物理觀念的演進與教學(xué)啟示

蔡鐵權(quán) 鄭瑤

摘 要：物理學(xué)的發(fā)展可以追溯到古希臘的亞里士多德，近代物理學(xué)從哥白尼提出“日心說”肇始，經(jīng)過伽利略時代，到牛頓、麥克斯韋時期，經(jīng)典物理學(xué)形成完整的體系。20世紀(jì)初普朗克提出量子論，愛因斯坦提出相對論，開啟了現(xiàn)代物理學(xué)的時代，一直到當(dāng)代的霍金。物理觀念在這一漫長的過程中也不斷地演化和變革，顯示出它的歷史性和復(fù)雜性。物理觀念成為我國新一輪基礎(chǔ)教育課程改革中物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，而物理觀念的歷史演進過程給我們提供了多方面的教學(xué)啟示。

關(guān)鍵詞：課程改革；核心素養(yǎng)；物理觀念；教學(xué)啟示

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）12-0004-4

20世紀(jì)是物理學(xué)的世紀(jì)，物理學(xué)在20世紀(jì)取得了突破性的進展，改變了世界，也改變了人們對世界的認(rèn)識。今天的物理學(xué)同常識日益疏遠(yuǎn)，是一種對科學(xué)家和公眾都可能產(chǎn)生災(zāi)難性后果的疏遠(yuǎn)。近代物理學(xué)離世俗男女已經(jīng)非常遙遠(yuǎn)了[1]。但是，物理學(xué)中的理論概念，往往與日常概念有密切的關(guān)系，很多都起源于常識概念。從古希臘到21世紀(jì)，從阿基米德到霍金，物理學(xué)的變化翻天覆地，反映人們對物理世界認(rèn)識的物理觀念也發(fā)生了根本的變革。我們先以運動觀念為例，簡述它的歷史演進過程，然后對經(jīng)典物理觀念的特點進行歸納；與這些特點相對應(yīng)，揭示了現(xiàn)代物理觀念如何突破。由此表明，物理觀念是一個歷史的、發(fā)展的、變化的概念，是復(fù)雜的、多元的、多層次的概念。結(jié)合物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，我們提出自己的一些認(rèn)識和教學(xué)建議。

1 運動觀念的歷史演進——一個案例

我們先追溯到古希臘，簡述一下自亞里士多德以來的運動觀念。亞里士多德對運動的定義意指所有種類的變化。理解亞里士多德運動理論的最好方式是把握它的兩個基本原理，第一個基本原理是運動從來不是自發(fā)的，沒有推動者就沒有運動；第二個基本原理是兩種運動的區(qū)分，運動物體朝向自然位置的運動是“自然”運動，而朝著任何其他方向的運動只有在外力強制下才會發(fā)生，因而是一種“受迫”運動[2]。而伽利略認(rèn)為，沒有自然運動，進一步，也沒有受迫運動。伽利略認(rèn)為，亞里士多德對運動的區(qū)分是不可接受的，他認(rèn)為自然運動和受迫運動之間可以互相轉(zhuǎn)換。拋向空中的球會返回；沿著一個斜面下滑的球會沿著對面的斜面上滾；單擺的擺錘在達(dá)到運動中的最低點時不會停止，而是上升，然后再下降；而且，如果有一個洞可以穿過整個地球，那么一個拋出的石塊，在洞中不會在地球的中心停止，而是會再上升到對面的地球表面[3]。牛頓的世界觀是由物質(zhì)、運動、空間和引力組成的。牛頓的運動觀念是支配無限宇宙的運動滿足同一套定律：它使蘋果落到地上，也使行星繞著太陽旋轉(zhuǎn)。不僅如此，同樣的定律不僅可以解釋天體運動的統(tǒng)一模式，而且還可以解釋個體間的差異；不僅可以解釋規(guī)則性，而且還可以解釋不規(guī)則性（不對等性）。困擾了精明的天文學(xué)家和物理學(xué)家多少世紀(jì)的全部現(xiàn)象（比如潮汐），似乎都是同一些基本定律組合的結(jié)果[4]。在牛頓的絕對時空觀里，空間與物質(zhì)不同，它是獨立的，即空間與物質(zhì)是二分的，所有的運動都在這個空間中發(fā)生，空間是所有物體運動的參考背景，這來源于笛卡爾坐標(biāo)系的概念，也是牛頓力學(xué)世界觀（Mechanical view of world）的表現(xiàn)。到了現(xiàn)代科學(xué)，這種觀念當(dāng)然不能平移過去了。然而，這種觀念的重大變革都只能是逐漸發(fā)生的，正如庫恩所指出的，哥白尼的《天球運行論》，牛頓的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》，以不同的方式帶來了革命，但任何個人能夠做出的革新范圍必定是有限的，因為每個個人在研究中都必定要使用他在傳統(tǒng)的教育中學(xué)來的工具，而他窮其一生也不可能把這些工具全部更換[5]。到了20世紀(jì)，相對論描述的高速運動和量子力學(xué)描述的微觀粒子的運動，和經(jīng)典物理描述的物體運動又根本不是一樣的。

