對物理教學的哲學思考
吳加澍
（浙江義烏中學，浙江義烏322000）
摘要：所有的教育問題最終都是哲學問題，哲學處於教育的上位，它對教育起著決定性的規範和指導作用。對於什麼是物理、為什麼教物理、怎樣教物理這三個本原性問題的思考與回答，構成了物理教育哲學的主體內容。物理既是一門科學，又是一種智慧，更是一種文化。應樹立為提高全體學生的科學素養而教的物理教學觀。按照教學重演律，讓學生親歷知識的產生與發展的過程，全面落實新課程三維教學目標。
關鍵詞：物理教學；哲學思考；教學重演律
中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A
作者簡介：吳加澍（1942—），浙江義烏人，浙江義烏中學物理特級教師，浙江省功勳教師，浙江師範大學物理教育碩士導師，主要研究物理教學。
當前，一場規模宏大的課程改革正在全國中小學範圍內蓬勃展開，並取得了很大成績，帶來了可喜變化。但隨著新課改的不斷深入，人們也遇到了不少新問題，出現了許多令人困惑的現象。對此，我們若不深入思考，及時應對，輕則影響課改成效，重則可能葬送它的前程。老教育家呂型偉先生曾為此深表憂慮，他將近年來教育改革中出現的形式主義和浮躁現象，比之為“浮腫病”和“多動症”，並斷言：這一場改革如果最終失敗的話，原因大概就出在這兩種病。[1]歷史的經驗反覆告誡人們，對於各式各樣的教育弊病，單憑“頭痛醫頭，腳痛醫腳”的辦法是不能奏效的，因為它們的根源，多半在於教育哲學的缺失或錯位。
教育是一項複雜工程，客觀上會有諸多的因素對其產生這樣或那樣的影響，然而這些因素只有經過人們理性的過濾和價值的判斷，並據此作出選擇與決策之後，才可能進入實際的教育過程而產生作用。所以，一切教育問題的解決，無不取決於教育者在更深層次，即哲學層次上對於教育的理解。正如著名教育哲學家謝密斯所言：“所有的教育問題最終都是哲學問題”，哲學處於教育的上位，它對教育起著決定性的規範和指導作用。
從片面追求升學率教育向素質教育轉變，其實質就是教育本性的迴歸，是教育的正本清源。那麼教育的“本”是什麼？它的“源”在哪裡？這些帶有根本性問題的答案，只能到教育哲學的層面上去追尋。對於物理教學而言，最為本原的問題不外乎三個方面：第一，什麼是物理（本體論問題）；第二，為什麼教物理（價值論問題）；第三，怎樣教物理（方法論問題）。人們對於這三個根本性問題的思考與回答，就構成了物理教育哲學的主體內容。
一、什麼是物理
翻開任何一本物理教科書，都不難找到這樣的定義：“物理學是研究物質結構、物質相互作用和運動規律的自然科學”。但這僅僅是對物理這門科學在學術意義上的一種界定，而我們所面對的“物理”，它同時又是一門課程，於是就有必要從教育意義的層面上進行一番再認識，以挖掘其豐富內涵。
首先，物理是一門科學。
物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，它是發展最成熟、高度定量化的精密科學，又是具有方法論性質、被公認為最重要的基礎科學。物理學取得的成果極大地豐富了人們對物質世界的認識，有力地促進了人類文明的進步。正如國際純粹物理和應用物理聯合會第23屆代表大會的決議《物理學對社會的重要性》指出的，物理學是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵性的作用：探索自然，驅動技術，改善生活以及培養人才。上世紀初相對論和量子力學的建立，為物理學的飛速發展插上了雙翅，取得了空前輝煌的成就，以至於人們將20世紀稱譽為“物理學的世紀”。那麼21世紀呢？有一種流行的說法：21世紀是生命科學的世紀。其實，這句話更確切的表述應該是：21世紀是物理科學全面介入生命科學的世紀。生命科學只有與物理相結合，才有可能取得更大的發展。
