物理教育与普及的新思路：科学史与科学哲学在中学物理课程标准中的呈现和意义

自20世纪80年代起，科学史与科学哲学（History and Philosophy of Science，HPS）在科学教育中的价值与应用逐步得到强调与重视。科学史不但呈现了科学发展的历史、科学知识产生的过程和科学家的研究工作，还体现了科学发展过程中的各种研究方法，彰显了科学与人文之间的关系；以科学哲学的视角阐述科学的性质与意义，即强调辩证地看待科学知识与研究方法的发展过程，是科学作为一种认识论与方法论的体现。因此，将科学史与科学哲学融入科学教育中，能发挥出独特的教育价值，这种价值体现在能够使科学教育更具有深度，学生在科学知识、科学方法的学习过程中，能够进一步领会其背后的本质和思想，了解真实的科学事业是如何发展的，从而达成科学素养的提高。课程标准是国家对基础教育课程的基本规范和要求，是教材编写、教学、评估和考试命题的重要依据[1]。现行《普通高中物理课程标准（2017年版2022年修订）》[2]和《义务教育物理课程标准（2022年版）》[3]是在深入总结我国课程改革经验，充分借鉴国际课程改革的优秀成果基础上，既符合我国国情又具有国际视野的纲领性教学文件。新课程标准强调学科育人价值，注重体现科学本质，从而提升公民科学素养。将科学史与科学哲学落实到科学课程与教学中，能够让学生在科学史哲背景下，了解科学概念与科学规律及其发展进程，发展科学思维、探究能力和科学态度等，达成对科学本质的理解，乃至科学素养提升。在此背景下，研究科学史与科学哲学在中学物理课程标准中的呈现，有助于深入挖掘科学史与科学哲学对中学物理教学的意义，为中学物理教学融入科学史与科学哲学提供理论支持。

浮力实验

中学物理课程标准中的科学史与科学哲学呈现

中学物理课程标准

2022年，教育部修改了《义务教育课程方案》，在课程方案的指导下，《义务教育物理课程标准（2022年版）》出台。相对以往的课程标准，2022年版的物理课标优化了课程内容结构，加强了学段连接。其中，新课标以“核心素养”课程目标为引领，实现义务教育不同阶段的有效衔接，同时也与《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中的核心素养对应。核心素养作为义务教育阶段和普通高中阶段的物理学科课程目标，包含了“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。其中，“科学态度与责任”主要包括科学本质、科学态度、社会责任等要素。课程内容部分是依据课程目标及不同的物理内容特点进行分类整合，以主题形式呈现的学生所要掌握的内容。《义务教育物理课程标准（2022年版）》中将课程内容分为“物质”“运动和相互作用”“能量”“实验探究”“跨学科实践”5个一级主题，在每个一级主题下再细分二级主题[4]。《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》则将课程内容划分为必修、选择性必修和选修三个模块，并在每个模块中以一级主题和二级主题方式呈现相应内容[5]。

科学史与科学哲学在中学物理课程标准中的呈现

在科学史家的认识中，科学史与科学哲学丰富地展现了科学知识的本质、科学发展中的各种方法与概念，以及科学与人文关系等科学本质内涵[6]。物理课程标准中科学史与科学哲学的呈现，凸显了科学知识的建构性、科学方法的多样性、科学事业发展中的责任与态度。

“我心目中的科学家”活动

凸显科学知识的建构性特征

科学知识是人们建构的产物，其形成与发展需要经由观察、实验、假设及检验等过程。在物理学的发展过程中，科学知识是在推翻与被推翻、曲折与反复、抽象与概括中不断建构的产物。科学知识的建构性主要表现为：

● 科学知识需要被验证，科学需要证据，证实或证伪才能将科学知识同单纯的信仰或假想区分开来[7]。科学史与科学哲学在高中物理课程标准的呈现，首先表现为科学知识的实证性，如课标“必修1”中1.1.4“通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用。”这一物理学史展现了伽利略推翻亚里士多德传世定论的过程。伽利略先是用逻辑推理驳斥了亚里士多德“重物下落更快”的定论，又创造性地将科学实验与科学推理相结合，将斜面实验结论推广至自由落体运动，从而彻底推翻了亚里士多德的错误定论。针对“选择性必修2”中2.3.3的例2“演示赫兹实验，体会理论预言在科学发展中的作用，以及实验证据对新理论的支撑作用”的内容说明，教材中介绍了麦克斯韦作出预言，赫兹通过自制实验装置证实了电磁波的存在及电磁波与光的统一性证明这一漫长的历史过程。这段物理学史进一步凸显了科学知识是需要被验证的，即科学知识的实证性。

