论惯性物理学论文

2022-04-16

摘要：针对有些人认为牛顿第一定律是第二定律在合外力F合=0时的特例这一观点，本文将从牛顿第一定律的历史地位、牛顿第一定律是其他定律建立的前提和基础、以及“受力”物体运动的规律不能包括“不受力”物体运动的规律三个方面，谈谈笔者对牛顿第一定律的理解。以下是小编精心整理的《论惯性物理学论文(精选3篇)》，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助！

论惯性物理学论文篇1：

惯性的量度及本质的再探讨

惯性思想的萌芽，可以追溯到古希腊的原子论者，他们设想原子在虚空中不受阻力，会一直等速的运动下去.这种对运动的描述隐含着惯性的思想，对后世认识惯性有一定的积极作用.伽利略（Galileo Galilei，1564-1642）在前人的研究基础上，首次运用观察、实验和抽象的思维，从欧式几何的观点论证了惯性运动，而直到牛顿（Isaac Newton，1643-1727）才使“惯性的概念”更加科学化.爱因斯坦的相对论给出了高速物体的力学规律，建立了新的时空观，揭示了质量与能量的内在联系，使得惯性的概念与内涵又有了前所未有的深度与广度.因此.从相对论的视角进一步探讨惯性大小的量度及其物理学意义的本质，是有必要的.

1牛顿对惯性的定义

牛顿在其论著《自然哲学的数学原理》中首次给出惯性更科学的定义：“vis insita或物质固有的力，是一种起抵抗作用的力，它存在于每一个物体当中，大小与该物体相当，并使之保持现有的状态，或是静止，或是匀速直线运动.” 可以看出，牛顿认为惯性由物体内在的属性——惯性力或质量决定，这是他在前人基础上最大的突破，这段演化过程的重要原因是他对惯性质量的提出.

现今使用的高中教材对惯性的阐述也皆源于牛顿的，如人教版物理必修1中写道：“物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态的性质，我们把这个性质叫做惯性……描述物体惯性的物理量是它们的质量.”

然而，为什么质量是惯性大小的量度？当质量可以随速度发生变化时，惯性又由什么来衡量？

2质量作为惯性大小量度的原因

牛顿认为，质量是惯性大小的量度，质量越大，惯性则越大.从牛顿第二定律的微分表达式=mddt可知，在一定力的作用下，质量m越大，在相同的时间内速度的改变量d就越小，即物体的运动状态就越难改变，也就是表示物体运动状态改变难易程度的量——惯性，就越大.因此，质量是惯性大小的量度.相关史料表明，牛顿在研究第一定律时就“已经认识到作用力与物体（实际上指质量）和运动大小成比例” ，也就是说两个定律虽然在提出的时间上有先后，但研究的过程及思想是相辅相成的.

牛顿把质量视为惯性大小的量度，在他的绝对时空观里，某一特定物体的质量是不变的，因此惯性的大小也是恒定的.爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）的狭义相对论却构造出一种全新的力学，在这种力学里，惯性不再仅由质量决定.

3相对论中的惯性量度的参照

在狭义相对论内，由动量守恒定律和相对论速度变换的关系，可以从理论上推导出速度和质量的关系如下：

（5）式为相对论中的动能表达式，爱因斯坦把mc2称为运动时的能量，把m0c2称为静能，E=mc2即为物体的质能关系式.该式表明“在质量与能之间没有重要的区别，能具有质量而质量代表着能”，这大大扩充了质量的内涵，同时也拓宽了惯性的定义.“所有的能都会抵抗运动的改变；所有的能的行为都和物质的一样”，因此惯性是能量的属性，能量具有惯性.既然质量就是潜在的能量，那么惯性的量化究竟是质量还是能量？笔者认为是能量，论述如下.

由E=mc2可知，当能量增加E时，质量伴随着增加Ec2，其中分母c2是一个很大的因子，增量E必须也很大时，质量的增加才能被测出，因此，如果用质量作为惯性大小的量度，误差会相对较大.相反，如果用能量作为惯性大小的量度，即使质量增加很微小，能量的增量也很明显，对惯性的量度就会相对准确.因此，在狭义相对论内，能量是量化的惯性.

爱因斯坦把科学家对自然的探索比喻成一部侦探小说，不同的线索导致不同的发现，狭义相对论使得对惯性的量度发生了改变，那么广义相对论对惯性又产生了怎样的影响？

4惯性本质的再探讨

牛顿在“《论流体中的球体运动》、《论均匀可变形介质中物体的运动》和《论物体的运动》等手稿中，都是以物体或物质的内力为着眼点，探讨惯性的本质” .然而，爱因斯坦的广义相对论对此却提出了另一种观点.下面从惯性质量与引力质量着手，探讨惯性的本质.

伽利略的比萨斜塔自由落体实验说明，在地球上任何时刻任何地点所有自由落体的重力加速度都相等，即aA=aB，因此由（9）式和（10）式可得

m惯Am引A=m惯Bm引B=常数（11）

适当调整引力常数的数值，可得到m惯=m引，即惯性质量同引力质量在数值上是相等的，这种数值上的相等，暗示着性质上的相同，爱因斯坦正是注意到惯性与引力的同一性，进而导致了广义相对论的产生.既然惯性的本性同引力的本性是统一的，探究惯性的本质便可以追溯到引力，然而目前科学界对引力的本质尚未有统一的定论，最常见的是引力场是一种磁场，引力的本质是电磁的相互作用.但无论哪一种学说，引力终归于物质间的相互作用，由此可以说，惯性来源于物体的相互作用.在《爱因斯坦文集》中，对“惯性是否该追溯到同远距离物质的相互作用”的问题，爱因斯坦给出肯定的回答，同时这与马赫对牛顿水桶实验的批判结果也是一致的.