其次，物理又是一種智慧。
物理學之所以被公認為一門重要的科學，不僅僅在於它對客觀世界的規律作出了深刻的揭示，還因為它在發展、成長的過程中，形成了一整套獨特而卓有成效的思想方法體系。[2]正因為如此，物理學當之無愧地成了人類智慧的結晶，文明的瑰寶。大量事實表明，物理思想與方法不僅對物理學本身有價值，而且對整個自然科學，乃至社會科學的發展都有著重要的貢獻。有人統計過，自20世紀中葉以來，在諾貝爾化學獎、生物及醫學獎，甚至經濟學獎的獲獎者中，有一半以上的人具有物理學的背景；──這意味著他們從物理學中汲取了智慧，轉而在非物理領域裡獲得了成功。──反過來，卻從未發現有非物理專業出身的科學家問鼎諾貝爾物理學獎的事例。這就是物理智慧的力量。難怪國外有專家十分尖銳地指出：沒有物理修養的民族是愚蠢的民族！
當今，物理學的觸角已經伸向眾多領域，並取得了越來越大的成就，以致我們很難再用傳統的眼光去界分什麼是物理學了。1995年在我國廈門舉行了第19屆國際統計物理學大會，會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、交通的流量、文字的存儲等等，光看這些篇目，似乎都不太像是物理。那麼，究竟什麼是物理呢？幾年前，美國《今日物理》雜誌，曾就此問題向讀者廣泛徵求意見。最後，他們推崇的答案是：物理學家所做的就是物理學。這話乍聽似覺偏頗，其實不無道理。因為在今天看來，物理學更多的是體現出一種智慧，“代表著一套獲取知識、組織和應用知識的有效步驟和方法，把這套方法用到什麼問題上，這問題就變成了物理學”。[3]
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踐過程中創造的物質財富和精神財富的總和。它包括科學文化和人文文化。同樣，物理學家在長期科學實踐中所創造的大量物質產品與精神產品，也就構成了物理文化，物理文化是科學文化的重要組成部分。物理學是以實驗為基礎的科學，它的基本研究方式就是實踐，因而在客觀性上表現為“真”；物理學創造的成果最終是為了造福於人類，它在目的性上體現出“善”；另外，物理學還在人的情感、意識等多方面反映了“美”。正因為物理學本身兼具真、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。[4](17)
物理學是求真的。物理最講究實證，物理學家在科學研究活動中最基本的態度就是實事求是，堅守“實踐是檢驗真理的唯一標準”原則。正如物理學家費曼所說：“不論你的想法有多美，不論你多麼聰明，更不論你名氣有多大，只要與實驗不符便是錯了，簡簡單單，這就是科學。”可以說，物理學的發展史，就是一部不斷修正錯誤、不斷逼近真理的“求真”史。
物理學是從善的。物理學致力於將人從自然中解放出來，從必然王國走向自由王國，幫助人們不斷認識自己，促使人的生活趨於高尚。這是物理學的價值取向和終極目標，因而物理學的本質是從善的；另外，物理學家的行為也是從善的。愛因斯坦曾這樣評價居里夫人和以她為代表的傑出物理學家：“第一流人物對時代和歷史進程的意義，在其道德方面，也許比單純的才智成就更大。”他們那種嚴謹求實的態度、獻身科學的精神、熱愛人民的情懷等等，對於後人無疑是一份尤為珍貴的人文財富。