2 經(jīng)典物理觀念的特點

我們先簡略地介紹經(jīng)典物理觀念的特點，以和現(xiàn)代物理觀念的突破進行對照。

以牛頓理論為核心的經(jīng)典物理體系，形成了以力學(xué)世界觀為特征的科學(xué)范式，是經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展的思維方法的核心內(nèi)容。如熱力學(xué)定律的建立架設(shè)了力學(xué)和熱學(xué)之間的橋梁，焦耳定律的得出和能量守恒定律的確立，認(rèn)識到熱學(xué)過程和力學(xué)過程是統(tǒng)一的。法拉第建立了“場”的概念，麥克斯韋由此建立了場的力學(xué)模型，形成了“光的電磁理論”。這些都是在牛頓力學(xué)框架下，以力學(xué)解釋綱領(lǐng)為核心導(dǎo)致的物理學(xué)的進步。

以這樣的框架所構(gòu)建的經(jīng)典物理體系，形成了這些基本觀念：牛頓的絕對空間、絕對時間和絕對運動，排除了任何主體觀察的參照系，沒有任何主體活動的、參與的、純客觀描述的動力學(xué)世界。

根據(jù)牛頓的動力學(xué)方程，可以從物體的初始運動狀態(tài)準(zhǔn)確地計算出在此之前或以后的任一時刻的運動狀態(tài)，這些運動狀態(tài)之間具有確定的、必然的因果聯(lián)系，這樣，事物的發(fā)展過程是必然的、唯一確定的，因而也是可逆的。這種以因果性為核心的指導(dǎo)思想和方法論原則，形成了嚴(yán)格決定論觀念。

認(rèn)為事物的整體是由其各個部分累加組成的，分別知道了各個隔離的組成部分，再由這些部分的累加而構(gòu)成了事物的整體，否定了部分之間的相互關(guān)聯(lián)和影響，認(rèn)為描述系統(tǒng)內(nèi)各部分的行為的關(guān)系式是線性的。

機械還原論是經(jīng)典物理學(xué)家普遍的觀念，認(rèn)為物理學(xué)的任務(wù)就在于把自然現(xiàn)象歸結(jié)為簡單的力學(xué)定律，科學(xué)家的工作就是找到對各種自然現(xiàn)象的合理的力學(xué)解釋，世界的多樣性和紛繁復(fù)雜只是一種表面假象。

宇宙學(xué)也將宇宙作為整體的結(jié)構(gòu)，研究其成分、演化與起源，牛頓依據(jù)他的力學(xué)規(guī)律建立了靜態(tài)宇宙模型，等等。

3 現(xiàn)代物理觀念的突破

20世紀(jì)一開始，就發(fā)生了物理學(xué)的兩大革命，不但徹底改變了世界的科學(xué)圖景，而且從根本上改變了科學(xué)家的思維方式，同時也改變了人們對概念的使用、對世界的看法、對科學(xué)的認(rèn)識和對理論的理解。物理觀念發(fā)生了深刻的變革。