5小结

综上所述：惯性大小的量度在牛顿经典力学中是质量，而在狭义相对论内是能量；牛顿以物体的内力为着眼点探讨惯性的本质，而在广义相对论内，惯性的本质是物体的相互作用.

基于上述论述，笔者对高中物理中“牛顿运动定律”的教学提出三点建议：第一，在学习惯性之前，让学生查阅惯性概念的发展历程，这对学生培养科学的情感、态度，以及了解正确的研究方法、分析问题的方法有很大的帮助；第二，学完牛顿第二定律后，让学生试着用解释“为什么质量是惯性大小的量度”，这有助于学生更好的掌握牛顿第二定律并对惯性有更深刻的理解；第三，学完相对论后，可以让学生探讨“既然质量就是能量，那么能量是否可以作为惯性大小的量度，如果可以，质量合适还是能量合适”.

作者：孟菲菲

论惯性物理学论文篇2：

牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例吗

摘要：针对有些人认为牛顿第一定律是第二定律在合外力F合 = 0时的特例这一观点，本文将从牛顿第一定律的历史地位、牛顿第一定律是其他定律建立的前提和基础、以及“受力”物体运动的规律不能包括“不受力”物体运动的规律三个方面，谈谈笔者对牛顿第一定律的理解。

关键词：牛顿第一定律；牛顿第二定律；特例

1 引言

牛顿在《自然哲学的数学原理》中对牛顿第一定律的原始表述是：“任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。”牛顿第一定律是牛顿经典力学体系的开篇，也是继续学习牛顿第二定律、第三定律的基础。然而，常常遇到有人提出这样的问题：依据牛顿第二定律，当物体所受合外力 F合 = 0 时，加速度a= 0，此时物体将保持静止或匀速直线运动状态，由此说来，牛顿第一定律不就是第二定律的一个特例了吗？进而认为牛顿第一定律是可有可无的，它完全可以由牛顿第二定律代替了。那么，牛顿第一定律和牛顿第二定律究竟是什么关系？牛顿第一定律真的可以包含在第二定律里面吗？

笔者认为，在学习牛顿力学的过程中，要想解答这个问题，则必须搞清牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位，知道第一定律和第二定律的联系和区别，只有这样，才能够更加深刻地理解牛顿力学体系，为以后学习动力学打下坚实的基础。

2 牛顿第一定律的历史地位

长期以来，在研究物体运动原因的过程中，人们的经验是：要使一个物体运动，必须推它或者拉它。因此，人们直觉地认为，物体的运动是与推、拉等行为相联系的，如果不再推、拉，原来的运动便会停下来。根据这类经验，亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才会运动；没有力的作用，物体就要静止在一个地方。这种观念统治人们的思想长达两千多年，直到伽利略把实验和数学结合在一起，通过“理想斜面实验”和科学推理才推翻了亚里士多德等人的错误的力的概念。而牛顿在总结了伽利略和笛卡尔等人的结论的基础上，提出了著名的牛顿第一定律，为后面建立了重要的理论基础。牛顿把它放在三定律的最前面，更加突出了它在历史上的重要地位。

3 牛顿第一定律是其他定律建立的前提和基础

牛顿第一定律中包含的基本概念，奠定了经典力学的概念基础，从而使它处于理论系统中第一个原理的前提地位，这表现在：

3.1 为第二定律的建立奠定了理论基础

牛顿第一定律首先定性地描述了物体运动状态改变的原因是受到外力的作用，第二定律则定量地揭示了质点在力的作用下运动状态的改变，即获得加速度。在牛顿第一定律的基础上，牛顿第二定律才有可能给出了力F、质量m和加速度a三者之间的定量关系： F = kma （式中比例系数 k 决定于力、质量和加速度的单位），从而给人类找到了一条精确的动力学规律。

3.2 科学地阐释了力的涵义

牛顿第一定律指出：所谓力就是使物体运动状态发生变化的能力，即力是改变物体运动状态的原因。牛顿第一定律告诉我们，物体受到外力的作用就会改变运动状态，而物体的运动状态变化必然存在加速度，即力的作用是物体获得加速度的原因。这样就不仅把力和加速度联系起来了，为牛顿第二定律奠定了基础，而且提出了力的本质是物体与物体之间的相互作用，为第三定律做了铺垫。

3.3 确定了研究的对象——质点

牛顿第一定律所指的物体指的是质点，即有质量但不存在体积或形状的点，它是物理学的一个理想化模型，也是牛顿第二定律的物质客体模型。牛顿第一定律里面谈到的物体指的是质点，也就是说，惯性是指质点的惯性，或物体作平动时的惯性。对于转动的物体来说，也是存在惯性的，但和这里所说的惯性不是一回事。由牛顿第二定律可知，质点的惯性是用质量来量度的，质量大，惯性大。而转动物体的惯性是由转动惯量来量度的，转动惯量大，则惯性大。质量的大小是跟物体的形状无关，而转动惯量的大小跟物体的形状有关，二者要区分开来。

