什麼是物理?
這是一個十分基礎的問題。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。但這只是對於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去進行一番再認識、再分析，以挖掘蘊含在其中的豐富內涵。
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、被人們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，以致於人們將20世紀稱譽為“物理學的世紀”。什麼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。
展望物理學的未來，充滿著機遇與挑戰。李政道先生在《物理的挑戰》一文中，曾提出21世紀物理領域所面對的四大難題：為什麼一些物理現象在理論上對稱但實驗結果不對稱？為什麼一半的基本粒子不能單獨存在而且看不見？為什麼全宇宙90%以上的物質是暗物質？為什麼每個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著人們不懈探索的勇氣與熱情。可以預見，一旦撥去這幾朵籠罩在物理天空中的烏雲，物理學將會展現出更加燦爛的前景。
其次，物理又是一種智慧。
誠如諾貝爾物理學獎得主、德國科學家玻恩所言：“如其說是因為我發表的工作裡包含了一個自然現象的發現，倒不如說是因為那裡包含了一個關於自然現象的科學思想方法基礎。”物理學之所以被人們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。正因為如此，使得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，以至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十九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。什麼，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。”（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。同樣地，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。
大家知道，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。
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“實踐是檢驗真理唯一標準”的原則。正如物理學家費曼所說：“不論你的想法有多美，不論你什麼聰明，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，説明人們不斷認識自己，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。當代物理學的發展，正朝著兩個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，它們兩者並非是分道揚鑣、越走越遠，反倒顯示出不少殊途同歸、相反相成的跡象。例如，粒子物理學的一些研究成果常被天體物理學家所借鑒，用來探尋宇宙早期演化的圖像；(正由於此，粒子物理學在某種意義上也被稱為“宇宙考古學”。) 反過來，宇宙物理學的研究也為粒子物理學家提供了豐實的資訊與印證。於是，物理學中兩個截然相反的分支，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，英國物理學家狹拉克首先發現，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，讓我們再次領略到了物理世界的美，一種動人心弦的壯麗的美。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”。
通過以上分析，我們對於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的內涵，從而會更自覺、有意識的去挖掘和開發它的育人功能，全面提升教學品質；另一方面又使我們看到，物理原來有著如此美好的稟性，從而會更加鍾愛物理，更有激情地去從事物理教學。我以為，只有真正熱愛物理的物理教師，才能做到不僅教會學生理解物理、應用物理，而且還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”，最後又回歸到“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盡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，我們授予學生什麼多的物理知識，其中不乏象“F=ma”這類極其重要的知識，但在他們往後的生活和工作中，卻很少顯示出有什麼直接的功用。以至過了若干年後，許多學生把所學的物理知識幾乎忘得一乾二淨，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，可又說不清究竟是哪些具體知識所起的作用。我想，這大概好比晚飯，誰都不會否認吃飯對於生存的意義，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，我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？這位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，他說忘了。正當我面露憾色時，他緊接著的一番話卻令人寬慰，他說：“這個例子使我懂得凡事都是相對的，從不同角度看會有不同的結果”。儘管這堂課所傳授的物理知識，這位元學生已經遺忘殆盡，但通過有關知識的學習而凝煉成的思想、方法等，卻在他的心裡銘刻上深深的印記。從這個意義上說，二十多年前的這堂物理課，對他不也是極有價值的嗎？學生從高中畢業後，他們中的大多數可能將告別物理，所學的物理知識終究會被忘記，到那時再回頭審視一下：物理教學留給他們的還有些什麼呢？如果在他們的身上，體現不出物理所給予的才智與啟迪，那將是物理教學的失敗。由此看來，具體的知識通常只是作為教學的載體，在知識的背後還有更多值得我們去追求的東西。正如我國資深科學家錢偉長教授說的：“我在大學裡學的是物理學，……. 以物理學為物件我學到了調查研究，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。”錢老在讀書時就是通過“物理學”這個載體，獲得了很多比物理知識更重要的能力。所以，那種將物理教學等同於物理知識教學的看法是偏面的，而以“知識本位”來確立物理教學目標取向的做法同樣是短視的。
隨著教學實踐的深入，教師一般都會對自己所任教的學科日臻熟悉，從而格外鍾愛。可能是受了這種職業情感的影響，我還一度把物理教學的目標，定位於“將盡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，其它學科的教師大概也出於各自的職業偏好，都對學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，沒能將各學科的分力凝聚成一股合力，實際效果當然就差強人意了。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也少之又少。正當我陷於迷惘之時，復旦大學原校長楊福家先生的一則事例給了自己極大的啟迪。當年復旦大學曾對核子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子物理有關的工作，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，而楊福家卻認為這正是“復旦”的成功。因為，通過這四年本科的物理教育，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適應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，使我逐漸看清了物理教學最終目標的聚焦點，既不在知識的本位上，也不在學科的本位上，而應該落實在我們的教育物件——學生的本位上。
對於“為什麼教物理”這個問題，也可以反過來設問：“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那些缺憾？”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，但不夠全面。因為除此之外，學生還將失去更為重要的，有關科學方法、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。當前，物理已經深入到社會的方方面面，成為每一位有教養的公民都必須懂得的知識。對於大多數學生來說，他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，而是有助於他去面對或決策所遇到的大量非物理的問題，為他們今後一生的文明、健康，高品質的生活奠定基礎。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。” 據此，對於“為什麼教物理”這個問題，最確切的答案就是：為提高全體學生的科學素養而教。——這應該成為我們的物理教學觀。
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。什麼，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，什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，使他們知識世界是什麼樣的，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。
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