愛因斯坦顛覆了牛頓的絕對時空觀，將對運動的認(rèn)識發(fā)展到了一個全新的階段。狹義相對論將時間、空間和運動、參考系聯(lián)系起來，這意味著，并沒有一個獨特的優(yōu)越的視角判斷事物是否真正運動，相反，不同參考系中的觀測都是真的。當(dāng)物體運動的速度接近光速時，“同時的相對性”將明顯地表現(xiàn)出來，認(rèn)識到這一點，“動鐘變慢”“動尺縮短”等效應(yīng)就變得比較容易理解了。在廣義相對論中，物體受到的引力與物體加速時受到的力是等價的，引力本身是時空結(jié)構(gòu)中的蜷曲，物質(zhì)使空間發(fā)生蜷曲，而蜷曲又使物質(zhì)移動，從而進一步使空間彎曲，而彎曲的時空又會反過來影響物質(zhì)的運動。廣義相對論將時空、物質(zhì)、能量、引力場聯(lián)系在一起，描述了一幅生動的自然圖景，是人類認(rèn)識史上的一次飛躍。

20世紀(jì)的物理學(xué)，由于相對論和量子論的提出，物理觀念產(chǎn)生了革命性的演化。

愛因斯坦的相對論從根本上否定了牛頓理論“純客觀性”的絕對參考系，同時把觀察者引入到物理理論的描述之中。同一事件的進程，相對于不同的參考系有不同的時空屬性，描述的變換要遵循同觀察者參考系緊密聯(lián)系的洛倫茲變換，洛倫茲變換與以絕對時空為背景的伽利略變換的區(qū)別不僅在數(shù)學(xué)形式上，而且在物理觀念上。伽利略變換是任意兩個慣性系之間的變換，其中v是兩個慣性系之間的相對速度。愛因斯坦從“相對性原理”和“光速不變原理”出發(fā)，在不知道洛倫茲等人工作的情況下獨立地導(dǎo)出了洛倫茲的變換公式，他認(rèn)為根本不存在絕對空間和靜止的以太，因此，在洛倫茲變換公式中，洛倫茲變換只是任意兩個慣性系之間的變換，v是兩個慣性系之間的相對速度。正是愛因斯坦在兩個基本觀念（“相對性原理”和“光速不變原理”）上同時實現(xiàn)了突破，才有了相對論新理論的創(chuàng)立。在量子力學(xué)中，人的活動也融入了量子力學(xué)的原理，正是由于主體的觀測手段與觀察對象相互作用的結(jié)果，才導(dǎo)致海森伯的不確定性原理。在量子力學(xué)任何一個可觀察量的集合中，總有某個可觀察量無法精確測量。因而就無法如經(jīng)典物理那樣由初始條件和理論來精確預(yù)言物質(zhì)的時空演化了，于是大自然在原則上具有不可精確預(yù)測性，本質(zhì)上是不確定的。但不確定性并非因為測量手段不夠精準(zhǔn)，而是量子的本性，經(jīng)典意義上的決定論幾乎被徹底否決了。

“嚴(yán)格決定論”也否定了“隨機性”的實在意義，而19世紀(jì)熱力學(xué)和統(tǒng)計物理學(xué)中的熱力學(xué)第二定律及熵概念的提出，引進了幾率概念，給不可逆過程作出了統(tǒng)計的說明，這對嚴(yán)格決定論發(fā)起了嚴(yán)重的沖擊。20世紀(jì)量子力學(xué)的理論是幾率的、統(tǒng)計性的，薛定諤方程的波函數(shù)只能是幾率波。20世紀(jì)70年代，發(fā)現(xiàn)了氣象混沌的蝴蝶效應(yīng)的洛倫茲及其他科學(xué)家發(fā)展了混沌科學(xué)，揭示了服從因果決定的事物存在著內(nèi)在隨機性，這是客觀事物自身的一種屬性。而在20世紀(jì)80年代后蓬勃發(fā)展的量子信息論表明，對具備量子糾纏特征的兩個系統(tǒng)中的其中一個進行測量，將對另一個造成決定性的影響，這一特征顯然無法歸入任何一種因果關(guān)系的框架之中，到此，因果性被完全地否定了。