● 科学知识、理论和方法是发展的，需要在曲折与反复中不断进化。科学知识的发展受到历史和社会因素的影响，科学研究工作者在特定的阶段倾向于采用较为一致的理论假设，但这些理论和假设不是固定不变的，而是处在动态发展中[8]。在义务教育物理课程标准的“物质”主题内容中1.3.2“了解原子的核式结构模型。了解人类探索微观世界的大致历程，关注人类探索微观世界的新进展”中包含了原子结构模型的发展演变史。教材进一步呈现了原子核式结构模型经历的不断修正过程：从汤姆孙提出的“西瓜模型”，到卢瑟福的原子核式结构模型，再到丹麦科学家波尔对原子核式结构模型进行了改进。高中物理课程标准“选修1”中1.1.4“了解波粒二象性的物理思想，体会人们对物质本性认识的不断发展”包含了人们对光的本质的认识发展史。教材则具体呈现了从牛顿时期光的“粒子说”占主流，到麦克斯韦电磁理论使光的“波动说”被大众接受，再到爱因斯坦的光电效应理论和康普顿效应理论。人们对光的本质的认识正是在“粒子说”和“波动说”的曲折发展和反复中不断深入的。

实验探究

强调科学方法的多样性

实验、科学家等都是构成科学史的重要因素。物理学史上出现了诸多伟大科学家，其贡献不仅在于不断地丰富人类的科学知识，而且为科学研究提供了宝贵的实践方法。物理课程标准中的科学史与科学哲学呈现，还表现于其承载的探究途径、科学方法、科学思想等。物理课程标准中的科学史与科学哲学体现了物理学发展过程中科学方法的多样性，多次强调通过科学史实让学生体会极限法、模型建构、物理实验、科学推理等科学研究方法在探索自然规律或物理学研究中的作用。高中物理“必修1”注重在机械运动情境下培养学生模型建构的物理思维方式，如1.1.2“知道将物体抽象为质点的条件，能将特定实际情境中的物体抽象成质点。体会建构物理模型的思维方式，认识物理模型在探索自然规律中的作用”。除此之外，“必修1”中1.1.4还要求“通过实验，认识自由落体运动规律。结合物理学史的相关内容，认识物理实验与科学推理在物理学研究中的作用”。自由落体运动是伽利略对斜面理想实验的推广，蕴含了伽利略“实验+推理”的科学方法。科学探究中所蕴含的重要科学思想可以结合科学史中科学家所处真实情境引导学生理解。如“必修3”中的“教学提示”指出“重视发挥物理学史的教育功能，让学生了解库仑定律的探索历程，体会库仑扭秤实验设计的实验思想与方法”。库伦为了解决当时所面临的电荷间相互作用力太小难以测量、电荷量无法测量的问题，巧妙地设计了扭秤装置，运用放大法、转换法和电荷等量均分的科学思想解决了难题，并通过实验得出库仑定律。即在感悟科学思想的同时也充分结合了情境。在义务教育物理课程标准中的科学史与科学哲学所涉及的科学方法，主要包括模型建构和物理实验等。如“物质”主题内容中的“学业要求”指出“知道建构模型是物理研究的重要方法，了解原子的核式结构模型”；“运动和相互作用”主题内容的“教学提示”要求“渗透科学研究方法，培养学生的科学思维。例如，通过实验引导学生认识光线等物理模型，体会物理模型的重要作用”。此外，义务教育物理课程标准还强调让学生通过实验认识物理研究的本质，如“物质”主题内容的“学业要求”指出“能通过物态变化等实验，感受物理研究是建立在观察、实验和推理基础上的创造性工作”；“运动和相互作用”主题内容的“学业要求”也强调“知道物理学是对相关自然现象的描述与解释，物理学研究需要观察、实验和推理”。

