论义务教育阶段物理课程的价值

王 青

清华大学物理系，北京 100084

义务教育阶段的物理课程是一门以实验为基础的自然科学课程，对学习过小学综合科学课但刚开始接触首次作为分科课程的物理学科的学生来说，虽然通过此课不过是只了解一些最初级的物理，但这些物理种子根植的好坏直接影响学生的物理启蒙，对学生未来一生的发展影响将十分深远。

义务教育阶段物理课程的价值可以体现为三条：让学生初步了解自然界的基本规律；激发好奇心、想象力及探索兴趣；学习和培养应对未知的方法和能力，让人生更有意义。对标新课标中的核心素养，前两条分别对应建立物理观念和训练科学思维，第三条对应实践科学探究和确立科学态度与责任。以下按照这三条分别进行讨论。

1 初步了解自然界的基本规律

在义务教育阶段，通过物理课程的学习，学生可以认识物质的形态、属性及结构，认识机械运动、力、声、光、电和磁，认识机械能、内能、电磁能及能量的转化与守恒。物理课程的学习使学生能从物理学的视角形成关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识，初步了解一些基本的物理概念和自然界的基本规律，逐渐提炼升华形成初步的关于物质、运动与相互作用和能量等的基本物理观念。

以物质观念为例，普通人对物质的观念是：它是一些像身边的石头、水、空气一样的实体，看得见摸得着。空气虽肉眼看不见，但人们能感受到风和气压。义务教育阶段的物理课程最开始就让学生知道物质是由原子构成的，而原子是由原子核和电子构成的，由此进一步引出、讨论和解释物质的各种状态和属性。这个源自古希腊的原子论看法促使学生形成一种物质是由一些基本的实体硬核粒子构成的物质观念，物理学依赖这样的观念发展出特有的理论来描述我们看到的各种自然现象。

初看起来义务教育阶段的物质观显性教育到此为止。可在后续的电和磁部分，物理课程又引入了抽象的电荷及其运动形成的电流。电荷是物质的属性，从物质观的角度，携带电荷的物体和流有电流的导线是电磁现象中直觉的物质实体。课程里电场和磁场的进一步引进使得这种人感官能感受到的硬核粒子组成的实体物质观念受到了冲击：人看不见摸不着静态的电场和磁场，人的其他感官似乎也感受不到，不具有我们习惯的原子论中的那种实体硬核粒子的构成图像，它弥漫于实体物质之间的空间里，它是不是物质？如果说不是，它却可以像普通物质那样具有能量和动量；如果说是，因为不具有硬核粒子的构成，感官又感觉不到，似乎最多只能说它是一种超出我们传统物质观的另类物质。

电磁场随时间变化形成了电磁波，而义务教育阶段的物理课程要求学生知道光就是电磁波。我们发现人的眼睛能看见和感受到这种东西，因而光及电磁场似乎确实像是物质。那么，光到底是不是物质？我们在义务教育物理课程里讨论的力、热、声、光、电，除光之外都被认为是物质之间的相互作用或物质的属性，而不是物质，它们的共性是都必须作用或附着在物质身上，无法单独存在。虽然静态电磁场的存在需要有电荷电流源，因而从某种角度可以被认为是弥漫于全空间但却附着在电荷电流源之上，电磁波和光的确是可以脱离源而独立存在的，从这个角度看，它确实应该是物质。可这种物质非常特殊，它不像传统的物质那样具有一个能使其绝对静止的参考系，并且对它只有参考系变换而没有纯粹的自身运动的概念。我们进一步还知道电磁波是一种波动，这意味着如果它是我们感官能够感知到的物质，则现在又多了一种和原来具有粒子性不同但具有波动性的物质，这种波动性对电磁场来说是场随时间变化所造成的。光作为特定频段的电磁波，其粒子性和波动性的争论具有很长的历史，一直伴随着物理学的发展，最后在量子的水平上以场为基础获得了统一。光既不是粒子也不是波，光既是粒子又是波，它具有波粒二象性。从实体的物质到场的物质观，是从经典到现代物理学最前沿中人类对自然界认知的升级，现代物理学已经把所有的物质都统一建立在场的观念基础之上，波是场随时间的变化，粒子是场的激发。虽然这些对经典物质观超越的讨论并未明显地表述在义务教育乃至整个高中甚至大学物理教育中，但它们作为种子实实在在隐性蕴含在我们从义务教育阶段开启的日常物理教学内容当中。