物理學是至美的。德國物理學家海森伯說過：美是真理的光輝；羅馬哲學家普洛丁又說過：善是美的本原。由此，物理學因真而美、因善而美就是十分自然的了。物理的美屬於科學美，主要體現於簡單、對稱和統一；對稱則統一，統一則簡單，它們構成了物理學的基本美學準則。翻開物理學的篇章，可以發現到處都跳動著美的音符，體現了人們對美的追求與創造。僅以統一性為例。英國物理學家狄拉克首先發現，在自然界的某些物理量之間存在著下列引人注目的關係，宇宙半徑/電子半徑≈1040；宇宙年齡/強衰變粒子壽命≈1040；氫核與電子的電力/氫核與電子的引力≈1040……在上述比數中，宇宙這個最大的系統與基本粒子這個最小系統之間，竟然珠聯璧合達到了如此完美的統一，充分展示了物理世界的美，一種動人心絃的壯麗的美。正是這許多美不勝收的事例，激發起人們對大自然由衷的讚歎與敬畏，難怪愛因斯坦會說：“宇宙間最不可理解的，就是宇宙是可以理解的。”
綜上所述，我們對物理有了一個較為全面的認識：它既是一門科學，又是一種智慧，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內涵，從而會更自覺地去挖掘和開發它的育人功能，全面提升教學質量；另一方面又使我們感到物理原來有著如此美好的稟性，從而更加鍾愛物理，更有激情地去從事物理教學。筆者以為，只有真正熱愛物理的物理教師，才能做到不僅教會學生如何去理解物理、應用物理，而且還會進一步引導他們去感悟物理、欣賞物理。
二、為什麼教物理
這是一個看似簡單卻又十分根本的問題，要正確回答並非易事。筆者對此問題的認識，就經歷過從“知識本位”到“學科本位”，最後又迴歸到“學生本位”這樣一個曲折漸進的過程。
有很長一段時期，我都把物理教學的目標鎖定在知識層面上，認為教物理就是要把物理知識儘可能多地傳授給學生，以供他們今後一生的受用。因為我信奉“知識就是力量”。然而令人困惑的是，我們授予學生那麼多的物理知識，但在他們往後的生活和工作中，卻很少顯示出直接的功用，以致過了若干年，學生把所學的物理知識幾乎忘得一乾二淨，“全都還給老師了”。我曾為此深感失落；但每當我向他們提出“高中三年豈不白讀了”的反詰時，這些離開學校多年的學生，卻又都會異口同聲地作出否定的回答，一致認為高中階段的學習，對於他們的成長起到了重要的奠基作用，然而又說不清究竟是哪些具體知識所起的作用。──這猶如誰都不否認吃飯對於生存的意義，然而誰也說不清楚，吃了這頓飯究竟是在身上的什麼地方長了塊肉。
一位畢業已有二十餘年的學生，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。當時為了說明重力勢能的相對性，曾向學生提出過這樣的問題：有人站在五樓的窗臺上要往下跳，你說危險嗎？開始大家都認為這太玩命了，後來仔細一琢磨，又全都樂了：你別往窗外跳，往窗裡跳不就沒事了嗎？這名學生覺得這個例子特有意思，於是經久不忘；但問他該例說明了什麼物理知識時，他卻說忘了。正當我面露憾色時，他緊接著的一番話卻又令人寬慰：“這個例子使我懂得凡事都是相對的，從不同角度看就會有不同的結果。”我想，儘管這堂課所傳授的物理知識，這名學生已經遺忘殆盡，但通過有關知識學習而凝鍊成的思想、方法，卻在他的心裡銘刻了深深的印記。從這個意義上說，二十多年前的這堂物理課，對他不正是極有價值的嗎？由此看來，具體的知識通常是作為教學的載體，在知識的背後還有更多值得我們去追求的東西。正如資深科學家錢偉長教授說的：“我在大學裡學的是物理學……以物理學為對象我學到了調查研究、收集資料、分析資料和邏輯思維的能力，物理學的知識有時是很有用的，但通過物理學學到的這些能力，比物理學知識更有用。”可見，那種將物理教學等同於物理知識教學的看法是片面的，以“知識本位”確立物理教學目標的價值取向是短視的。