3.4 提出了惯性的概念

牛顿第一定律揭示了任何物体具有保持其原有运动状态不变的性质——惯性，而外力则是迫使物体运动状态改变的因素。因此，惯性和力是相互对立、相互排斥又相互依存的矛盾双方。一方面，外力作用迫使物体的运动状态要“变”；另一方面，物体本身具有的惯性又保持其原有的状态“不变”。它们矛盾着的两个方面共同作用物体的结果：既使物体的运动状态必然发生变化，又使得运动状态变化的快慢程度有一定的“节制”。

3.5 确定了研究的适用范围——惯性参考系

一个物体是运动的还是静止的，只能相对于参考系而言。研究动力学问题时，如果对参考系没有限制，就没有统一的运动规律和力学规律。牛顿第一定律尤为重要的是，它为整个力学体系选定了一种特殊的参考系——惯性参考系，牛顿第二、第三定律只有在惯性参考系下才成立。

朗道《场论》（主要是相对论电动力学）给出的定义：牛顿第一定律成立的参照系叫做惯性参考系，简称惯性系（原文直接说在这样的参考系中，一个不受相互作用的粒子将保持相对静止或匀速直线运动）。关于惯性系，要了解：

①不受相互作用的物体不存在，绝对静止的物体也不存在，由于宇宙中的引力不可避免，绝对的惯性系是不存在的，但近似的惯性系是始终存在的。在实际应用中，总是根据需要选取近似的惯性系，比如，在研究地面上物体小范围内的运动时，地球是一个良好的惯性系。

②如果找到一个惯性系，就必然有无数多个惯性系，两个惯性系之间的相对速度必是常数。相对于一个惯性系，任何非惯性系必定呈加速度运动，所以，一个合外力是零的质点在任何惯性系内测量出的速度必定是常数，只有在合外力不为零的状况下，质点才会做加速运动。

3.6 提出了惯性质量的概念

在牛顿第一定律引出了惯性的概念，惯性的量度即为质量。实验表明，以同样大小的力作用到不同的物体上时，一般说来它们所获得的加速度是不同的。例如，用同样大小的力推动一辆空车和一辆载重车时，空车获得的加速度要比载重车获得的加速度大。这就说明，在外加力的作用下，物体所获得的加速度不仅与力有关，而且还与物体本身的某种特性有关。这个特性就是惯性。在同样大小的力的作用下，空车获得的加速度大，就表明它维持原有运动状态的能力小，即惯性小；载重车获得的加速度小，就表明它维持原有运动状态的能力大，即惯性大。在物理学中，就引入惯性质量这样一个物理量来表示物体惯性的大小。当然，这里所说的“物体”仍应理解为是指质点。所以可以说，惯性质量是物体被当做质点时其惯性大小的量度，也可以说，惯性质量是物体平动时惯性大小的量度。

4 “受力”物体运动的规律不能包括“不受力”物体运动的规律

F合=0不是“不受力”，而是在“受力”的前提下合外力为零，虽然与“不受力”时运动状态相同，但此时a=0不是第一定律的惯性运动。首先，第一定律必有“不受力”的前提条件，它的运动状态的决定因素只是物体的惯性，而牛顿第二定律所描述的物体的运动状态，是由物体的惯性和力共同作用的结果；其次，第二定律是建立在物体“受力”下真实实验的基础上的，因此由它不能逻辑地推断F趋近于0时的理想极限情况下的运动。物体不受力时的加速度如何，只能靠理想实验说明。第一和第二定律有不同的实验基础，真实实验不能包括理想实验。

5 结语

由此可见，牛顿第一定律不仅具有重要的地位，而且也是牛顿经典力学的基础，它不能包含在第二定律中，更无法由第二定律推导得出。那种认为“牛顿第一定律是牛顿第二定律的特例”，甚至认为牛顿第一定律是可有可无的想法，显然是错误的。

参考文献：

[1]刘胜海.论牛顿三定律的关系[J].六盘水师范高等专科学校学报，2009，（6）：19.

[2]李忠.牛顿第一定律在经典力学理论系统中的重要地位[J].物理教师，1995，（4）：5.

（栏目编辑王柏庐）

作者：张立久

论惯性物理学论文篇3：

物理学科研究与物理学科教育关系的多维审度

[作者简介]*马亚鹏（1986—），男，宁夏隆德人。中学高级教师，宁夏大学研究生导师，陕西师范大学硕士生校外合作导师。宁夏青年五四奖章获得者，宁夏青年拔尖人才。主要研究方向为物理教学与科学文化。

[摘要]物理学科研究与物理学科教育之间具有错综复杂的关系，从物理学、课程论、学习论、教学论和教育学等多学科和跨学科的视角对二者关系的审度中，明确了物理学科研究是物理学科教育的基础，为物理课程内容选择提供支撑，能够调整、简化、优化物理教学，结合学生身心发展特点的学科研究是促进学科逻辑与心理逻辑相统一的必然路径。物理学科教育中的物理学科研究受教育价值观念的制约与引领，范围也更广。为此，中学物理学科研究需要上升至物理学科教育学。

[关键词]物理学科研究;物理学科教育;学科育人价值;审度

中学物理教学中存在混淆学科研究与学科教育的倾向，使得一方面在研究领域对一些物理疑难问题的讨论陷入无休止的争论和辩论的境地而置育人价值于不顾;另一方面在实践领域则无视课程标准要求与学生身心发展特点，盲目地将一些超出课程标准要求的、难度较大的物理知识引入教学，加重了学生的学业负担，也在一定程度上导致学生对物理产生畏难情绪，不利于学生素养的发展。因此，重新审度物理学科研究与物理学科教育，对落实物理学科核心素养，凸显物理学科的育人价值具有重要意义。本文通过对二者内涵的阐发，从物理学、课程论、学习论、教学论和教育学等多维视角展开论述，以期从中学物理学科研究走向物理学科教育学，更好地发挥物理学科独特的育人功能。