作為嚴(yán)密自然科學(xué)代表的物理學(xué)，其發(fā)展長期與關(guān)于有機體進化的科學(xué)不相容，這似乎是一個悖論。1944年，薛定諤出版了名著《生命是什么》，推動了物理學(xué)家研究生命現(xiàn)象及其進化。不久，普里高津在60年代末建立了耗散結(jié)構(gòu)理論，哈肯構(gòu)建了協(xié)同論，這些有關(guān)系統(tǒng)的組織，即系統(tǒng)進化機制的理論，表明物理世界是一個演化的世界，進化的世界，系統(tǒng)在存在負(fù)熵的情況下可以從混沌走向有序，物質(zhì)運動的過去、現(xiàn)在、將來是不一樣的，時間之箭是有方向的。

自組織理論、混沌理論表明物理世界并不是簡單性的世界，它內(nèi)含著演化的自組織過程和復(fù)雜的混沌行為。非線性、非平衡、不穩(wěn)定性、漲落、分岔、混沌等，成為物理學(xué)狀態(tài)的描述概念，探索物理學(xué)的復(fù)雜性成為引導(dǎo)人們認(rèn)識物理學(xué)的新的航標(biāo)。

人們從廣義相對論開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)，今天，膨脹宇宙模型已被學(xué)術(shù)界普遍接受，可以肯定，宇宙是無界的。一些天文觀測證據(jù)表明，宇宙現(xiàn)在正在加速膨脹，人們正試圖用暗物質(zhì)和暗能量來解釋宇宙膨脹為何有“加速階段”。20世紀(jì)60年代以后，黑洞的觀念被相對論界普遍接受，目前認(rèn)為，真實的黑洞過程不會保證信息守恒，但也可能會有部分信息從黑洞中泄露出來或殘留到最后[6]。莫蘭提出了相對于簡單性的復(fù)雜性形式應(yīng)該具有的特性原則，對兩者作出了全面的比照[7]。今天，靜態(tài)宇宙模型已經(jīng)被淘汰，宇宙和生物界、人類一樣是發(fā)展變化的。

4 物理觀念演進歷史的教學(xué)啟示

綜上所述，物理觀念是變化的、發(fā)展的，物理觀念是復(fù)雜的，不同的歷史時期，反映出物理觀念發(fā)展的階段性；物理觀念是深刻地認(rèn)識物理學(xué)的要素，是物理學(xué)本質(zhì)的重要組成部分，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)，是形成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）解讀》[8]指出：“通過高中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生深入理解力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等經(jīng)典物理的概念和規(guī)律，逐步形成經(jīng)典物理的物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題；了解相對論和量子力學(xué)等現(xiàn)代物理的概念與規(guī)律，初步形成現(xiàn)代物理的物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念、能量觀念等，并能用這些觀念描述自然界的圖景?！闭n標(biāo)清晰地指出了經(jīng)典物理觀念和現(xiàn)代物理觀念的區(qū)別，也明確規(guī)定高中物理教育中學(xué)習(xí)物理觀念的不同要求，由于物理觀念在不同的物理學(xué)歷史發(fā)展時期表現(xiàn)出不同的特點，尤其是現(xiàn)代物理觀念實現(xiàn)了對經(jīng)典物理觀念革命性的突破，即在高中物理學(xué)習(xí)的不同內(nèi)容、不同階段，對應(yīng)的是同一個物理觀念（例如運動觀念），或者說一個物理觀念的形成是多個內(nèi)容，幾個階段，并且是通過大量概念和規(guī)律的理解，逐步形成的，而且其對應(yīng)的物理觀念又是在不斷變化和發(fā)展的。這樣，高中物理教育中物理觀念的養(yǎng)成必須根據(jù)不同歷史階段所表現(xiàn)出來的特點實施教學(xué)。