隨著教學實踐的深入，許多教師都會對自己所任教的學科日臻鍾愛。可能是受了這種職業情感的影響，筆者也一度把物理教學的目標確定為“把儘可能多的學生培養成為物理學家或物理工作者”，尤其是當我從農村普通中學調入重點高中，面對的是一個個聰穎好學的學生時，這種願望愈顯強烈。但我不久就發現，其他學科教師大概也出於各自的職業偏好，都對學生有著類似的期望。於是大家自掃門前雪，各唱各的調，沒能將各學科的分力凝聚成一股合力，實際效果當然就不盡如人意了。尤其令我沮喪的是，班上那些物理學習優秀的“得意門生”，日後直接從事物理專業的竟然少之又少。正當我陷於迷惘之時，原復旦大學校長楊福家先生的一則事例給了自己極大的啟迪。當年他曾對核物理專業的畢業生的去向做過一次調查，結果發現，只有不到十分之一的學生畢業後從事與核物理有關的工作，其餘的都紛紛改行，活躍在金融、企業或行政等崗位上。對此，多數人都斷言這是物理系的失敗，而他卻認為這正是“復旦”的成功。因為通過這四年本科物理教育，使學生具備了良好的素質，為他們今後的發展打下了堅實的基礎，於是畢業後都能很快勝任各種不同領域的工作。這也印證了趙凱華先生的話：“一個人學了物理之後幹什麼都可以，他的物理沒有白學。在我看來，對於學物理的人無所謂‘改行’……”
經過上述曲折的認識歷程，使我逐漸理解了物理教學的目標聚焦點，既不在知識本位上，也不在學科本位上，而應該落實到我們的教育對象──學生本位上。
對於“為什麼教物理”這個問題，有時不妨反過來問：“如果我們不教物理，學生不學物理，將會對他們今後的發展留下哪些缺憾？”一種顯而易見的回答是，學生將因此學不到許多重要的物理知識。這話沒錯，但不全面。因為除此之外，學生還將失去更為重要的諸如科學方法、科學精神等方面的培養與薰陶，從而最終影響他們的科學素養的提高。對於大多數學生來說，今天學習物理的目的，恐怕不是為了明天去進一步研究物理，而是有助於今後去正確面對、決策所遇到的大量的非物理問題，為他們一生的文明、健康，高質量的生活奠定基礎。正如《面向全體美國人的科學》一書中所說的：“教育的最高目標是為了使人們能夠過一個實現自我和負責任的生活作準備。”因此，對於“為什麼教物理”的正確回答是：為提高全體學生的科學素養而教。這也是我們應有的物理教學觀。
眾所周知，生物基因對於生物進化有著非同小可的作用，極其細微的基因差異，往往會導致生物之間的巨大差別。受此啟發，有不少社會學者正致力於尋求在人類文化傳承與發展過程中，有著哪些最為核心的要素，從而提出了“文化基因”的概念，並將其定義為人類文化系統中的“遺傳密碼”。文化基因的核心是思維方式和價值觀念。人類的進化比一般的生物進化更為複雜，它具有雙重進化機制，除了生物基因進化機制外，還有文化基因進化機制。教育正是推動文化基因機制的重要途徑。學校教育的要義，不只是文化現象的展示與詮釋，而在於文化基因的傳承和發展。物理教育當然也不例外。那麼，蘊含在物理教學中的“文化基因”究竟有些什麼呢？筆者以為主要體現為三個方面，即科學知識、科學方法和科學精神，因為這三者是構成科學素養最基本的要素。如果將科學素養比擬為一座金字塔，那麼科學知識猶如塔基，科學方法就是塔身，科學精神則是塔尖。物理教學的最高宗旨，就是為了構建這座宏偉的科學素養之塔而添磚加瓦。換言之，物理教學的核心價值就在於促進學生實現三個轉化：一是把人類社會積累的知識轉化為學生個體的知識，使他們知道世界是什麼樣的，成為一個客觀的人；二是把前人從事智力活動的思想方法轉化為學生認識能力，使他們明白世界為什麼是這樣的，成為一個理性的人；三是把蘊含在知識中的觀念、態度等轉化為學生的行為準則，使他們懂得怎樣使世界更美好，成為一個創造的人。[5]