物理学对自然界最核心的研究对象就是物质，在物理教育的一开始就需要把物质的观念及这些观念的演变，以适当的方式并显性和潜移默化地传授给学生，引导学生建立和不断发展个人对自然界的认识，进而形成相应的物理观念。人类正是借助这些由各种基本物理观念支撑起来的以物理学为主体的对自然的认识、依据其原理制造出来的工具，才能够实质性地跨越出我们所赖以生存的地球这个在浩渺宇宙中微不足道的尘埃，和存在于地球上的人类迄今所创造、发展出的宗教、哲学、数学等各种文化、历史和艺术，开始真正认识孕育我们的广袤无垠的宇宙，人类文明的发展和进步强烈地依赖于我们发现、理解和操控我们在物理学里了解的自然定律的程度。物理教育就是要把人类对自然的认识传给一代代后人，实现可持续发展。

2 激发好奇心、想象力及探索兴趣

物理学原本就来源于人类在好奇心驱动下对周围环境的观察和思考，它训练人的大脑，净化人的心灵。物理学知识构成了物质世界的完整图像，它是科学的世界观和方法论赖以建立的基础。物理课程把这种人类在生活与生产过程中与自然界的积极互动所获得的对自然的认识及认知的过程传授给学生，让学生亲近自然，通过从自然、生活到物理的认知过程，领略自然现象中的美妙与和谐，激发学生的好奇心和求知欲，培养学生乐于思考与实践、终身探索的兴趣。

作为案例，在义务教育阶段物理课程学到牛顿第一定律时，特别安排了一个例子要求“了解伽利略思想实验，体会思想实验在科学研究中的作用”。有老师提出异议：思想实验本质上属于逻辑演绎、思维的范畴，跟真正的实验、归纳有着本质区别。对于初中生和很多初中教师，思想实验这个词很容易引起迷惑和误解，误以为思想实验像真实实验一样能判定理论的正确与否（逻辑检验和依据事实的检验还是有区别的）。

为了解释这个案例所要展示的科学思维并回应老师们的质疑，首先回顾一下和牛顿第一定律相关的伽利略思想实验，也称理想斜面实验。它主要是为了否定自亚里士多德时代以来，人们从直觉出发一直以为的力是物体运动的原因、没有力作用的物体的运动都会静止的观念。

设想一个竖直放置的V字形光滑导轨（V字夹角不能太小），一个小球可以在上面无摩擦地滚动。让小球从左端往下滚动，小球将滚到右边的同样高度。如果降低右侧导轨的斜率，同时把右侧导轨延长使其末端仍能达到与左侧导轨同样的高度，小球在右侧导轨上，如果忽略摩擦力的阻碍，仍然将滚动到和左边初始下滑时同样的高度，此时小球在水平方向上实际滚得更远了。斜率越小，则小球为了滚到相同高度就必须滚得越远。此时再进一步设想右侧导轨斜率不断降低以至于降为极限的水平情形时，这时右侧导轨将变成无穷长。根据前面的经验，如果无摩擦力阻碍，而导轨无穷长，小球将会一直持续地滚动下去，其速度将不再会像导轨非水平时那样从快向慢直至停止的变化。因为若像非水平时那样速度从快向慢变化，则迟早速度会变为零而停下来，这样就无法保持向右侧无穷远行进的状态，因此小球将会是向着无穷远维持匀速直线运动，这就是牛顿第一定律。

引入能量守恒的观念可以提供另外一个看此案例的视角：小球在右侧导轨达到与左侧同样的高度，是因为要具有与左侧同样的势能（它告诉我们高度是势能中的一个关键参量）；而在右侧导轨水平时保持匀速运动，是因为原来出发时在左侧导轨出发点所具有的势能全部转化成了动能，小球在右侧水平的导轨上运动，势能不会发生变化，动能因而不变，导致速度不变（这隐含着速度是动能中关键参量的要求），是匀速直线运动。在任何实际的实验当中，因为摩擦力总是无法被忽略的，导致小球在右侧导轨上所能达到的高度总会比左侧略微低一点点。由此，即使在右侧导轨水平时，小球也不会跑到无穷远，而总是在很远的某处停下来，即小球的速度会不断变慢。或者从能量守恒的角度看，摩擦力会造成小球在运动过程中的一定能量损耗，破坏了原来纯由势能和动能所构成的守恒关系。

任何真实的实验因为做不到消除摩擦力的影响，因而都无法严格地证明牛顿第一定律，这也正是古人没有得出牛顿第一定律的原因。然而思想实验就可以做到，仅仅通过日常经验的延伸就可以让任何一个理性的人相信牛顿第一定律的正确性。这样的案例，展示得好可以让学生震撼于人类思想的力量，惊叹一个巧妙的实验在人的想象扩展下居然能够达到如此不可思议、让人完全意料不到的结论！这将是对学生的想象力和好奇心的极大刺激。

