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1、什么是物理
這是一個(gè)十分基礎(chǔ)的問題.翻開任何一本物理教科書,都不難找到這樣的定義：物理學(xué)是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)相互作用和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自然科學(xué).但這只是對于物理這門科學(xué)在學(xué)術(shù)意義上的一種界定.而我們所面對的“物理”,它同時(shí)又是一門課程,于是就有必要從教育意義的層面上去進(jìn)行一番再認(rèn)識(shí)、再分析,以挖掘蘊(yùn)含在其中的豐富內(nèi)涵.
首先,物理是一門科學(xué).
物理學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué),它是發(fā)展最成熟、高度定量化的精密科學(xué),又是具有方法論性質(zhì)、被人們公認(rèn)為最重要的基礎(chǔ)科學(xué).物理學(xué)取得的成果極大地豐富了人們對物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí),有力地促進(jìn)了人類文明的進(jìn)步.正如國際純粹物理和應(yīng)用物理聯(lián)合會(huì)第23屆代表大會(huì)的決議《物理學(xué)對社會(huì)的重要性》指出的,物理學(xué)是一項(xiàng)國際事業(yè),它對人類未來的進(jìn)步起著關(guān)鍵性的作用：探索自然,驅(qū)動(dòng)技術(shù),改善生活以及培養(yǎng)人才.
上世紀(jì)初相對論和量子力學(xué)的建立,為物理學(xué)的飛速發(fā)展插上了雙翅,取得了空前輝煌的成就,以致于人們將20世紀(jì)稱譽(yù)為“物理學(xué)的世紀(jì)”.什么21世紀(jì)呢?有一種流行的說法：21世紀(jì)是生命科學(xué)的世紀(jì).其實(shí),這句話更確切的表述應(yīng)該是：21世紀(jì)是物理科學(xué)全面介入生命科學(xué)的世紀(jì).生命科學(xué)只有與物理相結(jié)合,才有可能取得更大的發(fā)展.
展望物理學(xué)的未來,充滿著機(jī)遇與挑戰(zhàn).李政道先生在《物理的挑戰(zhàn)》一文中,曾提出21世紀(jì)物理領(lǐng)域所面對的四大難題：為什么一些物理現(xiàn)象在理論上對稱但實(shí)驗(yàn)結(jié)果不對稱?為什么一半的基本粒子不能單獨(dú)存在而且看不見?為什么全宇宙90%以上的物質(zhì)是暗物質(zhì)?為什么每個(gè)類星體的能量竟然是太陽能量的1015倍?這些問題極大地激勵(lì)著人們不懈探索的勇氣與熱情.可以預(yù)見,一旦撥去這幾朵籠罩在物理天空中的烏云,物理學(xué)將會(huì)展現(xiàn)出更加燦爛的前景.
其次,物理又是一種智能.
誠如諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、德國科學(xué)家玻恩所言：“如其說是因?yàn)槲野l(fā)表的工作里包含了一個(gè)自然現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),倒不如說是因?yàn)槟抢锇艘粋€(gè)關(guān)于自然現(xiàn)象的科學(xué)思想方法基礎(chǔ).”物理學(xué)之所以被人們公認(rèn)為一門重要的科學(xué),不僅僅在于它對客觀世界的規(guī)律作出了深刻的揭示,還因?yàn)樗诎l(fā)展、成長的過程中,形成了一整套獨(dú)特而卓有成效的思想方法體系.正因?yàn)槿绱?使得物理學(xué)當(dāng)之無愧地成了人類智能的結(jié)晶,文明的瑰寶.
大量事實(shí)表明,物理思想與方法不僅對物理學(xué)本身有價(jià)值,而且對整個(gè)自然科學(xué),乃至社會(huì)科學(xué)的發(fā)展都有著重要的貢獻(xiàn).有人統(tǒng)計(jì)過,自20世紀(jì)中葉以來,在諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)、生物及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)咧?有一半以上的人具有物理學(xué)的背景；——這意味著他們從物理學(xué)中汲取了智能,轉(zhuǎn)而在非物理領(lǐng)域里獲得了成功.——反過來,卻從未發(fā)現(xiàn)有非物理專業(yè)出身的科學(xué)家問鼎諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的事例.這就是物理智能的力量.難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養(yǎng)的民族是愚蠢的民族!
