稱之為物理觀念[6]. 因此，物理觀念是比物理思想更加深層次的物理本質(zhì). 這就好比相信牛頓力學(xué)體系的人始終認(rèn)為時(shí)間和空間相互獨(dú)立，時(shí)空中的物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)均不會(huì)對(duì)時(shí)空本身產(chǎn)生影響，在絕對(duì)時(shí)空觀之下，不同參考系中，物體的運(yùn)動(dòng)都遵循伽利略變換. 但愛因斯坦卻否認(rèn)這種觀點(diǎn)，他認(rèn)為空間坐標(biāo)變量、時(shí)間變量和物體運(yùn)動(dòng)之間存在某種聯(lián)系，這種聯(lián)系可以用洛倫茲變換表示. 1905年，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論，掃除了盤旋在物理學(xué)發(fā)展上空的“一朵烏云”. 然而，物理學(xué)史證明，洛倫茲對(duì)時(shí)空現(xiàn)象的研究要早于愛因斯坦，并更早地提出了洛倫茲變換公式. 為何洛倫茲沒有率先提出相對(duì)論呢？這可能要?dú)w咎于洛倫茲未能掙脫經(jīng)典時(shí)空觀的束縛，沒有邁出構(gòu)建新的物理觀念的關(guān)鍵一步.

2.5 物理實(shí)驗(yàn)本質(zhì)

物理學(xué)發(fā)展的歷史表明，在伽利略首創(chuàng)將實(shí)驗(yàn)、物理思維和數(shù)學(xué)演繹三者結(jié)合的科學(xué)方法指引下，經(jīng)典物理學(xué)才真正從自然哲學(xué)中分離，并逐漸形成獨(dú)立的學(xué)科.

物理實(shí)驗(yàn)是人們利用物理儀器和設(shè)備，控制實(shí)驗(yàn)條件，排除次要因素的干擾，抓住主要因素，在有利的條件下重復(fù)地去研究物理現(xiàn)象及其規(guī)律的活動(dòng).

物理實(shí)驗(yàn)是手腦并用的科學(xué)活動(dòng). 學(xué)生需要經(jīng)歷理解實(shí)驗(yàn)原理、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作實(shí)驗(yàn)儀器和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等一系列認(rèn)知活動(dòng)，從而不斷提升自身的物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰? 需要強(qiáng)調(diào)的是，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)當(dāng)樹立這樣的觀點(diǎn)，即不能把實(shí)驗(yàn)單純視為操作過程，而應(yīng)將其視為操作與思維相結(jié)合的活動(dòng). 這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作離不開思維的指引，實(shí)驗(yàn)操作只是借助儀器設(shè)備把思維活動(dòng)進(jìn)行了外顯. 同樣，思維也兼具動(dòng)作屬性，它是一種在大腦中進(jìn)行的內(nèi)隱動(dòng)作. 由此觀之，操作與思維只是動(dòng)作的不同形式，在此意義上，知(思維)與行(操作)是統(tǒng)一的.

根據(jù)皮亞杰理論，人的認(rèn)識(shí)既可以是物質(zhì)性的(運(yùn)用物理工具在實(shí)物上進(jìn)行，即物理實(shí)驗(yàn)的操作成分)，也可以是精神性的(運(yùn)用符號(hào)工具在頭腦中進(jìn)行，即物理實(shí)驗(yàn)的思維成分). 因此，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，只關(guān)注實(shí)驗(yàn)的操作過程而忽視實(shí)驗(yàn)操作中的思維成分，忽視操作與思維的辯證關(guān)系，勢(shì)必會(huì)造成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)與物理實(shí)驗(yàn)本質(zhì)漸行漸遠(yuǎn)，甚至南轅北轍.

2.6 數(shù)學(xué)本質(zhì)

從物理學(xué)的學(xué)科本質(zhì)來分析，一般認(rèn)為，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，理論是物理學(xué)的主干，而數(shù)學(xué)則是物理學(xué)的語言和工具. 這是因?yàn)椋刮锢韺W(xué)的學(xué)科結(jié)構(gòu)能夠反映出自身的基本概念、原理和基本方法之間的關(guān)系，并使物理學(xué)的表述上升到定量層面，僅憑單純的語言文字是難以勝任的，必須有數(shù)學(xué)的參與才能完成對(duì)物理學(xué)理論的真正描述. 因此，數(shù)學(xué)是物理學(xué)的一部分，物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素應(yīng)該包括數(shù)學(xué).

