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。

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。

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。

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。

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。