物理学思想及其在中学物理教学中的渗透初探，本文主要内容关键词为：物理学论文,思想论文,中学物理论文,教学中论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
课程改革明确要求“高中物理教学旨在进一步提高学生的科学素养，从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个方面培养学生，为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础”。在高中物理教学中，可以进行哪些方法论和价值观的培养？又如何在教学中实现培养的目标？都要涉及物理学思想的教育，这是我们当前高中物理教学必须面对的问题，下面是我们多年来对这些问题研究的一点体会。
一、物理思想教育应是物理教学的重要组成部分
科学既是一种人类的知识体系，又是人类认识世界的一种方式和探索过程，是人类与自然之间的一种试探和对话。科学思想是人类在认识自然的活动中逐步形成的对自然的本性（宇宙的起源、物理的结构和运动的原因等最基本的问题）的看法和认识自然的方法的总和。科学思想是从自然科学的视角，形成的自然观和方法论。它对人类的认识活动提供指导，同时，人类认识的拓展以及自然科学的重大突破也将推动科学思想的完善和发展。作为自然科学基础的物理学，它的自然观和方法论是科学思想的核心组成部分。
完整的物理学包括物理知识（或物理学的理论体系）和物理思想（物理学的自然观和方法论）两个层面。物理知识是用文字和公式表现出来的关于物质结构和物质运动形式的诸多定律和原理（假设）构成的理论体系，它们集中反映了人类对自然界运动规律的描述；物理思想是隐藏在物理知识中的对物质世界的基本认识（自然观）以及获取物理知识的一般方法（方法论）。
物理学知识和物理思想是物理教学的一个有机整体。物理学知识和物理学中一些具体的解决问题的方法是我们中学物理教师非常清楚的，下面就中学物理教育中主要的物理思想做一简要分析。
二、中学物理教学中的主要物理思想
物理学史不仅描述了物理学发生、发展和演化的过程，而且还揭示出科学的认识论和方法论，它是我们研究物理学思想的基本资源。中学物理教学的主要内容是经典物理知识，所以我们从物理学史分析、研究经典物理学的自然观和方法论。
物理学的自然观决定了物理学的方法论，而物理学的方法论又影响着物理学的自然观。在物理学发展史上，对物理学研究起革命性作用的物理学大师们，对方法论有独特的见解，下面简析几位有代表性的物理大师的方法论思想。
1.伽利略开创了以观察和实验为物理研究基础的先河
他指出立论永远必须以观察和实验为依据，不仅要对自然进行被动的观察，而且必须在特定原理指导下进行观察（实验）。这正是为了确定某些理论概念是否与观察相符合，符合程度如何而做的实验观察，他强调观察和实验，并指出了要用思维加工“观察结果”，就是这一思想将物理学从原来以思辨为核心的哲学中分离出来，而开创了近代物理学。
2.牛顿在继承伽利略思想的基础上，创造性地提出了分析综合方法
借助分析，可从一些选定的现象中推断出自然力及支配这些力的简单定律。然后通过综合去解释其余现象的性质。牛顿的分析方法在于从实验和观察出发，用归纳法从中找出普遍结论和一般定律，其要点是实验——归纳——演绎相结合起来旨在发现定律。综合方法包括两方面，一是根据已发现的一般定律，运用公理和数学演绎法建立数学化理论；二是对理论的定理——一般定律的推论做实验检验，由此证实一般定律的真理性。由此可见，牛顿的综合方法的要点是演绎——发现——证实相结合，旨在建立理论。