对前面教师提出的质疑，我们认为这个思想实验不只是简单的逻辑检验，它本质上是基于客观事实，运用逻辑推理来判断事情的真伪。在这个意义上，思想实验确实像真实实验那样能判定理论的正确与否，它对提升学生的素养十分重要。案例本身旨在强调对学生科学思维能力的培养，逻辑演绎和归纳都是科学思维中非常必要和核心的元素。这个案例的目的是通过展开来的介绍与讨论，一是让学生看到实验的作用：我们是通过实验而不仅仅是纯粹的思辨来判别我们头脑中的观念是否正确。这尤其对否定一些日常的错误经验十分重要，人们凭日常经验很容易接受力是物体运动的原因的错误观念。这种依靠实验作判断的做法实际是人类思维上最重要的进步，也是伽利略提出它后被称之为科学革命的根本所在。二是让学生体会思想的力量：虽然我们做实验需要大自然的指引，可人类的独立思考仍然必不可少，而且有时这些聪明的思考可以使我们的认知获得跨越。人的思考首先是对实验的结果进行诠释，不同的诠释导致我们对世界的不同理解和认识，也进一步导致接下来不同的实验。在此基础上，人的思考还会让实验超越它原有可能实现的范围，在这个例子中就是对摩擦力的忽略，及对其效果的预期。任何实验都受工程和技术发展水平的限制，不可能达到完全理想的状态，这时思想实验的锋芒和威力就体现出来，凭借想象力进行的思想实验，有可能做在现实中无法做到的实验，它让人类可以跨越工程技术的局限，直接触及实际实验达不到的结果。爱因斯坦在建立广义相对论的过程中就不断使用思想实验进行分析。

中国的传统文化过于注重实用和人与人之间的关系，因而我们很容易接受做实验，但轻视抽象的逻辑演绎。中国历史上很多早期科学探索的萌芽及一些技术都被嗤之以鼻成奇技淫巧，由此才引出著名的李约瑟之问。源自西方的物理学的思辨性的逻辑演绎是科学中很重要的组成部分，也是我们中华文化里相对比较欠缺的内容，更是物理课的难度的体现，物理教育在强调实验的前提下需要补足我们在传统文化方面的短板。

目前，这个关于斜面的思想实验不仅是简单判定以往亚里士多德的力是物体运动的原因、没有力作用的物体的运动都会静止的理论错误，还能进一步给出正确的牛顿第一定律。这是此案例及伽利略所做的一系列贡献所引导的科学革命最伟大之处，它既传承了古希腊演绎性的逻辑思维和想象思辨的优点，又巧妙地把通过实验和观测所导致的自然界的指引引入进来，形成真正对自然界具有更强认知能力的科学思维。正是这种先进的科学思维和科学方法使得以物理学为代表的自然科学能够走出人类栖身的小小地球，开始放眼太阳系、银河系、河外星系及星系团乃至整个宇宙。视野决定成就，当今物理学的视野已经从空间上覆盖小至基本粒子大到整个宇宙的近60个量级的尺度、从时间上覆盖短至大爆炸开始后的一瞬（普朗克时间10～43秒）长至当今宇宙寿命的近60个量级的尺度，从中发展出的科学思维和科学方法无以伦比。这些思维方式和方法已经被其他学科乃至许多社会科学广泛使用，我们的物理课程就是要通过课程内容的学习，训练学生逐渐养成自己的科学思维。

3 学习和培养应对未知的方法和能力，让人生更有意义

物理课在学校里往往被看成是最难学的课程，其公式复杂，概念难以理解。课程内容一般被认为只不过是一缕美好但距人遥远的理性之光，与大多数人的日常精神生活无关。其实不然，物理课程里所介绍的成就为人的生存和发展提供了丰富的启示和经验，不断教育和引领着后人。

例如，前辈的经验告诉我们应该努力去找可以解决的问题，承认某些问题可能是目前无法解决的，努力寻找回避或绕过去的方法。牛顿第二定律中引入了质量的概念，但牛顿聪明地回避了正面从根本上回答什么是质量这一本质性问题，只给出了一个可操作的、关于如何标定质量相对大小的方法。在义务教育阶段，虽然还没有学习牛顿第二定律，但已开始学习牛顿第一定律，惯性已经作为一个重要概念开始被讨论，惯性的度量就是质量。进一步，质量作为物质的基本属性已经在义务教育阶段中被引入，并且物理课标要求学生“知道质量的含义”。质量的本质直到牛顿时代300年后，科学家在欧洲核子中心的大型强子对撞机上发现了上帝粒子——希格斯粒子，并获得了2013年诺贝尔物理奖，到这时人类才刚开始对质量的起源有所了解。如果当年牛顿纠缠于质量的本质，在有生之年可能完全没有对驱散质量之谜做实质性的贡献。