彰显科学事业的发展与科学家的科学态度与社会责任感

科学史与科学哲学在高中物理课程标准中的呈现还表现在让学生了解某一领域科学事业的发展过程，体会科学家在科学事业发展中所发挥的作用，以及科学家取得的成就对科学发展的价值意义。这类科学史实的融入强调了科学家个人的成就和贡献，集中体现了科学家的科学态度与社会责任感，例如高中物理课程标准“必修2”中2.2.5的例子“了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献”和“选修1”中1.1.1“了解哥白尼日心说对宇宙观的冲击”“了解开普勒定律对牛顿发现万有引力定律的重要作用”，是为了让学生通过了解不同科学家的工作，体会到科学事业是后人站在前人的肩膀上发展的，每一位科学家的工作都有其价值所在。除此之外，科学史实的融入还强调了某个科学领域内多个具有代表性的科学家持续不断的贡献。如“选择性必修3”中3.2.1内容要求“通过有关史实，了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义”。这一内容体现了融入科学史，也旨在让学生了解科学事业的发展不是一帆风顺的，而是需要科学家经过一次又一次的尝试，并且在尝试过程中会经历挫折和失败。类似的体现还有“必修2”中2.3.1“知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深入的”。义务教育物理课程标准中的科学史与科学哲学主要通过介绍我国某一科学技术领域的发展和贡献，让学生在了解我国科学家的成就基础上树立正确的科学态度和社会责任感。如介绍与我国古代有关的科技成就，比如“物质”主题内容1.1.3的例3“了解我国古代的铸造技术，并尝试运用物态变化知识进行解释”，1.2的“活动建议”为“查阅资料，了解我国古代青铜器、铁器的制造技术及其对社会进步的推动作用”，以及在“运动和相互作用”主题内容2.4.2的例3“查阅资料，了解我国古代指南针的发明对人类社会发展的贡献”等，集中体现了我国古代科学技术成就促进学生了解我国的科学技术事业发展的作用，以此提高学生的民族自信和文化自信。“运动和相互作用”主题内容的“教学提示”中提到的“通过讨论和分析孔明灯、司南等……培养学生的爱国情怀，提升学生的民族自豪感和实现中华民族伟大复兴的使命感”等，也都强调了可以借助科学史实，进一步培养学生的科学态度和社会责任感。

科学史与科学哲学应用于物理教学的意义

科学本质即对“科学是什么”或“什么是科学”的回答[9][10]，不同历史时期、不同的国家和地区，以及不同的科学探究学者对科学本质的内涵有着各自的认识和理解。随着科学的发展，人们对科学的本质的认识是逐渐深化的。对不同学者的研究文献进行梳理[11][12]，科学的本质在基础科学教育方面大致可以概括为：科学知识是多元的，具有暂时性特征；科学知识在很大程度上依赖于观察、实验证据、理性的论据和怀疑，但又不完全依赖这些东西；通往科学没有唯一的道路，因为没有一种普适的可照搬的科学方法；科学是一种解释自然的尝试；在科学中，规律和理论起着不同的作用，即科学理论不会因为科学证据的获得而变成科学规律；来自一切文化背景的人都对科学作出贡献；新的知识必须要清楚地、公开地得到报道；科学家需要保持准确的记录，需要同行评议，其研究结果需要可复现性；观察渗透理论；科学家要有创造性，科学史既揭示了科学的进化特征，也揭示了科学的革命特征；科学是社会和文化传统的一部分；科学和技术彼此影响；科学思想受到社会和历史环境的影响。物理课程与教学融入科学史与科学哲学可以让学生更好地把握科学本质，理解科学知识的产生过程，科学在社会发展和进步中的作用，以及科学和科学方法的优点和局限性等，从而帮助学生区分科学与非科学／伪科学，驱散唯科学主义迷雾，正确认识科学技术与社会发展的关系。