在科学的发展史上，牛顿的科学发现方法论（分析综合方法）不仅推动了近代物理学的发展，而且推动了近代科学的飞速建立及发展。但是，牛顿的科学发现方法论也存在着重大缺陷，其错误地认为基本概念是从经验中归纳得到的。牛顿的方法论对二十世纪的物理学发展产生了严重的阻碍。
3.玻恩的科学方法论思想
玻恩根据自己对物理学研究的经验，提出了三条重要的方法论原则：客观化原则、可决定性原则和限制性原则。客观化原则的目的是“尽可能使观测与观察者个人无关”，其实质是“用其他人能够验证的材料代替综合的感官材料”（物理实验的结论要具有可重复性）。其依据是公共性标准，即为众人所共有的，能够在众人中加以传达和检验，而与个人无关的感官印象。在具体研究的应用中主要是用来获取可靠的实验或经验结果，为形成新概念，建立新理论做感性认识的准备。在观察、实验等操作活动的直接结果中获得经验层次的认识之后，就用可决定性原则来进行思维加工。可决定性原则的实质是在建立的新理论、新概念中，只运用那些可观察量（可测量）。为确证理论或概念是否反映或在多大程度上反映了真实对象的性质和规律，就要应用限制性原则（理论或概念必须与实验或经验事实相容，即用实验或经验事实来对多种可能的理论或概念进行选择）。它规定着理论与客观对象等值的程度，确定着一个具体的认识过程和对自然的认识程度。
4.爱因斯坦的科学方法论
在爱因斯坦看来，完整的科学理论体系是由“基本概念”、认为对这些概念有效的“基本假设”以及由逻辑推理得到的“导出命题”这三部分构成。其中在逻辑上不能进一步简化的基本概念和基本假设是理论体系的核心部分。基本概念和基本假设是“思维的自由创造”“理智的自由发明”的命题。但是，这种自由是一种有严格限制的“特殊的自由”。这种“自由”是在科学创造过程中可以选择多种思维方式的自由，而作为思维最终成果的东西则应是客观的。从逻辑上看，基本概念和基本假设不是经验事实的总和，但它们是以经验事实为基础，通过人非逻辑思维的自由创造而产生。在对众多公理进行选择时，他明确指出：选择的外部标准是，由公理推导出的理论不应当同经验事实相矛盾；选择公理基础的内部标准是基本概念和基本假设的“自洽性”“完备性”和“逻辑简单性”。
我们认为，物理学的一般方法论应是以物理实验或经验事实为根据，通过非逻辑的方式来构造物理概念和理论。在所构造的理论中概念必须是可证伪的或可反驳的（即应有预测功能），而所应用的经验事实或实验必须是公共化的（可重复的）。同时我们也认为，物理学的基本方法论是一种宏观的研究思想，也是指导进行物理研究的灵魂。它不是一种进行物理学研究的操作步骤，我们也无法找出一种物理学研究的操作步骤。但在处理具体的物理问题时，人们总结了众多的具体研究方法，它们是一些不具有一般性的微观层面的研究法则，这不属于方法论层面。
三、在教学中实施物理思想教育的主要策略
由于物理学整体上是由物理知识和物理思想方法组成的，所以学习物理思想必须要物理知识这一载体。我们认为，物理教学是以解决物理问题为核心，开展物理问题研究为过程的师生双边活动。通过我们多年的教学实践和研究发现，以物理学史来创设情境，引导学生发现、探究的教学是实现物理知识和物理思想方法有机结合的有效教学策略。在以物理学史来创设教学情景时，课堂教学一般可分为三个阶段来进行。
第一阶段 教师用物理学史来引出“物理问题”。从引导学生思考生活、生产、科技等实际开始，逐步由教师通过简述或实验演示等方式，呈现“物理问题”在萌芽前的物理学史背景，也就是用物理史来创设教学情景。这一阶段是要引导学生提出众多的问题，通过讨论或教师的启发明确提出本节要研究的具体“物理问题”。这既是为了提出问题，也是为了激发学生的思维主动性，它是教学成功的基本前提。