當(dāng)今,物理學(xué)的觸角已經(jīng)伸向眾多領(lǐng)域,并取得了越來越大的成就,以至我們很難再用傳統(tǒng)的眼光去界分什么是物理學(xué)了.1995年在我國廈門舉行了第十九屆國際統(tǒng)計(jì)物理學(xué)大會(huì),會(huì)上交流論文的涉及面十分廣泛,諸如植物的花序、DNA藥物系統(tǒng)、交通的流量、文字的存儲(chǔ)等等,光看這些篇目,似乎都不太象是物理.什么,究竟什么是物理呢?幾年前,美國《今日物理》雜志,曾就此問題向讀者廣泛征求意見.最后,他們推崇的答案是：物理學(xué)家所做的就是物理學(xué).這話乍聽似覺偏頗,其實(shí)不無道理.因?yàn)樵诮裉炜磥?物理學(xué)更多的是體現(xiàn)出一種智能,“代表著一套獲取知識(shí)、組織和應(yīng)用知識(shí)的有效步驟和方法,把這套方法用到什么問題上,這問題就變成了物理學(xué).”（趙凱華語）
再次,物理還是一種文化.
從廣義來說,文化指的是人類歷史實(shí)踐過程中創(chuàng)造的物質(zhì)財(cái)富和精神財(cái)富的總和.它包括科學(xué)文化和人文文化.同樣地,物理學(xué)家在長期科學(xué)實(shí)踐中所創(chuàng)造的大量物質(zhì)產(chǎn)品與精神產(chǎn)品,也就構(gòu)成了物理文化.物理文化是科學(xué)文化的重要組成部分.
大家知道,物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué),它的基本研究方式就是實(shí)踐,因而在客觀性上表現(xiàn)為“真”；物理學(xué)創(chuàng)造的成果最終是為了造福于人類,它在目的性上體現(xiàn)出“善”；另外,物理學(xué)還在人的情感、意識(shí)等多方面反映了“美”.正因?yàn)槲锢韺W(xué)本身兼具真、善、美的三重屬性,我們完全有理由說,物理不僅是一種文化,而且是一種高層次、高品位的文化.
物理學(xué)是求真的.物理最講究實(shí)證,物理學(xué)家在科學(xué)研究活動(dòng)中最基本的態(tài)度就是實(shí)事求是,堅(jiān)守“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理唯一標(biāo)準(zhǔn)”的原則.正如物理學(xué)家費(fèi)曼所說：“不論你的想法有多美,不論你什么聰明,更不論你名氣有多大,只要與實(shí)驗(yàn)不符便是錯(cuò)了,簡簡單單,這就是科學(xué)”.可以說,物理學(xué)的發(fā)展史,就是一部不斷修正錯(cuò)誤、不斷逼近真理的“求真”史.
物理學(xué)是從善的.物理學(xué)致力于將人從自然中解放出來,從必然王國走向自由王國,幫助人們不斷認(rèn)識(shí)自己,促使人的生活趨于高尚.這是物理學(xué)的價(jià)值取向和終極目標(biāo),因而物理學(xué)的本質(zhì)是從善的；另外,物理學(xué)家的行為也是從善的.愛因斯坦曾這樣評價(jià)居里夫人和以她為代表的杰出物理學(xué)家：“第一流人物對時(shí)代和歷史進(jìn)程的意義,在其道德方面,也許比單純的才智成就更大”.他們那種嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度、獻(xiàn)身科學(xué)的精神,熱愛人民的情懷等等,對于后人無疑是一份尤為珍貴的人文財(cái)富.
物理學(xué)是至美的.德國物理學(xué)家海森伯說過：美是真理的光輝；羅馬哲學(xué)家普洛丁又說過：善是美的本原.由此,物理學(xué)因真而美、因善而美就是十分自然的了.物理的美屬于科學(xué)美,主要體現(xiàn)于簡單、對稱和統(tǒng)一；對稱則統(tǒng)一,統(tǒng)一則簡單,它們構(gòu)成了物理學(xué)的基本美學(xué)準(zhǔn)則.