1物理学科研究与物理学科教育的内涵

1.1物理学科研究

学科是某一领域知识积累到一定阶段后经结构化、逻辑化所形成的知识体系，物理学科是物理学发展的结晶，是物理概念、规律、方法及其关系的结构化组织，是物理知识、物理思想、物理方法和科学精神的内在统一。物理学科完整地记录了物理学发展的成果，并将其加以整合，形成有意义的知识结构，如以牛顿力学、热力学、统计物理、电磁学、光学和原子物理学构成的普通物理学就是物理学科的典范。

物理学科研究属于基础研究领域，主要定位于主动寻求物理学科中一些知识、问题的根本性原因和更高可靠性的理由依据，从而使对物理问题的认识更为科学、严谨、可靠，它更多是从研究的角度来审视物理学科知识，是应用科学的方法以探求和获得问题的解决。正因为如此，必然要从科学性、严谨性、原则性等方面对物理学科研究的问题给予考虑。比如对重力与万有引力之间的关系，中学物理教学中大量充斥着“重力是万有引力的一个分力”的观点，这一观点是否正确呢？物理学中通常把地面附近的物体受到的引力称之为重力。在实践中，人们通常使用台秤来测量物体重力的大小，即在与地面相对静止的情况下，用重物对台秤压力的大小表示重力的大小。但由于地球自转的影响，地球并非为严格的惯性参考系，这种方法测得的重力的大小并不等于引力的大小，因此将其称之为“表观重力”。进一步分析，从非惯性系动力学的角度，“（表观）重力是万有引力和惯性离心力的合力”[1]。由此可见，物理学科研究就是要对重要概念和规律形成明晰、准确、科学的认识，并纠正平时教学中形成的错误观点，更进一步为科学的发展扫清障碍或者匡正道路。尤为重要的，物理科学研究的目的是要实现物理科学的创新与进步，如爱因斯坦的相对论对牛顿力学的扬弃就是物理学史中最具创造性的光辉篇章。

1.2物理学科教育

学科教育是根据学科课程计划实现培养人的活动，因此它的载体，如课程标准、教材等，更多是从教育的角度来阐述和诠释学科知识，所以不仅需要考虑国家、社会对学生的发展要求，还得考虑学习对象的年龄特征、认知水平、思维方式、理解能力，等等。正是基于此，《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对高中物理课程性质做了明确的界定：“高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在落实立德树人的根本任务，进一步提升学生的物理学科核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展。”[2]这一界定可以使人感受到其鲜明的人文主义教育价值观，即以人的发展为旨归并实现科学事业传承与社会发展。简言之，物理学科教育就是以特定的教育目标、课程计划和课程标准要求为指导，以青少年儿童的身心发展特征为依据，从物理学科中精选出为培养全面发展的个体服务的教学（教育）科目，其本质在于“成人”，即“使学生成为具有符合人类历史发展进程的社会本质、文化本质和精神本质的人”[3]。

在实践中，物理学科教育则要深入挖掘物理学科的育人价值，针对学生物理学习的需要、发展的可能性与发展的方向，帮助学生从物理学的视角认识世界，学会运用物理思想方法探究物理世界的奥秘，形成科学的态度与价值观。如重力和万有引力关系之追问这样典型的物理学科疑难问题。在物理学科教育中，教师对这一问题的处理，需要从学科教育的角度进行阐明。教学实践中既不能给学生植入“重力是万有引力的一个分力”的错误观念，也无法给学生讲明白“（表观）重力是引力和惯性离心力的合力”的结论。而是首先要具体分析这一问题的育人功能，主要是让学生知道在计算地球质量时，为何可以忽略地球自转的影响，有助于使学生形成正確的运动与相互作用观念;其次根据对其科学的解释（重力是万有引力与惯性离心力的合力），并充分考虑学生原有知识基础（未接触过非惯性系动力学），合理地“降阶”教学的深度（仅解释教材中不考虑地球自转的原因是因为地球自转导致测量的表观重力大小与引力大小相差太小，差异不及1/200），并为学生后续学习留下“接口”（表观重力和万有引力之间的关系的正确关系则需要学习了非惯性系动力学后才能真正得到理解）[1]。这样的处理在中学物理教学中是适切的，也是极具教育意义的。因此，教师既不能漠视教学中确实存在的物理疑难问题，但也不能在未加筛选的前提下一股脑把学生难以接受的大学物理知识硬塞给学生。

2物理学科研究与物理学科教育关系的审度

从上述分析可知，学科研究与学科教育从定位、内容和功能等方面都是迥异的。然而，无论是理论研究，还是教学实践，未必能真正明晰二者之间错综复杂的关系，而是往往将物理学科教育理解为“物理学科”与“教育学”的简单组合，比如一种广为流传的常识之见是“物理教师需要有扎实的物理学科知识基础，还需要掌握一定的教育学（教学法）知识，如此才能更好地实施物理教学工作”。从辩证法的角度，这种观点没有考虑到物理教育这个教育的子系统与物理学、课程、学生、教学和教育的复杂关系，犯了用孤立的而非联系的观点看问题的“错误”。既然物理学科教育是一个具有复杂结构和独特功能的教育“子系统”，那么，对物理学科研究与物理学科教育的关系就需要从多学科、跨学科的视野展开审度。

