理论教育 核心素养在物理学科能力探究中的应用

核心素养在物理学科能力探究中的应用

时间:2023-08-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:“物质”的哲学概念正式出现则是源自亚里士多德的“质料”。哲学发源于对“本原”的追问。并指出原子本身是同质的,而万物的性质的不同在于原子的形状、大小、重量和排列上的差异。“最接近的质料”和具体形式的结合就是具体的事物,这是自然哲学或物理学研究的对象。

核心素养在物理学科能力探究中的应用

一、“物质观念”的理论概述

(一)物质概念的出现

“物质”(matter)一词,从词源上源自“material”,等同于拉丁语中的“materia”,而转变渠道是古法语“matedel”,源自后期拉丁语“matefialis”。“物质”的哲学概念正式出现则是源自亚里士多德的“质料”。哲学发源于对“本原”的追问。某种意义上讲,在哲学的起点上,“物质”应该是和“本原”结合最为紧密的答案。因为自西方哲学史中公认的第一位哲学家泰勒斯开始,对于“ache”给出的回答就是“物质性”的,“水是万物的本原”。而且,在那些最初从事哲学思考的人中间,多数人都是只把物质性的始基当作万物的始基,因为一个东西如果一切存在物都由它构成,最初都从其中产生,最后又都复归于它,在他们看来,就是存在的元素和始基。在早期的自然哲学中,“本原”有着丰富的物质形态,泰勒斯的“水”、阿那可西米尼的“气”、赫拉克利特的“火”、恩培多克勒的“四根”(土、水、气、火),这类现实可感的“本原”,既是自身的属性,也代表了世界的属性。在泰勒斯的世界描述中,一切都漂浮于“水”上,而赫拉克利特的“火”的世界则是不断燃烧熄灭的。然而,我们并不能单纯地认为是“感性的现象使他们得出了这个结论”,因为虽然其中不可避免地有感性现象的成分,但是对于“本原”的解释却是超现象、超感性的。而赫拉克利特更是强调,他的“火”并不是普通的火,而是“以太火”。在对于物质性“本原”的探寻中,希腊哲学家也在力求排除感官之干扰,“力图寻找代表万物中的基本实在的单一统一”。在泰勒斯之后,阿那西曼德便提出了世界的“本原”是“无定”,而毕达哥拉斯学派则认为存在一种终极的实在,它就是“同数的法则相符合的完整的单子”。

在早期自然哲学对物质的探索中,能够走在同时代前面的无疑是“原子论”,这一理论真正称得上具有了体系化的特点,有了一套自身完整的无所不包的说明世界的体系。对此,亚里士多德也曾赞扬说:“在哲学的先驱中,只有德谟克利特深入事物的内部考察过问题。”原子论者留基波提出了一个真正意义上有别于感官的本原——“原子”,并且给出了精准的定义:“原子是指最微小的、不可再分割的物质微粒。”并指出原子本身是同质的,而万物的性质的不同在于原子的形状、大小、重量和排列上的差异。留基波和德谟克利特也把元素之间的区别看成其他事物的原因,这些区别有三种,即形状、次序、位置。形态属于形状,相互关系属于次序,方向属于位置。

(二)质料、物质概念的确立

早期的自然哲学家并没有形成抽象的“质料”的概念,“物质”的概念之所以被独立出来,是因为源自排斥,一种厌恶性的排斥。正如苏格拉底厌恶“肉体”一般,或者也可以说是对于“非物质性”的极度喜爱,如柏拉图之于“理念”、亚里士多德之于“形式”,相对应的,柏拉图提出了“接受者”的概念,这是亚里士多德“质料”概念的前史。在现实的世界中,他们并没有否认“物质性”的存在,但是的确将“物质性”的东西放在了在完美的、有序的、有活力的东西的对立面。亚里士多德之所以完全拒绝原子说,是因为原子说的推论同他对自然界的其他看法不相符合,但是“质料”(material)的哲学概念却这样创造性地被提出了。为了解释事物,亚里士多德提出了四种原因——质料因、形式因、动力因、目的因,但是后面三种原因在多数情况下都可以合而为一。因为所视的那个东西和所为的那个东西是统一的,而运动的最初本原又和这两者在种上相同。形式因、动力因、目的因三者有着共性即“运动性”,这是质料因所不具有的,质料自身丧失了活动性。亚里士多德正是在无灵性、无活力的“材料”这个意义上定义质料因的,所以质料就是一团死物。那么这团死物到底是什么呢?在提到“质料”的时候,他会说到青铜是铜像的质料,白银是酒杯的质料,以这样举例的方式提出质料,那也就是说质料不是固定的“一样”,而只是固定的“许多样”,作为万物的基础,这“质料”也未免太多了。不过,他又说万物都能被分解为“元素”这样一种潜在的“原初质料”,这种“潜在”是在非肉眼可以识别的意义上说的。综上所述,元素的区别不是由于形状,物体最重要的差异在于特性、功能和能力方面,因此我们说每个自然物体都有功能、特性和能力。所以,这些才是我们首先要说明的,以便从对它们的考察中能把握元素彼此间的区别。