第二阶段 教师引导学生探究“物理问题”。首先是在教师的指导下让学生搜集和回顾生活、生产、利技等方面的经验（或实验），并对它们进行分析、归类和整理。在其间教师不时地介绍物理学史上对解决这一“物理问题”起重要作用的经验事实（或实验）。接着是引导学生根据经验（或实验）事实进行非逻辑的抽象思维，猜测解决问题的可能方案。然后是引导学生对各种可能解决方案，运用经验（或实验）事实进行“论证、选择、反驳、再猜测”。在这一过程中，教师可不时地介绍物理学史上众多试探性解决问题的方案及其争论，使学生在此情境中面临矛盾，产生强烈的认知冲突及求索欲望。我们的教学主要就是通过这种师生双边活动过程来培养学生的研究问题的能力，树立判断科学问题的价值观。
第三阶段 教师引导学生得出科学的结论。这一阶段教师引导学生回顾与总结全过程的研究路线（提出问题的方式、问题的猜想、论证、争论等），并科学地表述“物理问题”的解决结论。这是一个让学生深刻理解物理知识，感知和进一步体验物理方法的过程。也是让学生通过提炼形成自然观和价值观的过程。
我们曾经对《万有引力定律》一节进行过发现式的教学实践，现通过反思后对教学过程概述如下。
在“行星运动”一节，研究了行星运动的基本规律——开普勒定律，这是万有引力定律发现前的一部分情境。通过引导学生思考“为什么行星会做椭圆形轨道的运动？”，由此而推测行星应受到力的作用，并进一步提出了寻找该力的规律的物理问题。
为了寻找该力的规律，学生们在教师的引导下对经验资料——行星运动规律，进行了简化分析，首先学生感到运动轨迹是椭圆，这给研究带来不便，于是将行星运动的轨迹简化为圆。这一简化结果与开普勒第二定律相结合，就得出了行星围绕太阳应做匀速圆周运动的结论。接着，根据惠更斯向心力公式可推出作用在行星上的力之大小为F=（4π[2]Rm/T[2]），此处m为受力物体行星的质量。最后又用开普勒第三定律，将T[2]=R[3]/K代入，将T找出后可得F=4π[2]Km/R[2]，即F∝m/R[2]。由力的相互作用规律（牛顿第三定律），则行星与太阳之间的引力大小应为F=G（Mm/R[2]）。有的学生反对这一结论，理由是此处做出的猜想是基于行星做圆周运动这一根据，但经验告诉我们，行星做的是椭圆轨道运动。这时，我们只好告诉这些学生，运用高等数学的知识，可以从“开普勒定律”严格地推导出行星与太阳之间的引力大小为F=G（Mm/R[2]）。
通过上面的讨论，有的学生可能认为，由开普勒定律推导出了万有引力定律，也就是说，万有引力定律是开普勒定律所包含的一个推论。其实这是一个错误观点。从逻辑上来说，前述的推理只能认为行星与太阳之间存在大小为F=G的相互作用的吸引力。牛顿认为宇宙万物之间都存在大小为F=G（Mm/R[2]）的相互作用的吸引力，实际上是进行了一个非逻辑的创造思维（外推思维）。万有引力定律的价值不仅体现在揭示了引力的大小为F=G（Mm/R[2]），而更重要的是揭示了自然界的一切物体都是相互作用，进而为我们描绘出自然界的一切物体都是相互联系、永不停息的运动图景，即建立了一种机械运动的自然观。这是人类对自然认识的一个里程碑。
我们在教学研究和教学实践中深深地体会到，作为基础科学的物理学，它的发展史能充分展现出认识自然的各种有效方法，渗透着人类思想的精华，是我们提炼精神财富的重要根据。以物理学史为根据创设情景的发现式教学，不仅能让学生深刻理解物理知识，还能让学生初步掌握科学的研究和思维方法。同时还能培养学生注重实践的作风，勇于创新的品质，团结协作的学风，使学生逐步形成能引领科学和社会发展的价值观。最后我们也认为，以物理学史来创设情景的发现式教学要因教学内容和教师的实际素质而定，并非所有教师和教学内容都可用此教学法。但我们可推断，这将是我们中学物理教学发展的趋势。