再有，力图使自己的认知建立在牢固的基础之上。学会分辨自己的认知世界中哪些认识和观念是可靠和准确的。对可靠性和准确性的追求可以直接推动人类认识的进化。一个著名的例子是高中物理才涉及到的关于地心说和日心说的转变，这个例子虽然是到高中物理才学习，但它所涉及到的运动及速度等物理量是义务教育阶段的重点内容，例子本身所关注的是如何看待运动和速度导致的整体图像问题。在地球上生活的人类仰望星空，发现太阳、月亮和几乎所有肉眼看到的星星都在绕地球做匀速圆周运动，因此衍生出早期的地心说，它成为中世纪受教会鼎力支持的正统的宇宙观。可即使在古希腊，人们已经发现有几颗离地球比较近的行星、水星、金星、火星、木星、土星有反常于通常匀速圆周运动的逆行现象；还发现无论在体积或是质量上太阳都比地球大很多，而让一个大的星球绕小很多的星球做圆周运动并不符合古希腊的美学观念。种种这些地心说对宇宙认知的缺陷在托勒密的地心说体系中，必须通过以在圆轨道上不断嵌套新的圆轨道的本轮均轮这种很不自然的方式来解决，这些不足促使哥白尼提出了太阳系的所有行星都绕太阳做匀速圆周运动的日心说。日心说里不再有逆行现象，位于中心静止的太阳是太阳系最大的星体，这所展现的太阳系图景显然比地心说自然、完美、和谐。日心说虽曾受到教会的强烈打压，但随着望远镜的发明和使用，得到了观测的有力支持，并最终取代地心说。而后来第谷、开普勒和笛卡儿对行星运动的大量科学观测，证实太阳系各行星的实际运动并不是最优美的圆轨道，而是椭圆轨道。现代天文学更多更精确的观测进一步告诉我们：太阳也不是宇宙的中心，它不过是位于银河系较边缘的一个很普通的绕银河系中心做旋转运动的恒星；银河系乃至它所在的本星系团在宇宙中也只是上千亿星系团中的一个很普通的成员。这个认识的发展历程是建立在不断改进以往认知的可靠性和准确性的基础上，人类实现了对宇宙认识一步步的进化和深化。

物理学注重研究简单问题，因为它们能够比较容易被解决，可以由此确立关于这些问题的较清晰的图像和牢固可靠的认知。在此基础上才可能进一步提出和解决更加本质的问题，逐步深入对本质问题的认识，从而在一步步的求真之路上使自己对世界的认识建立在牢固的基础之上。物理课程通过其内容的学习让学生逐步了解和掌握在物理学中发展起来的这种应对未知的方法。

更进一步，通过物理的学习，学会分辨哪些问题是较容易解决的，问题的要点在哪里，哪些问题是有价值的；学会分辨对世界认识的适用范围，分辨哪些是可靠的，哪些是不一定可靠的；学会分辨哪些观念是有现实基础的，哪些还仅是人们头脑中的空想。找到办法检验自己的思想，学会区分空想与科学，并且争取以后能把美好的空想变为科学。分辨问题、认知和观念的能力可使我们获得一双犀利的眼睛，帮助我们看清世界，使我们成为已有认识和思想的主人而不是工具。能熟练掌握前人留下的认知又不迷失其中，让其为世人所用以应对无穷尽的世界，造福人类。

当人能够娴熟自由地运用各种已有对世界的认知和思想观念而又不被它们的种种局限所束缚时，就能够自由轻松地畅游于思想观念的海洋之中，实现真正思想上的自由和精神上的丰富。在此基础之上若能进一步在所面临的众多问题中，从简单入手，在不断追求更高的可靠性和准确性的基础上一步步脚踏实地地解决问题，向真理靠近，真正走向智慧，能够享受创造与发现之乐趣，充实和充分体现自己生命的价值，让人生具有更大的意义。

综上所述，义务教育阶段的物理课程作为物理教育的起始，其价值体现在从让学生初步了解自然界的基本规律出发，努力激发起学生的好奇心、想象力和探索兴趣，进而逐步迈向学习和养成应对未知的方法和能力、实现让人生更有意义的目标。