楊振寧教授在《美與物理學(xué)》中[12]，給出了物理學(xué)領(lǐng)域，如圖3所示，該圖對(duì)理解物理學(xué)科本質(zhì)與數(shù)學(xué)的關(guān)系具有重要啟示. 楊振寧教授指出，19世紀(jì)后半葉的許多實(shí)驗(yàn)工作引出普朗克的唯象理論；經(jīng)過愛因斯坦和玻爾的研究，又有了一些重要發(fā)展，但這些都還是唯象理論；最后通過量子力學(xué)的產(chǎn)生，才步入理論架構(gòu)的范疇.

楊振寧教授給出的物理學(xué)領(lǐng)域圖中，雖然把數(shù)學(xué)也列在其中，并且置于最基礎(chǔ)的位置，但卻以虛線標(biāo)明，以示其與實(shí)驗(yàn)、唯象理論和理論架構(gòu)的區(qū)別與聯(lián)系. 楊振寧教授曾經(jīng)用長(zhǎng)在根莖上的“雙葉”來形容數(shù)學(xué)與物理學(xué)之間的關(guān)系，如圖4所示. 一片葉子是物理學(xué)，另一片葉子是數(shù)學(xué)，兩者生長(zhǎng)在共同的根莖上，重疊的地方則是二者之根，二者之源. 這充分說明了數(shù)學(xué)與物理學(xué)的同源關(guān)系.

圖4 物理學(xué)與數(shù)學(xué)關(guān)系的“雙葉”示意圖

2.7 科學(xué)精神本質(zhì)

科學(xué)精神的主要表現(xiàn)是追求真理，崇尚創(chuàng)新，實(shí)事求是. 科學(xué)精神倡導(dǎo)對(duì)真理的不懈追求以及敢于質(zhì)疑和創(chuàng)新的精神，堅(jiān)持真理面前人人平等的信念，用質(zhì)疑的態(tài)度不斷發(fā)展物理學(xué)的知識(shí)體系. 科學(xué)精神尊重物理學(xué)已有的認(rèn)識(shí)，崇尚理性質(zhì)疑精神，否認(rèn)任何權(quán)威與教條，承認(rèn)物理學(xué)的發(fā)展永無止境，鼓勵(lì)發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造新的物理學(xué)知識(shí). 科學(xué)精神本質(zhì)強(qiáng)調(diào)物理學(xué)所有的假設(shè)和結(jié)果都必須經(jīng)過物理實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)才能得到承認(rèn)，即實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)真理的黃金標(biāo)準(zhǔn). 科學(xué)精神尤其強(qiáng)調(diào)尊重事實(shí)，反對(duì)弄虛作假、篡改數(shù)據(jù)等不良行為.

在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》將科學(xué)精神界定為學(xué)生在學(xué)習(xí)、理解、運(yùn)用科學(xué)知識(shí)和技能等方面所形成的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)、思維方式和行為表現(xiàn)，包括理性思維、批判質(zhì)疑與勇于探究3個(gè)要素[13].

理性思維是科學(xué)精神的內(nèi)在基礎(chǔ)和動(dòng)力. 包括：a.崇尚真知，能理解科學(xué)原理和基本方法；b.有實(shí)證意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度；c.邏輯清晰，能運(yùn)用科學(xué)的思維方式認(rèn)識(shí)事物并解決問題等.

批判質(zhì)疑是科學(xué)精神的核心，構(gòu)成了科學(xué)精神的內(nèi)核. 包括：a.具有問題意識(shí)；b.能夠進(jìn)行獨(dú)立思考與判斷；c.能從多角度、辯證性地分析問題，并能作出相對(duì)最優(yōu)的決策.

勇于探究是科學(xué)精神的外在表現(xiàn)，是科學(xué)精神發(fā)展的評(píng)價(jià)依據(jù). 包括：a.敢于克服困難，具有堅(jiān)定不移的探索精神；b.不斷嘗試，積極探索高效的問題解決方法等.

2.8 人文精神本質(zhì)

物理學(xué)雖然是自然科學(xué)，但是物理學(xué)科的本質(zhì)仍然包含人文精神. 這是因?yàn)槲锢韺W(xué)作為客觀存在的知識(shí)體系，其終極價(jià)值在于為人類的生存與發(fā)展服務(wù).