三、怎樣教物理
筆者從事物理教學數十年，圍繞“怎樣教”的問題進行過較長時期的摸索，也積累了不少經驗與方法，但如果將它們置於教育哲學的高度並加以理性的過濾，最後留下來的，大概只是“關注過程，優化過程”這幾個字了。而這正是教好物理的關鍵所在。
作為教學範疇內的知識，一般有著兩種形態：一種是外顯的學術形態，另一種是內隱的教育形態，前者具有實用的價值，後者具有教化的功能。如果我們把知識比喻為一座冰山，它的學術形態只是露出水面的一角，而它的教育形態則猶如淹沒在水下那渾厚的山體。對於學生來說，知識的價值主要體現為：功利價值（為實現某個目標提供方法與手段），認知價值（用以訓練心智，提高認知能力與水平），以及發展價值（陶冶情操，修煉品性，促進人的全面發展），它們構成了一組由低到高的價值層次。教學理論與實踐都表明，知識價值的發揮與知識所處的形態是密切相關的。當教學活動僅在知識的學術形態層面上徘徊時，知識多半隻能發揮出有限的功利價值，只有深入到教育形態之後，才能使它的價值提升到更高的水平。由於知識的學術形態通常以結果的形式來呈現，而它的教育形態則蘊含於過程之中，因此，教學就必須關注過程、突出過程，堅持以過程為主線的原則。教師要盡力為學生營造一片廣闊的時空，引導他們去探索知識的淵源，揭示知識的本質，進而體會物理的價值，感悟物理的美感，這才是成功的物理教學，也是我們提出要關注教學過程的緣由。
1969年法國數學家曼德布羅特提出了“英國的海岸線有多長”的問題，隨著對這一問題的深入研究，導致了一門新學科──分形的誕生。分形最重要的原理是自相似性。人們驚奇地發現，自然界中原來存在著那麼多的“分形”或“自相似結構”（即局部中又包含著整體的無窮嵌套的幾何結構）。[4](19)例如，起伏的山脈，閃電的軌跡，晶瑩的雪花，金屬的斷面，等等。眾多複雜事物的無規律性，卻以出人意料的規律性呈現出來，使人們能夠從部分中認識整體，在無序中把握有序。回溯到一個世紀前，法國的胚胎學家海克爾發現，從種細胞成長為成熟的個體，高等生物都要經歷一個胚胎髮育的過程，而這個過程正是該物種長期進化歷史的迅速而短暫的重演。此即“生物重演律”。重演現象其實也是自相似規律的一種反映，除了生物進化外，在其他領域裡也屢見不鮮。就以教學活動而言，學生從“未知”達到“真知”，需要經歷一定的教學過程，而這一過程同樣也是以濃縮的方式，在短暫而迅速地重演著人類漫長的認識發展歷程。──我們不妨稱此為“教學重演律”。自相似理論或重演律不僅揭示了客觀世界的一種普遍現象，而且還具有重要的方法論意義，我們將其作為指導教學的一種重要策略思想，可以有效地促進物理教學過程的優化。
如果把科學家從事科學研究的過程視為科學知識的原生產過程，那麼，學生接受科學教育的過程就是科學知識的再生產過程。理論與實踐都表明，這兩者之間並非涇渭分明、互不關聯，它們在本質上有著極大的自相似性：學生的學習過程是對人類文化發展過程的一種認知意義上的重演，他們學習科學的心理順序差不多就是前人探索科學的歷史順序。因此，理想的科學教育應該是，以濃縮的時空和必然的形式，重演人類豐富多彩的科學活動，讓學生去親歷探究的過程，感受科學的啟迪。這樣做不僅有助於學生更好地理解並掌握所學的知識，還能從中汲取前人的智慧，領悟思想方法，陶冶科學精神，全方位提升他們的科學素養。這裡需指出的是，重演並不等於重複。如果將教學活動片面地理解為一種歷史的“文化迴音”，或者把教學過程機械地還原成科學研究過程，不加選擇地讓學生去重走歷史的老路，那將是荒謬的。正確的做法，應如玻利亞的“教學發生學原理”所指出的：“在教一個科學的分支（或一個理論、一個概念）時，我們應讓孩子重蹈人類思想發展中那些最關鍵的步子。當然我們不應該讓他們重蹈過去的無數個錯誤，而僅僅是重蹈關鍵性步子。”為了在教學中正確選定併合理設置這些“關鍵性步子”，教師就有必要對教學的內容進行一番深入的潛科學分析。