我們在上一篇文章中已對物理觀念的物理教育價值作出了論述，在物理教學(xué)過程中，要體現(xiàn)這種教育價值?，F(xiàn)在根據(jù)物理觀念歷史演進的特征，對養(yǎng)成物理觀念的高中物理教學(xué)提出幾點建議。

1.按照《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對物理觀念的水平劃分，確定具體物理內(nèi)容所對應(yīng)的物理觀念和所能達(dá)到的水平，闡明教學(xué)目標(biāo)（具體的闡明方式在以后文章中論述）。物理教學(xué)的推進過程是物理觀念的形成和發(fā)展的進階。

2.在形成和理解物理概念、規(guī)律、原理和理論時，要為形成整體的物理觀念打好基礎(chǔ)，其目標(biāo)的指向在于物理觀念。物理概念、規(guī)律、原理和理論是物理觀念形成的載體，物理觀念是前者的終極目標(biāo)。這種形成也是一個漸進的過程，既有歷史的階段性，又有整體的完備性。

3.及時完成“解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題”以及“描述自然界圖景”的實踐。物理觀念提供引領(lǐng)知識應(yīng)用實踐的方向、方式和方法，促進學(xué)生對知識理解的深化，促使知識向能力和品格的轉(zhuǎn)化，在實踐中逐步深化對相關(guān)物理觀念的認(rèn)識和理解。實踐應(yīng)用在不同的階段上應(yīng)該有不同的應(yīng)用方式和應(yīng)用水平的區(qū)分，不可能一蹴而就，也不可能停滯不前，要循序漸進地確定實踐目標(biāo)。

4.物理觀念的建構(gòu)要符合物理學(xué)本質(zhì)、物理觀念發(fā)展的階段性和學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，避免形式主義的灌輸式傳授，物理觀念應(yīng)內(nèi)化為學(xué)生的科學(xué)思想、科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度。

5.教師對物理觀念要有全面的認(rèn)識和深刻的理解，尤其是對現(xiàn)代物理觀念的理解和把握，要正確處理經(jīng)典物理觀念和現(xiàn)代物理觀念之間的關(guān)系，正確區(qū)分不同歷史階段對同一物理觀念的認(rèn)識特點，既不違背歷史發(fā)展的規(guī)律，體現(xiàn)一定歷史階段物理觀念所反映的特征，又為物理觀念的進一步演化和變革留下空間，物理觀念的形成過程是開放的系統(tǒng)，是進階式的前行。

6.要培養(yǎng)學(xué)生形成物理觀念的強烈意識，在學(xué)習(xí)物理學(xué)內(nèi)容時，主動關(guān)注其中的物理觀念；培養(yǎng)歸納、概括并升華物理概念、規(guī)律、原理和理論成為物理觀念的能力；逐步養(yǎng)成應(yīng)用物理觀念去分析、解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的能力；提高學(xué)生在整體上認(rèn)識和把握物質(zhì)世界的水平，最終達(dá)到養(yǎng)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

5 結(jié) 語

物理學(xué)的發(fā)展歷史悠久，現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展又突飛猛進，物理學(xué)的成果日益改變了人們對物理世界以至整個自然界圖景的認(rèn)識，日益改變了人們對事物和自然的認(rèn)識的觀點，物理觀念是這種認(rèn)識和觀點的集中體現(xiàn)。我們對物理觀念的這種特點作出了分析，由此對物理觀念形成的物理教學(xué)提出了初步的思考。我國新一輪基礎(chǔ)教育課程改革已經(jīng)全面啟動，核心素養(yǎng)成為這次課改的主旋律，物理觀念是重要的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，物理觀念的教學(xué)必須引起我們的關(guān)注、重視和研究。

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（欄目編輯 趙保鋼）