翻開物理學(xué)的篇章,可以發(fā)現(xiàn)到處都跳動(dòng)著美的音符,體現(xiàn)了人們對美的追求與創(chuàng)造.僅以統(tǒng)一性為例.當(dāng)代物理學(xué)的發(fā)展,正朝著兩個(gè)相反的研究方向延伸：最宏大的宇宙與最微小的粒子.令人感到驚訝的是,隨著研究的深入,它們兩者并非是分道揚(yáng)鑣、越走越遠(yuǎn),反倒顯示出不少殊途同歸、相反相成的跡象.例如,粒子物理學(xué)的一些研究成果常被天體物理學(xué)家所借鑒,用來探尋宇宙早期演化的圖象；(正由于此,粒子物理學(xué)在某種意義上也被稱為“宇宙考古學(xué)”.) 反過來,宇宙物理學(xué)的研究也為粒子物理學(xué)家提供了豐實(shí)的信息與印證.于是,物理學(xué)中兩個(gè)截然相反的分支,就這般奇妙地銜接在了一起——猶如一條怪蟒咬住了自己的尾巴.
又如,英國物理學(xué)家狹拉克首先發(fā)現(xiàn),在自然界的某些物理量之間存在著下列引人注目的關(guān)系：
宇宙半徑/電子半徑≈1040,宇宙年齡/強(qiáng)衰變粒子壽命≈1040,
氫核與電子的電力/氫核與電子的引力≈1040,……
在上述比數(shù)中,宇宙這個(gè)最大的系統(tǒng),與基本粒子這個(gè)最小系統(tǒng)之間,竟然珠聯(lián)璧合達(dá)到了如此完美的統(tǒng)一,讓我們再次領(lǐng)略到了物理世界的美,一種動(dòng)人心弦的壯麗的美.正是這許多美不勝收的事例,激發(fā)起人們對大自然由衷的贊嘆與敬畏,難怪愛因斯坦會(huì)說：“宇宙間最不可理解的,就是宇宙是可以理解的”.
通過以上分析,我們對于物理有了一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)：它既是一門科學(xué),又是一種智能,更是一種文化.作為一名物理教師,能對自己所任教的物理作一番全方位的審視與剖析,這是十分必要的.一方面可使我們看到,物理原來有著如此豐富的的內(nèi)涵,從而會(huì)更自覺、有意識(shí)的去挖掘和開發(fā)它的育人功能,全面提升教學(xué)質(zhì)量；另一方面又使我們看到,物理原來有著如此美好的稟性,從而會(huì)更加鐘愛物理,更有激情地去從事物理教學(xué).我以為,只有真正熱愛物理的物理教師,才能做到不僅教會(huì)學(xué)生理解物理、應(yīng)用物理,而且還進(jìn)一步引導(dǎo)他們?nèi)ジ形蛭锢?、欣賞物理.
二、為什么教物理
這是一個(gè)看似簡單卻又十分根本的問題,要正確回答并非易事.筆者對此問題的認(rèn)識(shí),就經(jīng)歷過從“知識(shí)本位”到“學(xué)科本位”,最后又回歸到“學(xué)生本位”這樣一個(gè)曲折漸進(jìn)的過程.
有很長一段時(shí)期,我都把物理教學(xué)的目標(biāo)鎖定在知識(shí)層面上,認(rèn)為教物理就是要把物理知識(shí)盡可能多地傳授給學(xué)生,以供他們今后一生的受用.因?yàn)槲倚欧睢爸R(shí)就是力量”.然而令人困惑的是,我們授予學(xué)生什么多的物理知識(shí),其中不乏象“F=ma”這類極其重要的知識(shí),但在他們往后的生活和工作中,卻很少顯示出有什么直接的功用.以至過了若干年后,許多學(xué)生把所學(xué)的物理知識(shí)幾乎忘得一干二凈,用他們的話說,“全部都還給老師了”.我為此感到深深的失落；但每當(dāng)我向他們提出“高中三年豈不白讀了”的反詰時(shí),這些離開學(xué)校多年的學(xué)生,卻又都會(huì)異口同聲地作出否定的回答,一致認(rèn)為高中階段的學(xué)習(xí),對于他們的成長起到了重要的奠基作用,可又說不清究竟是哪些具體知識(shí)所起的作用.我想,這大概好比晚飯,誰都不會(huì)否認(rèn)吃飯對于生存的意義,然而誰又都說不清楚,吃了這頓飯究竟是在身上的什么地方長了塊肉.