扭秤实验

强调科学知识的建构过程，促进学生理解科学知识的本质

从科学史的发展历程看，科学知识被视为科学家通过观察、实验等研究方式，依据新发现的证据进行逻辑分析，再经由科学界争论后得到的统一解释。与科学家的研究活动相似，学习者的科学学习过程也应与科学知识的产生过程融为一体，即通过对自然界的观察与研究，在先前经验的基础上建立起新的理解，从而深化自身对科学知识的学习。然而不论是学习者还是科学家，在建立新的科学概念和进一步理解这些科学概念时，他们的前概念都是居于中心地位的。当这些概念与科学上所认可的观点一致时，这些前概念就是进一步深入理解科学知识的基础。事实上，很多学习者的前概念与目前公认的科学知识并不一致。这些前概念可能在一定范围内阐释自然与社会现象时是合理与恰当的，但将其理解为概念的普适应用往往是一种错误的认知。例如，在对浮力的认识上，学生往往会认为重的物体（铁）会沉入水中，轻的物体（木头）会浮在水面上；体积大的物体受到的浮力大，会上浮，体积小的物体受到的浮力小，会下沉。在学习电流前，受到电流概念中“流”的影响，学生认为越靠近电源正极的地方，电流会越大；电流通过电路元件时，后面的电路元件得到的电流是前面用完剩下的。在力学领域，学生容易认为只有有生命的人或动物，以及发动机、磁铁、带电体等几种特殊物体才能施出力来，还有学生认为力的作用是单方面的，如人、动物或磁铁等施力于某物体时，并不受到受力物体的反作用力。学生头脑中的这些前概念通常很顽固，教师在使用常规方法进行教学时，往往很难改变他们的前概念。只有当学生的前概念不能充分描述或解释一个事件或观察到的现象时（即对原有概念不满），在新的概念可理解的情况下，他们才会试图改变[13]。然而，物理教材多数呈现的是当前已被证实的科学知识和理论，学生通过模式化的记忆与背诵吸收这些知识，容易对科学学习和科学研究方法产生错误或简单化的观点。针对这些问题，在物理课程标准中融入科学史与科学哲学，能实现对教材编写与教师教学实践的双重指导，以此引导学生重演科学家获得这些知识的过程，最终实现对科学知识本质的理解。具体来说，科学史与科学哲学应用于物理教学，重现了科学家对科学知识的建构过程，且为学生提供了一种认识情境，通过这种情境能有效认识到有些科学知识是在战胜相应错误知识的过程中不断发展的。因此，在教材中呈现历史上的科学家是怎样建构重要概念和理论，能帮助学生认识科学知识建构的真实过程，从而深刻理解这些知识。在具体的教学过程中，科学史与科学哲学也是帮助教师合理进行教学设计的良好指向标，能指引教师高度关注学生在课堂教学情境中展露出来的原有知识、技能、态度和信念。教师在尊重与理解学生已有经验的基础上，帮助学生重构对所学知识的理解，并带领学生经历科学概念、理论或定律的完整建构过程，以形成新的科学知识体系并理解科学知识的本质。

突出科学发展中的科学研究过程，帮助学生体会科学方法的思想内涵

儿童思维的心理发生与科学概念的历史发展之间的连续性，即科学家与儿童在认知方面的相似性[14]，为科学史与科学哲学应用于物理教学提供了心理学基础。皮亚杰[15]探索了儿童思维的心理发生与科学概念历史演变之间的连续性与同构性，通过比较“动量”概念的形成和发展过程的历史考察，以及儿童“动量”概念的心理发生，强调了“动量”概念在经验现象解释发展的历史过程，与学生认识“动量”概念心理发生过程间的明显类似。这意味着在物理学的发展历程中，科学家难以攻克的部分往往也是学生学习的难点，科学发展史上关键性的突破和物理学家伟大贡献之处，也往往成为教学的重点所在。物理学的发展历史中蕴含着大量物理学家巧妙运用方法的探究过程，教师可以利用这些事例让学生领悟科学研究方法对于物理学发展的重要性。例如高中物理“选择性必修2”的学业要求中强调“能通过与法拉第电磁感应定律和楞次定律有关的科学探究，掌握对实验证据进行分析与归纳的方法”。楞次定律是楞次基于对大量实验事实分析后归纳出的关于感应电流方向的规律，其中蕴含了归纳推理方法。教材中对这一科学方法也作了详细阐述：“归纳推理是从一类事物的部分对象所具有的某种属性出发，推理出这类事物的所有对象都具有共同属性的推理方法，也就是由具体结论推理出一般规律的方法”。将科学史与科学哲学应用于物理教学，有助于学生理解楞次定律这一科学知识本身，同时教师可通过引导学生对实验现象进行归纳，在探究楞次定律的过程中感受归纳推理方法。教师还可以带领学生重演物理学家的探究过程，从而感受其中的科学方法。以伽利略对牛顿第一定律的探究为例，初中、高中物理课程标准都提及对伽利略斜面实验所蕴含的科学方法与思想的学习。在高中物理课程标准“必修1”中1.1.1的例1提出“了解伽利略的实验研究工作，认识伽利略有关实验的科学思想和方法”，相应的高中教材“牛顿第一定律”一节中设置了“理想实验的魅力”模块，对伽利略理想斜面实验作了详细的介绍，并在留白注释处强调“这种依据逻辑推理把实际实验理想化的思想也是研究物理问题的重要方法之一”。义务教育物理课程标准的“运动和相互作用”主题内容2.2.5例6要求“了解伽利略在探究与物体惯性有关问题时采用的思想实验，体会科学推理在科学探究中的作用”，相应的初中“人教版”物理教科书8年级下册的“牛顿第一定律”一节中，虽然没有对理想斜面实验进行描述，但是也通过阻力对物体运动的影响实验得出牛顿第一定律，明确指出“牛顿第一定律虽然不是直接由实验得出的，但其中符合逻辑的科学推理是非常重要的”。强调科学史与科学哲学在物理教学中的价值，教师就可以“重演”伽利略的斜面实验，复现其科学探究过程，促进学生对科学推理方法、理想化思想有更加深刻的认识。