科學(xué)精神與人文精神同為人類文明的重要成果，二者相輔相成，同屬于人類對(duì)于真善美的共同追求. 科學(xué)精神求真務(wù)實(shí)，表現(xiàn)為如何為人做事的外部取向；人文精神則指向人自身的世界，是人生觀、價(jià)值觀和世界觀的集中體現(xiàn). 人文精神包含人類對(duì)理想和信念的孜孜追求，對(duì)于美好品德的贊頌以及普適價(jià)值的向往. 人文精神與科學(xué)精神猶如并存的兩翼，千百年來和諧共存于人類的文化遺產(chǎn)中，科學(xué)精神保證了人文精神的真正實(shí)現(xiàn)，而人文精神則保證了科學(xué)精神的正確指向.

愛因斯坦是一位極具人文精神的物理學(xué)家. 第二次世界大戰(zhàn)以后，愛因斯坦深刻意識(shí)到核戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)整個(gè)人類生存發(fā)展帶來的威脅，因而費(fèi)盡精力為“反對(duì)核戰(zhàn)爭(zhēng)”奔走呼號(hào). 在他臨終前 7天，仍不忘為人類和平與預(yù)防核危險(xiǎn)的事業(yè)努力，鄭重簽署了呼吁防止核戰(zhàn)爭(zhēng)的《羅素—愛因斯坦宣言》. 在愛因斯坦反對(duì)核武器濫用的10年間，他不遺余力地發(fā)出政治倫理的呼吁，建議消滅和管控好核武器，有效地減緩了核軍備競(jìng)賽，使人類能夠驅(qū)散“核威脅”和“核訛詐”的陰霾.

朗道同樣是一位偉大的物理學(xué)家，但卻展現(xiàn)出了典型的學(xué)閥作派. 1932年，朗道懷揣著振興蘇聯(lián)理論物理學(xué)的愿景和計(jì)劃，擔(dān)任烏克蘭物理技術(shù)所理論部主任. 朗道的學(xué)生皮亞季戈?duì)査够鶕?dān)任力學(xué)項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)人，出于對(duì)國(guó)家發(fā)展利益的考慮，在雷達(dá)項(xiàng)目上對(duì)朗道的“侍從武官”科列茲提供了不利證詞，招致朗道對(duì)其長(zhǎng)達(dá)20年的學(xué)術(shù)打壓. 朗道的這種學(xué)閥作派處事風(fēng)格，使得其學(xué)派內(nèi)的學(xué)生不得不完全服從他的安排和要求[14]，這充分說明了朗道缺乏人文精神的人格特質(zhì).

3 物理學(xué)科本質(zhì)研究的啟示

3.1 物理學(xué)科本質(zhì)的研究需要依據(jù)理論的支撐與啟迪

物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素作為一種理論建構(gòu)，需要遵循理論建構(gòu)的基本要求. 哥德爾定理表明：一種足夠豐富和論證完備的理論，是不能由它本身，或者比它更“弱”的手段來證明其自身的無矛盾性；理論體系如果只依靠自身手段為工具證明自身，必定會(huì)導(dǎo)出一些難以判斷其真?zhèn)蔚南盗忻}. 由于任何理論體系就其自身而言總是不完備的，因此若要證明自身的無矛盾性就必須跳出其中，借助比它更完善或者更“強(qiáng)”的理論來完成證明[15]. 在這個(gè)意義上，缺乏堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的物理學(xué)科本質(zhì)研究，很難給出正確的物理學(xué)科本質(zhì)要素.

有研究認(rèn)為，物理學(xué)科本質(zhì)包括物理現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)，物理概念、定律及理論，物理學(xué)應(yīng)用及物理學(xué)發(fā)展過程中所形成的方法和思維方式[16]. 這就自然而然地會(huì)導(dǎo)出以下疑問：物理學(xué)科本質(zhì)為什么是這樣幾個(gè)構(gòu)成要素？得到這些構(gòu)成要素的依據(jù)是什么？作者對(duì)此沒有給出原因與解釋. 相比而言，本文明確地說明了物理學(xué)科本質(zhì)構(gòu)成要素是基于物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型、物理學(xué)科核心素養(yǎng)層級(jí)模型以及核心素養(yǎng)理論而建構(gòu)的，從而使所建構(gòu)的物理學(xué)科本質(zhì)要素具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ).