一位畢業(yè)已有二十余年的學(xué)生,曾與筆者聊起他“印象最深”的一堂物理課.原來那堂課講的是重力勢能.當(dāng)時(shí)為了說明重力勢能的相對性,我曾向?qū)W生提出過這樣的問題：有人站在五樓的窗臺(tái)上要往下跳,你說危險(xiǎn)嗎?開始大家都認(rèn)為這太玩命了,后來仔細(xì)一琢磨,又全都樂了：你別往窗外跳,往窗里跳不就沒事了嗎?這位學(xué)生覺得這個(gè)例子特有意思,于是經(jīng)久不忘；但問他該例說明了什么物理知識(shí)時(shí),他說忘了.正當(dāng)我面露憾色時(shí),他緊接著的一番話卻令人寬慰,他說：“這個(gè)例子使我懂得凡事都是相對的,從不同角度看會(huì)有不同的結(jié)果”.盡管這堂課所傳授的物理知識(shí),這位學(xué)生已經(jīng)遺忘殆盡,但通過有關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)而凝煉成的思想、方法等,卻在他的心里銘刻上深深的印記.從這個(gè)意義上說,二十多年前的這堂物理課,對他不也是極有價(jià)值的嗎?學(xué)生從高中畢業(yè)后,他們中的大多數(shù)可能將告別物理,所學(xué)的物理知識(shí)終究會(huì)被忘記,到那時(shí)再回頭審視一下：物理教學(xué)留給他們的還有些什么呢?如果在他們的身上,體現(xiàn)不出物理所給予的才智與啟迪,那將是物理教學(xué)的失敗.由此看來,具體的知識(shí)通常只是作為教學(xué)的載體,在知識(shí)的背后還有更多值得我們?nèi)プ非蟮臇|西.正如我國資深科學(xué)家錢偉長教授說的：“我在大學(xué)里學(xué)的是物理學(xué),……. 以物理學(xué)為對象我學(xué)到了調(diào)查研究,收集資料,分析資料和邏輯思維的能力,物理學(xué)的知識(shí)有時(shí)是很有用的,但通過物理學(xué)學(xué)到的這些能力,比物理學(xué)知識(shí)更有用.”錢老在讀書時(shí)就是通過“物理學(xué)”這個(gè)載體,獲得了很多比物理知識(shí)更重要的能力.所以,那種將物理教學(xué)等同于物理知識(shí)教學(xué)的看法是偏面的,而以“知識(shí)本位”來確立物理教學(xué)目標(biāo)取向的做法同樣是短視的.
隨著教學(xué)實(shí)踐的深入,教師一般都會(huì)對自己所任教的學(xué)科日臻熟悉,從而格外鐘愛.可能是受了這種職業(yè)情感的影響,我還一度把物理教學(xué)的目標(biāo),定位于“將盡可能多的學(xué)生培養(yǎng)成為物理學(xué)家或物理工作者”.尤其是當(dāng)我從農(nóng)村普通中學(xué)調(diào)入重點(diǎn)高中,面對的是一個(gè)個(gè)聰穎好學(xué)的學(xué)生時(shí),這種愿望愈顯強(qiáng)烈.但我不久就發(fā)現(xiàn),其它學(xué)科的教師大概也出于各自的職業(yè)偏好,都對學(xué)生有著與我類似的期望.這樣一來,大家自掃門前雪,各唱各的調(diào),沒能將各學(xué)科的分力凝聚成一股合力,實(shí)際效果當(dāng)然就差強(qiáng)人意了.尤其令我沮喪的是,班上那些物理學(xué)習(xí)優(yōu)秀的“得意門生”,日后直接從事物理專業(yè)的竟然也少之又少.正當(dāng)我陷于迷惘之時(shí),復(fù)旦大學(xué)原校長楊福家先生的一則事例給了自己極大的啟迪.當(dāng)年復(fù)旦大學(xué)曾對核物理專業(yè)的畢業(yè)生的去向做過一次調(diào)查,結(jié)果發(fā)現(xiàn),只有不到十分之一的學(xué)生畢業(yè)后從事與核物理有關(guān)的工作,其余的都紛紛改行,活躍在金融、企業(yè)或行政等崗位上.對此,多數(shù)人都斷言這是物理系的失敗,而楊福家卻認(rèn)為這正是“復(fù)旦”的成功.因?yàn)?通過這四年本科的物理教育,使學(xué)生具備了良好的素質(zhì),為他們今后的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),于是畢業(yè)后都能很快適應(yīng)各種不同領(lǐng)域的工作.這也印證了趙凱華先生的話：“一個(gè)人學(xué)了物理之后干什么都可以,他的物理沒有白學(xué).在我看來,對于學(xué)物理的人無所謂‘改行’…….”