2.1物理学的审度

从物理学的角度，物理学科是物理教育的基础，物理学科研究的深度、程度和水平，决定着物理教育的高度、质量和品格。没有人会否认物理学科之于物理教育的基础性，也很难想象会存在离开物理学科的物理教育。教师对物理学科的理解水平直接影响和制约着其教学能力。这就要求物理教师首先要熟知物理学科的知识体系、研究方法和思维方式，能从较高的水平看待物理学科本身。这是因为“对物理学所蕴含的丰富物理思想和特有思维方式的明确阐释或深刻诠释，乃是一门物理学课程学术水平的重要体现”[4]。也正是从这个角度，将“物理学科专业知识”作为教师教学学术能力的第一构成要素[5]。

如何提高教师对物理学科理解的深度？恐怕仅仅拥有大学物理系学习的经历是不够的！教师需要树立将中学物理学科知识看成学术的态度，运用物理学术研究的路径、方法对中学物理中存在的疑难问题展开专业而详实的研究。在中学物理教育类学术期刊中经常能读到国内高水平物理教师对一些重要物理问题的学术讨论，前文所述“重力和万有引力关系”的研究即为一例，类似的还有“机械能守恒的条件”“另类匀变速直线运动”“含有理想二极管的理想变压器问题”等。这些学术讨论，在一定程度上澄清了一些容易引起混淆或理解错误的概念、规律，提供了对一些典型问题的合理解释，是非常重要和有价值的。显然，为提升物理教育的质量，这种研究不应该只是高水平教师的“专利”，而理应成为每位物理教师必备的关键能力，是物理教师成为专业人员的“硬本领”。

2.2课程论的审度

从课程论的角度，物理学科是物理教育的载体，物理学科研究保障物理课程内容的选择和课程编制的科学性、严谨性和合理性。课程理论应知识经济时代对学校教育和课程设计的要求而生，产生了多个课程流派，创造了多种课程开发模式，但无论何种课程开发模式，都离不开对特定学科内容的取舍、遴选和组织。物理学科研究对物理课程内容选择提供重要支撑。

第一，物理学科研究中所建构的物理学逻辑结构是物理课程的重要内容。这是因为，在课程编制时，既不能完全把物理学科知识不加选择加工地照搬过来，也不能只考虑学生的“最近发展区”而随意裁剪、选择一些碎片化的知识点，而应着力体现物理学的基本结构。这也是我国基础物理课程的特点和优点，如《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》在课程结构方面，围绕物理“大观念”组织课程内容，采用模块化课程设计思路，通过对必修课程、选择性必修课程和选修课程的有序设计[6]，意在学生通过物理课程的学习，较为系统地掌握物理学的知识结构。

第二，物理学科研究有助于提高课程内容的科学性。物理课程内容不仅要将物理学的核心概念、基本规律按一定的逻辑组织起来，还要将探究这些知识的科学方法教给学生，科学方法不仅是学生学习的方法，也是学生学习的内容。前者构成了物理学科的实质结构（substantive structure），后者则为句法结构（syntactical structure）的主要形态。物理学科研究一方面拥有一整套严谨、规范的科学研究方法，这些方法经筛选后纳入物理课程并构成了物理学科教育的内容;另一方面在使用科学方法分析、论证、推理的过程中，进一步加深了人们对物理现象、过程的规律性认识，丰富和发展了物理学理论。物理学科研究在这两方面的特点都能提高物理课程的科学性。

第三，物理学科研究能够保障物理课程的时代性。物理学的发展日新月异，新的发现和进展喷薄涌现，这在客观上要求物理课程的结构不可能永远处于静态。为了学生能够适应未来社会可能面临的挑战，必须对课程结构进行更新，这种更新不能仅仅理解为教学方式的变革或教学技术的引入，深层地应将物理学科研究所取得的突破性进展及其技术应用以及对人类社会造成的可能影响及时纳入物理课程，以体现物理课程的时代性、先进性，使学生在习得科学知识的同时理解科学本质，受到科学精神的熏陶，进一步提升其科学素养。

当然，选择哪些内容纳入课程却不单由学科本身决定，这是因为课程编制也从来都不是一种价值中立的活动。下文从教育价值角度的慎思会进一步充分说明这一点。

2.3学习论的审度

从学习论的角度，物理学科教育不能直接照搬物理学科研究的成果，而需要与学生原有的知识经验、思维能力和学习态度等密切结合，真正做到学科逻辑和学生心理逻辑的统一。物理学科教育之所以不能是“物理学”与“教育学”的简单组合，一个非常重要的原因是学生学习物理学要遵循物理学科学习的专门方法，而获得这些专门方法不是只借鉴教育心理学的学习策略就可以完成的，它需要物理学科教育在物理学科研究的基础上独立地生长。这一点已得到科学概念转变、问题解决心理学等研究的一再印证。