3.2 物理學(xué)科本質(zhì)的研究需要關(guān)注數(shù)學(xué)的價(jià)值與作用

把數(shù)學(xué)作為物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素，同樣是基于物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型. 將數(shù)學(xué)納入物理學(xué)科本質(zhì)的要素之中，在物理學(xué)科本質(zhì)的研究中具有重要的價(jià)值與意義.

長(zhǎng)期以來，人們往往把數(shù)學(xué)作為物理學(xué)研究與教學(xué)的工具或基礎(chǔ)，但沒有把數(shù)學(xué)看作是物理學(xué)的一部分. 楊振寧教授曾說[17]：20世紀(jì)物理學(xué)中基本概念的發(fā)展已經(jīng)納入了數(shù)學(xué)框架，如表1所示. 不難發(fā)現(xiàn)，每個(gè)物理學(xué)理論的背后都隱藏著與之對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)形式，可以說沒有數(shù)學(xué)，物理學(xué)的發(fā)展就寸步難行.

表1 物理學(xué)概念與數(shù)學(xué)框架的對(duì)應(yīng)關(guān)系

把數(shù)學(xué)作為物理學(xué)科本質(zhì)構(gòu)成要素的意義還在于，已經(jīng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》以培養(yǎng)“全面發(fā)展的人”為核心，包括文化基礎(chǔ)、自主發(fā)展、社會(huì)參與3個(gè)方面，綜合表現(xiàn)為人文底蘊(yùn)、科學(xué)精神等六大素養(yǎng)，并具體細(xì)化為國(guó)家認(rèn)同的18個(gè)基本要點(diǎn)，但這些基本要點(diǎn)中并未包含數(shù)學(xué)素養(yǎng). 因此，把數(shù)學(xué)作為物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素，不僅有助于物理學(xué)科本質(zhì)本身的理論建構(gòu)，而且還有助于補(bǔ)充核心素養(yǎng)的構(gòu)成要素，為《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》的修訂與完善提供有益的啟示.

3.3 物理學(xué)科本質(zhì)的研究需要關(guān)注精神的價(jià)值與引領(lǐng)

物理學(xué)與文化是息息相關(guān)、密不可分的，因此，物理學(xué)科本質(zhì)的研究還需要關(guān)注精神的價(jià)值與引領(lǐng). 這是因?yàn)?，文化是人存在的根本和靈魂. 尤其是基礎(chǔ)教育，它強(qiáng)調(diào)學(xué)生能夠在學(xué)校教育中習(xí)得人文、科學(xué)等各領(lǐng)域的知識(shí)與技能，繼承并運(yùn)用人類優(yōu)秀智慧成果，陶冶內(nèi)在精神品質(zhì)，追求真善美的統(tǒng)一，發(fā)展成為有寬厚文化基礎(chǔ)與高尚精神追求的人，這就要求物理教育所培養(yǎng)出來的人要具有人文精神和人文情懷.

如前所述，無論是愛因斯坦還是朗道，他們都是在物理學(xué)發(fā)展中具有里程碑式的人物. 為何二人在處理人與人的關(guān)系時(shí)卻有著截然不同的表現(xiàn)呢？這是因?yàn)?，愛因斯坦始終認(rèn)為要站在物理學(xué)科的視域思考人與人的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)物理學(xué)科的社會(huì)價(jià)值和物理學(xué)者的社會(huì)作用. 他的人文精神主要表現(xiàn)在：具有社會(huì)責(zé)任感，熱愛和平，追求自由，主張民主，反對(duì)民族壓迫和種族歧視等. 而朗道則依仗自己的學(xué)術(shù)權(quán)威地位，做出既損人又不利己的事情，以至遭到后人非議，其根本原因在于缺乏人文精神. 即使是在今天，校園里仍然存在著類似于朗道那樣的欺凌現(xiàn)象[18]，這就充分說明，在物理學(xué)科本質(zhì)教育教學(xué)中融入科學(xué)精神與人文精神是十分必要的.

4 結(jié)束語

基于物理學(xué)三維結(jié)構(gòu)模型、核心素養(yǎng)理論以及物理核心素養(yǎng)理論，本文給出了物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素，即物理知識(shí)、物理方法、物理思想、物理觀念、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)、科學(xué)精神與人文精神，并對(duì)這些構(gòu)成要素進(jìn)行了深度分析. 物理學(xué)科本質(zhì)的構(gòu)成要素不僅為物理學(xué)科本質(zhì)的研究提供了新的視角，而且為在物理教育教學(xué)中發(fā)展學(xué)生的物理核心素養(yǎng)開辟了新的途徑.