經(jīng)過上述曲折的認(rèn)識(shí)歷程,使我逐漸看清了物理教學(xué)最終目標(biāo)的聚焦點(diǎn),既不在知識(shí)的本位上,也不在學(xué)科的本位上,而應(yīng)該落實(shí)在我們的教育對象——學(xué)生的本位上.
對于“為什么教物理”這個(gè)問題,也可以反過來設(shè)問：“如果我們不教物理,學(xué)生不學(xué)物理,將會(huì)對他們今后的發(fā)展留下那些缺憾?”一種顯而易見的回答是,學(xué)生將因此學(xué)不到許多重要的物理知識(shí).這話沒錯(cuò),但不夠全面.因?yàn)槌酥?學(xué)生還將失去更為重要的,有關(guān)科學(xué)方法、科學(xué)精神等方面的培養(yǎng)與熏陶,從而最終影響他們的科學(xué)素養(yǎng)的提高.當(dāng)前,物理已經(jīng)深入到社會(huì)的方方面面,成為每一位有教養(yǎng)的公民都必須懂得的知識(shí).對于大多數(shù)學(xué)生來說,他今天學(xué)習(xí)物理的目的,恐怕不是為了明天去進(jìn)一步研究物理,而是有助于他去面對或決策所遇到的大量非物理的問題,為他們今后一生的文明、健康,高質(zhì)量的生活奠定基礎(chǔ).正如《面向全體美國人的科學(xué)》一書中所說的：“教育的最高目標(biāo)是為了使人們能夠過一個(gè)實(shí)現(xiàn)自我和負(fù)責(zé)任的生活作準(zhǔn)備.” 據(jù)此,對于“為什么教物理”這個(gè)問題,最確切的答案就是：為提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)而教.——這應(yīng)該成為我們的物理教學(xué)觀.
眾所周知,生物基因?qū)τ谏镞M(jìn)化有著非同小可的作用,極其細(xì)微的基因差異,往往會(huì)導(dǎo)致生物之間的巨大差別.受此啟發(fā),有不少社會(huì)學(xué)者正致力于尋求在人類文化傳承與發(fā)展過程中,有著哪些最為核心的要素,從而提出了“文化基因”的概念,并將其定義為人類文化系統(tǒng)中的“遺傳密碼”.文化基因的核心是思維方式和價(jià)值觀念.人類的進(jìn)化比一般的生物進(jìn)化更為復(fù)雜,它具有雙重進(jìn)化機(jī)制,除了生物基因進(jìn)化機(jī)制外,還有文化基因進(jìn)化機(jī)制.教育正是推動(dòng)文化基因機(jī)制的重要途徑.學(xué)校教育的要義,不只是文化現(xiàn)象的展示與詮釋,而在于文化基因的傳承和發(fā)展.物理教育當(dāng)然也不例外.什么,蘊(yùn)含在物理教學(xué)中的“文化基因”究竟有些什么呢?筆者以為主要體現(xiàn)為三個(gè)方面,即科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法和科學(xué)精神,因?yàn)檫@三者是構(gòu)成科學(xué)素養(yǎng)最基本的要素.如果將科學(xué)素養(yǎng)比擬為一座金字塔,什么科學(xué)知識(shí)猶如塔基,科學(xué)方法就是塔身,科學(xué)精神則是塔尖.物理教學(xué)的最高宗旨,就是為了構(gòu)建這座宏偉的科學(xué)素養(yǎng)之塔而添磚加瓦.換言之,物理教學(xué)的核心價(jià)值就在于促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)三個(gè)轉(zhuǎn)化：一是把人類社會(huì)積累的知識(shí)轉(zhuǎn)化為學(xué)生個(gè)體的知識(shí),使他們知識(shí)世界是什么樣的,成為一個(gè)客觀的人；二是把前人從事智力活動(dòng)的思想方法轉(zhuǎn)化為學(xué)生認(rèn)識(shí)能力,使他們明白世界為什么是這樣的,成為一個(gè)理性的人；三是把蘊(yùn)含在知識(shí)中的觀念、態(tài)度等轉(zhuǎn)化為學(xué)生的行為準(zhǔn)則,使他們懂得怎樣使世界更美好,成為一個(gè)創(chuàng)造的人。

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