用问题解决心理学对学生物理问题解决过程与能力进行研究发现：“专家（经验丰富的物理教师或高水平的物理学习者）拥有自己专长领域丰富的问题解决图式。”[7]有了这些图式，在面对新的问题时，专家就可以通过检索大脑中储存的“领域内强方法”来解决问题，如用图解法解决共点力作用下物体的动态平衡问题。除此之外，在没有明显的“强方法”时，优先使用物理学科通用的解题策略如“解决动力学问题的基本方法”或“整体法与隔离法”等这些可以称之為“领域内弱方法”来寻求问题的解决。这一研究对物理学科教育的启示如下：一是应对物理学科中的一些疑难问题及其解题方法展开探究，系统归纳物理学科领域内“强方法”和“弱方法”，对其进行科学的分类和有序的组织。二是针对具体学生的认知发展特点，应该运用物理学的思维方式来“教”物理，让学生在自己原有基础上获得解决物理问题的专门方法，成为专业的物理学习者。特别需要说明的是，这里用到了“专业”一词，不是指要将学生培养成大学物理系科的专业人才，而是使学生通过物理学习获得运用物理视角与物理方法认识世界、分析和解决问题的专业能力，这种能力应为未来社会全面发展的人所具备的科学素养的重要成分，而且这种能力是未接受过物理学科教育的学生所不具备的，也由此体现出物理学科教育的独特性。

2.4教学论的审度

近年来，教学论研究的一种进路是尤为重视教学模式、教学环境和教学技术的研究，试图通过借助现代信息技术手段创设情境和营造教学环境，一劳永逸地制造某种课堂模式，以实现所谓的“精准教学”。姑且不论教学是否真的需要和能够做到“精准”，单就这一进路未能体现不同学科之具体特点的弊病，就知道其指导教学实践的针对性有限，更遑论推进课堂变革了。甚至，脱离了对学科自身的教学研究，越“好”的技术所导致的结果可能越“坏”，这一点值得所有学科教师时刻“警惕”。

从教学论的角度，一方面，物理学科研究对物理内容逻辑顺序及结构合理性的研究，有助于调整、简化、优化教学过程，使教学过程更趋合理，教学效益更加显著。另一方面，物理学科教学要将重点聚焦在围绕学科逻辑创设真实的问题情境，运用科学方法进行思维加工建构科学知识，运用所学知识解决实际问题等课堂教学核心环节的设计与实施。如是，才能真正做到学科逻辑与教学逻辑相统一。这里仅举一例分析，比如平抛运动的教学，教师往往通过借鉴教材中“红蜡块”实验的启示，根据分运动的独立性将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向上的自由落体运动，各自研究这两个方向上的运动得出平抛运动的规律。实际上，这一逻辑并未起到优化教学过程的作用，也未能突出教学的重点。这是因为，“不存在运动的独立性原理，只有力的独立作用原理，把曲线运动分解为几个分运动是用矢量分解，与运动的独立性無关。红蜡块的实例是参考系的变换，而运动的分解是在同一参考系中进行的，是两个不同性质的问题”[8]。应该将对平抛运动的研究看成是“运动和相互作用观”在曲线运动中的具体运用，着力运用牛顿第二定律和矢量的合成与分解方法得出平抛运动的规律。由此可知，正确的逻辑应该为：（1）结合生活经验，认识平抛运动;（2）科学抽象、概括，建立平抛运动的概念;（3）运用牛顿第二定律理论分析平抛运动的特点;（4）运用矢量分解与合成的方法研究平抛运动，得出运动规律;（5）实验验证;（6）应用实践。

2.5教育学的审度

从教育学的角度，中学物理学科研究应以物理学科教育为准绳，学科研究要服务于物理学科育人价值的凸显和物理学科核心素养的落实。也就是说，物理教师和物理教育研究者的物理学科研究，需要同科学院里的物理学专家严格地区分开来，后者进行物理学科研究的核心目标是物理学科知识创生，前者则在于优化物理学科教育。这需要从下面两个方面来把握。

第一，物理学科教育中的学科研究需要教育价值观的引领。物理课程的目标由“双基”到“三维目标”再到“学科核心素养”的转变，本质上即为教育价值观的转变。当下，基于物理学科核心素养的教育实践正在轰轰烈烈地进行着，如何看待和把握物理学科核心素养在物理学科教育中的地位与作用，进而规范学科研究以实现学科育人，是摆在物理教育人面前的历史使命。物理学科核心素养的提出是一种全新的教育价值观，它将学生在接受学科教育过程中所形成的价值观念、必备品格和关键能力作为育人目标。这就要求基于学科研究的课程编制、学科教学、学生评价等物理教育诸环节都要以物理学科核心素养为统领，对进入物理教育视野中的所有素材，大到课程结构的建立，小到演示实验的设计，都要接受物理学科核心素养的“裁判”，以此来确保能够将有利于学生物理学科核心素养培育的内容以符合学生发展的方式纳入到物理学科教育实践之中。正是在物理学科与人（学生）相遇的过程之中，既实现物理文化的个体性转化，又促进学生科学素养的发展。反之，对于不利于学生物理学科素养发展的物理学科内容，即使是物理学科中的疑难问题，对物理学科教育本身是无意义的，因而没有必要陷入无休止的讨论之中，更不宜将这些内容引入课堂教学而无形中加重学生的学习负担。

第二，物理学科教育中的学科研究范围更广。从物理学科教育的角度，教师的物理学科研究不应停留于对某些重要物理概念、规律或问题的争论之中，而应根据物理教育的目标扩展研究范围，比如可以围绕物理学科核心素养进行物理学科专题性研究。在这一视野中，物理核心概念建立及其演化的概念史、物理观念的孕育与形成的思想史、物理科学方法论、物理科学本质、物理学与技术、社会乃至人类文明的关系，都是研究的内容。只有在这样的研究中，才真正能够“照亮”人的存在、人的精神世界、人的未来发展，彰显物理学科教育鲜明的人文教育价值观念。如此，则大大拓展了物理学科研究的对象和范畴。目前来看，这些内容仅有个别研究者感兴趣，还远没有引起一线教师的广泛关注。