所謂潛科學是相對於顯科學而言的。我們一般將那些已得到確證或世人公認的理論所構成的常規科學稱之為顯科學，而它的前身，即那些處於孕育階段、尚未成熟的科學胚胎就是潛科學。寫在教科書上的科學結論固然重要，但它背後的孕育發展、由潛到顯的轉化歷程則更富啟迪。楊振寧教授在上海接受記者採訪時，曾將他取得成功的奧秘歸結為：“要站在問題開始的地方，要面對原始的問題，而不要淹沒在文獻的海洋裡……”這不僅是一位傑出科學家的治學之道，對於物理教學也有極大的啟示：物理教學同樣不能淹沒在結論和題目的海洋裡，而應將活生生的物理現象和物理過程，返璞歸真地展現開來，讓學生面對原汁原味的物理問題，引導他們去親歷物理概念的形成過程，物理規律的發現過程，以及物理問題的解決過程，等等。例如，關於自由落體運動，人教版新課標教材就一改傳統模式，另闢了“伽利略對自由落體運動的研究”一節，不惜花較大的篇幅與筆墨，去追述當年伽利略對自由落體規律的探究和思考，把科學大師在重大發現中所顯示的創造性的研究風格和獨特的思維方法，表露得淋漓盡致。這種以科學史實為背景，以科學思維活動為主線的教學方式，為我們優化物理教學過程提供了一種良好的範例。因為這樣做，不僅有利於學生更好地理解、掌握自由落體規律本身，尤其為學生創設了機會，可讓他們“近距離”地體驗和領會伽利略開創的“實驗+思維+數學”的科學方法。對於學生來說，這後者的意義或許更為深遠。
我們知道，在物理課堂教學中存在著三維因素（教材、學生和教師），相應地有著三種結構形態（知識結構、認知結構和教學結構），它們之間的規律反映為三條基本序線，即：與教材內容相對應的知識序，與學生學習相對應的認知序，以及與教學過程相對應的教學序。實踐表明，只有課堂教學的有序化，才會有教學過程的高效化；任何一堂能稱之為過程優化的好課，無不都是“三序合一”的結果。為此，我們首先要運用潛科學理論，對教學內容進行一番“順藤摸瓜”式的分析，即理清知識本身歷史的、邏輯的演化脈絡（此謂“藤”），進而挖掘依附在知識載體上的富有教育、教學價值的課題或素材（此謂“瓜”），形成一條有關教學內容的“知識序”。其次，正如著名教育家杜威所說的：“儘管科學家和教師都掌握學科知識，但二者的學科知識是不一樣的，教師必須把學科知識心理學化，以便讓學生能夠理解。”我們要根據教育心理學原理和現代學習理論，分析學生的認知結構與水平，並對相關教學內容進行加工、重組，形成一條符合學生學習規律的“認知序”；在此基礎上，再運用現代教學方法與手段，通過教學設計對諸多教學要素加以整合，構建一條有助於促進學生積極參與、主動探究的最優化的“教學序”。
基於上述教學理念，近年來筆者圍繞優化物理教學過程進行了一系列探索與嘗試，提出了“以實驗為基礎，以過程為主線，以思維為中心，以變式為手段”的優化策略。在物理教學中，儘量讓學生按照認識的重演規律，去重演知識的產生與發展的過程，將教學過程轉變成為學生的“亞研究”“類創造”過程，使他們在獲取物理知識的同時，啟迪心智，培育品格，從而全面落實新課程所要求的三維教學目標。
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