“竹筏制作”学习单

讲好科学家故事，促使学生领会科学家精神

罗伯特·金·默顿（Robert King Merton）认为科学的精神气质是指约束科学家的有情感色调的价值和规范综合体[16]。科学家是科学精神的载体，科学家的品德或良心是科学精神的内化体现。科学家精神体现了科学精神的内涵，但却不局限于科学精神。科学史与科学哲学应用于中学物理教学的价值，不仅在于引导学生认识到科学与人文的关系，还在于通过再现科学家工作的过程，或呈现某一科学领域中众多科学家的成就是如何促成相关领域进步与科学事业发展，进而促进学生理解科学家的精神。具体来说，通过了解科学发展过程中的故事和案例，学生可以更加全面深刻地看待科学事业与科学家之间的关系；领会到科学家精神对科学家作出贡献的作用；理解科学也是一种社会建构的产物等。引入合适的科学史与科学哲学内容，还可以促进学生民族自豪感、社会责任感的形成与发展。例如在初中物理中介绍人类对物质的认识历程的过程中，通过引入我国在航天科技方面的历史成就和科学家事迹，可以唤起学生的民族自豪感，激起他们对从事科学技术事业的向往。义务教育物理课程标准中“物质”主题内容中的“活动建议”部分，提出可以“查阅资料，了解‘中国天眼’在人类探索宇宙中的作用及我国科学家在建造‘中国天眼’过程中的卓越贡献”。南仁东被誉为是“中国天眼之父”，“中国天眼”即500米口径的球面射电望远镜（FAST）。为了实现这个宏伟的梦想，南仁东奉献了自己的一生，在天眼落成后1年，南仁东也因为肺癌晚期溘然长逝。南仁东与FAST的故事是一个充满了艰辛、坚守和勇气的故事，可以给人们心中带来力量。在他身上我们能够充分感受那份我国科学家爱国敬业、不畏艰辛、勇于攀登的精神品质。此外，义务教育物理课程标准“跨学科实践”中5.3.3“了解我国科技发展成就，增强科技强国的责任感和使命感”给出的对应例子也作了对科学家事迹介绍的详细阐述：“了解我国‘两弹一星’的成就，体会科技作为国家发展战略支持的重大意义，树立科技自强的信念；知晓赵忠尧、钱学森、邓稼先等科学家的杰出贡献和爱国情怀，发扬勇攀科技高峰的精神。”在我国航空航天发展史中，出现了许多科学家的伟大事迹，这些事迹可以作为教学素材让学生充分感受到我国科学家身上的伟大精神品质，并在这样的科学学习中充分接受爱国精神的熏陶，从而在心中埋下为国家乃至全人类的科学事业奋斗的种子。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部．义务教育课程方案（2022年版）[S]．北京：北京师范大学出版社，2022．

[2][5] 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2022年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2022．

[3][4] 中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（2022年版）[S]．北京：北京师范大学出版社，2022．

[6] 黄晓．体现科学本质的科学教学——基于HPS的视角[M]．北京：人民出版社，2014．

[7][8] 裴新宁，郑太年．在探究中体验科学——科学主题的研究性学习[M]．广东教育出版社，2006．

[9] A. F. 查尔默斯著，鲁旭东译．科学究竟是什么？[M]．北京：商务印书馆，2020．

[10] 李醒民．什么是科学[M]．北京：商务印书馆，2014．

[11] W. F. McComas. The Nature of Science in Science Education: Rationales and Strategies[M]. Springer Science & Business Media, 2006.

[12] N. G. Lederman, P. D. Wade & R. L. Bell. Assessing the Nature of Science: What is the Nature of Our Assessments? [J]. Science & Education,1998, Vol7:595-615.

[13] G. J. Posner, K. A. Strike, P. W. Hewson, et al. Accommodation of a Scientific Conception: Toward a Theory of Conceptual Change. Science Education, 1982, 66(2): 211-227.

[14] J. 皮亚杰，R. 加西亚著，姜志辉译．心理发生和科学史[M]．上海：华东师范大学出版社，2005．

[15] A. Gopnik. The Scientist as Child[J]. Philosophy of Science, 1996, Vol63: 486.

[16] 罗伯特·金·默顿．科学社会学[M]．北京：商务印书馆，2003．

原文刊载于《中国科技教育》2022年第9期专题栏目，作者：黄晓、钱晨璇／浙江师范大学教师教育学院。