2.6教育实践中的相互融通

现从中学物理教育实践的具体维度，对上述讨论做简要总结。

第一，物理学科研究与物理学科教育的本质差异。物理学科研究是物理学科范畴内解决物理学科疑难问题、生成物理知识、丰富物理学知识体系的科学研究。在中学物理教学中，诸如“重力与万有引力关系”的讨论等就属此类研究，这些研究有助于教师真正理解物理学的逻辑结构，是物理教师教学学术能力的“内核”。物理学科教育则是以物理学科为载体展开的育人活动，这种育人活动与物理学科结构、学生认知发展水平等因素有关，更受到特定社会教育价值观的制约。因此，二者在本质上是迥异的。

第二，物理学科研究与物理学科教育的实践融通。尽管二者具有本质的差异，但在实践中却是密切融通的。这是因为，无论是课程编制、学生学习、课堂教学，都离不开对物理学科专业而生动的研究。实践中也发现，物理学科底蕴深厚的教师更容易将物理概念、规律和方法的内在逻辑讲清楚，讲明白，也更容易发掘出物理学科中丰富的育人因素，也更容易将这些因素转化为学生习得的经验，促进学生精神发育。当然，这还远远不够，物理学科逻辑的教学展开及育人价值的释放不仅需要教师对物理学科本身有专门的学习与研究，还有赖于教师自身拥有的与物理学科相联系的物理教学法知识、学生物理学习心理等知识，这些知识的整合状态即教师的学科教学知识（PCK）。这是由核心素养导向下物理学科教育的复杂性、综合性特点所决定的。

第三，物理教师要拥有物理学科研究与物理学科教育双重本领。从上述多维审度中，也逐渐明晰了物理教师专业发展的方向。那就是既拥有从事物理学科研究的基本能力，熟知物理学科的知识结构，具有可迁移性的物理思维方法，能在遇到疑难问题时自觉运用科学方法加以解决。同时，还能够围绕物理学科核心素养，具体分析物理学科育人价值，精选和开发物理教学资源，优化物理教学逻辑，并通过精湛的教学技能转化为学生经由物理学习而获得的不可剥离的科学素养。因此，核心素养导向的物理学科教育必然要求教师专业发展水平应从“学科发展态”和“学科教学发展态”跃升到“学科教育发展态”。

处于“教育发展态”的教师能“明确自身所从事教育教学工作的时空坐标，洞悉教育与人的发展规律，并因为自身理解水平的提升获得一种精神上的和谐和人格上的完善，在更高层面上体验一种物我同一所带来的愉悦”[9]。这一对处于“教育发展态”教师的素描所揭示的是教师对待物理学科及物理学科研究的立场已不再单纯地停留于物理学本身，而是从教育学的境界“居高临下”审视物理学科研究，使得教师真正“回到物理学本身”，对物理学及其发展历程中所积累的物理知识、物理方法及其思想史进行教育价值判断，并寻求使这些价值成为教育现实的方略。可见，本文的研究与“教育发展态”理论在精神境界上是不谋而合的。

3从物理学科研究走向物理学科教育学

上述讨论大致梳理了物理学科研究与物理学科教育的不同品格及复杂联系，就物理学科教育而言，仍有问题需要进一步阐明。

3.1“法”—“论”—“学”构想的再慎思

早在20世纪末，首都师范大学乔际平先生对物理学科教育学的发展提出了一个由“法”及“论”至“学”的“构想”，他指出：“物理教学法：它是以物理教学过程中教师的工作方式、方法为研究对象，是建立在教学经验总结的基础上，是以‘怎样教’的研究为核心，着重研究的是物理教学中的具体方法。”“物理教学论：它是以研究物理教学过程为对象，要对物理教学过程中的各种问题作出‘为什么’的回答，揭示物理教学过程的基本规律、基本特点。因而它着重从理论上研究问题，需要有一个比较完整的理论体系。”“物理教育学：它的研究对象是整个物理教育过程。即在学科范围内研究人的全面发展，提高人的素质，研究全面体现物理学科功能和规律的任务。”[10]从这一“构想”中，能够看到其鲜明的物理学科特征，应该来说，是务实的、有前瞻性的。也就是说，从物理学科教育学的提出伊始，就自觉地以解决物理教育自身的问题为鹄，而非简单将教育学和心理学理论移植、套用至物理教育之中。这也是老一辈物理教育学人的集体共识，陕西师范大学王较过先生反复强调的也是物理教育研究要着力解决物理教育自己的事[11]。

因此，物理学科教育必须要突出物理学科特征，同时接受教育价值观的考量，并在此基础上审度融合多学科研究成果，进而生发出实现物理教育价值的教育规律并指导教育实践全过程，最终做到“从更高的高度统领物理教育的方方面面，以期实现物理教育合目的性与合规律性的统一”[12]。

3.2物理学科何以育人？

体现物理学科特征、解释物理教育全过程功能和规律并指导物理教育实践的物理学科教育学何以可能？这是需要正面回答的问题，正如有论者指出的：“‘学科’（尤其是基础教育阶段的‘学科’）作为近代以来才出现的知识分类方法与内容，所呈现的分析性、片段性乃至功利性的特征，如何能够实现教育‘和谐—完善’的目标？”[13]

的确，建基于产业革命时代的近代教育体系无法回溯至轴心時代古希腊“七艺”和我国古代春秋战国时期“六艺”式的教育。“七艺”中的“后四艺”（算术、几何、天文和音乐）都不是近代意义上的学科，而是指向对理想人性的培养：“算术是人思维分析与综合能力的操演训练。”“几何学是人知觉形式结构的直觉能力与建构形式的能力。”“天文学攸关古希腊自然哲学的宇宙本体论。”“学习音乐所获得的节奏与和谐感，使人可以内在地与天道大地合拍，成为一个既合规律又合道德的优秀者。”[14]因此，所谓“七艺”，实指七种“自由艺术（LiberalArts）”，其主导精神是人性的培养，属于典型的人文之学。伴随着学科分化，物理、化学等实科课程进入基础教育领域，在历史上有其积极意义，但其局限性也是显而易见的，主要是技术进步及其社会生产方式对劳动者“生产技艺”方面的要求，客观上导致物理等学科教育的功利目标扩张而育人价值式微。由此可见，分科教育的功利性特征并非为学科本身所致。

时至今日，知识经济时代端倪已现，人工智能等高科技领域的重大进展加重了人类的不安全感和对未来的“焦虑”，反映在教育领域则是国际社会对“21世纪能力”或“核心素养”的普遍关注，“全面发展的人”这一人性理想又一次彰显出其强大的吸引力。因此，不能再从“专业—分工”的角度看待任何一门基础教育的学科课程，而是要在“历史—现实—未来”的时空坐标之下，直面现实和未来对学生素养发展的新需要，重申学科育人。对于物理学科教育而言，就是要回到“物理教育的人文本质”这一命题[15]。这是由物理学独特的育人价值所决定的，正如研究业已指出的，物理学科具有“认识物理世界，破除迷信教条的认知价值;掌握科学方法，训练科学思维的发展价值;培育科学精神，激励创新创造的精神价值;增进审美情趣，陶冶美好心灵的审美价值”[16]。这些育人价值的教育实现可以使学生获得唯有经过物理学习才能获得的独特经验，进而转化为他们不可剥离的主体性人文素养。如是，以物理学科为载体而育人的物理教育才能落到实处。这一点与国际科学教育目标的转向是相契合的，“科学不再仅仅被看成是一系列的知识，而是了解世界的方式（a way of knowing the world）”，科学教育的重要性是“出于受教育者认识论上的需要，这种认识论能够扩展到受教育者的日常生活以及未来生活之中”[17]。也是从这一点上，笔者不认同对学科教育“工程性”学科属性的判断[18]。

3.3走向物理学科教育学的路径遐思

在正面回答了物理学科何以育人的问题之后，就坐实了物理学科教育学建构的逻辑起点，但囿于物理学科教育基础的“不成熟”，从物理学科走向物理学科教育学的任务依然艰难繁复，已有的“物理教育思想史研究”和“回归物理教学实践”[13]等取向，确为促进物理学科教育学的建构提供了启发与思想资源。在此基础上，教师需要思考还可以做些什么？

第一，无论是理论界还是实践界，都应积极直面物理学科教育学的“不成熟性”，与其徒劳空想构筑庞大的学科大厦，不如以物理人特有的实干品质和求是精神，在“微小”处以专业精神“做具体的事”，对中学物理学科内容、方法、思想、精神和审美因素等展开细致入微的分析与探究，以此来切入到物理学科教育研究，经多重积累后再进行综合提炼，或可以做出真的东西来，正所谓见微知著。第二，对物理学科研究与物理学科教育的多维审度之中亦可看出，体现物理学科特征的物理学科教育研究所需要的多学科、跨学科研究对研究者自身的知识结构要求颇高。就笔者自身的实践而言，由于兴趣使然，在研究中往往引述诸如美学、科学哲学等其他学科的知识，但由于这些领域已是经历了学术建制所形成的专门知识，未经专门、系统的学习总会出现捉襟见肘之感，更谈不上将其与物理学科教育的深度融合了，甚至由于顾此失彼、厚此薄彼所产生的常识性错误也时有发生。因此，欲想做好物理学科教育学研究，“额外”的系统性学习必不可少，非下工夫不可。当然，这些想法未必成熟，故曰遐思。

参考文献

[1] 马亚鹏.重力与万有引力关系的及其对中学物理教学的启示[J].中学物理教学参考，2013（6）：50-52.

[2] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020：1.

[3] 郭元祥.论学科育人的逻辑起点、内在条件与实践诉求[J].教育研究，2020（4）：4-15.

[4] 钟锡华.为提高大学物理教学的学术水平而努力[J].大学物理，2018（6）：1-6.

[5] 马亚鹏.中学物理教学学术能力研究[J].天津师范大学学报（基础教育版），2019（4）：46-50.

[6] 马亚鹏，赵坚，杨威虎.弄懂新课程标准做实物理课教学——《普通高中物理课程标准（2017年版）》的特点分析与实施原则[J].物理教学，2018（5）：2-5.

[7] 陈刚.物理学习与教学论[M].上海：华东师范大学出版社，2019：152.

[8] 北京物理学会高中物理专题组.高中物理教学深层研究[M].北京：首都师范大学出版社，2013：112.

[9] 邢红军.物理教学论[M].北京：北京大学出版社，2015：268.

[10] 乔际平.物理学科教育学[M].北京：首都师范大学出版社，2020：3-4.

[11] 马亚鹏.我的恩师王较过先生[J].师道，2017（9）：6-9.