这就是为何他的“元素”类别也不是唯一的,像“水”“火”“气”“土”一样都是各有差异的,质料作为“基础”仍然是非统一的,“最初质料”是有待形式规定的“代表事物物质性的方面”的东西。所以,亚里士多德才会说即使有同一种质料作为万物产生的本原,但是“每一事物仍有自身固有的质料”。于是,他提出了一个“最接近的质料”的概念,即“问一个事物的质料是什么?不能说是火或土,必须说出这事物的最接近的质料”,这倒是很符合他所说的“质料是对某者而言。因此相对于不同的形式,质料也就不同”。所谓“最接近的质料”也就是具有具体形式的质料,并且他强调“自然哲学家也必须了解事物各自所为着的东西,并且还要研究那些在形式上虽可分离,但却存于质料中的东西”。“最接近的质料”和具体形式的结合就是具体的事物,这是自然哲学或物理学研究的对象。那么,质料的重要性又在哪里呢?亚里士多德为质料下的定义是:“就其自身既不是某物,也不是量,也不是规定存在的任何其他范畴。”质料就是待规定的某种东西,作为四大原因之一,“每一事物不是由于偶性从它生成,并继续存留在其中的那个最初载体”。即使质料和形式相比似乎要低上一等,但是亚里士多德还是将万物存在的必然性赋予了质料,他的“万物”学说——物理学也就是基于此才存在的。质料有千万种,它作为基础却是不变的,铜像、泥像、酒杯解体以后最终都返回为质料,因为一旦去掉限界和范围的特性,除了质料之外,就不会剩下什么了。虽然质料是相对于形式来说的,但却有它自身的绝对性:对于自然万物来说,质料是绝对必需的。亚里士多德还特别强调,质料先于具体事物的生成。

亚里士多德根据质料与形式的相对性,推论出了没有任何形式的“纯质料”和没有任何质料的“纯形式”。前者是纯粹的可能性(潜能),后者则是纯粹的现实性。“纯形式”“纯现实”就是“神”,即“第一推动者”。亚里士多德从目的和动力方面思考,得出这世界必定有一个不动的推动者,作为最高的存在者。一个是自下而上,一个是自上而下,两者地位虽然不同,但都是独立存在的。质料的基础地位不可动摇,没有质料,形式、动力、目的都没有存在的基础和表现的场所。如此说来,尽管亚里士多德对质料缺少溢美之词,它却是非常的重要,而且“质料”既不是神创造的,也并不依赖神而存在,这与后来的神创造整个世界包括物质世界的观点是大不相同的。

亚里士多德批评原子论是批评原子论的机械论模式,不应该理解为对“物质”概念的否定。原子论认为,世界是由不可分的原始物质——“原子”构成的,理解了原子的性质,我们就能对整个世界做出解释,这是一种典型的分析方法、还原论方法造成的结果。亚里士多德认为,世界是有机的整体,这个整体有自己的生长过程、预定的目的,是不能用机械的方法来解释的,这是两种不同的世界观或解释模式之争。但是,亚里士多德并没有抛弃“物质”概念,他只是不同意原子论把“物质”解释为不可分的“原子”。正如后来莱布尼兹所说的那样,有广延的(物质的)“原子”是一个矛盾概念:既然是有广延的,在理论上就是无限可分的,不可能达到不可分的“原子”。亚里士多德把“物质”变成了“质料”(材料),而且“质料”是一与多的统一:“最初质料”是“一”,是没有经过任何规定的纯粹“可能性”,但“质料”同时又是“多”,分为很多层级,接近“最初质料”的是质料的更高的种类,如土、木、金属等,而与形式结合的质料则是最具体的质料,即“最接近的质料”,如用来做雕像的大理石。亚里士多德的质料观点,能更好地解释世界的统一性和多样性。

当然,亚里士多德对原子论的批评之所以能够得到后来多数哲学家的认同,并非在于其理论比“原子学说”更为完备,更大程度上在于希腊人没有确定的观察所得的事实,可以据此建立一个精确的和有限的理论,而且在理论成立之后也没有力量通过实验来验证这个理论的推论。希腊人的理论建立在一个哲学的宇宙体系之上,并包括在这个哲学的宇宙体系之内的。在一个观测量级有限、几乎是仅限于肉眼的时代,凭借有限的观察想探寻一个无限广阔的宇宙,几乎是不可能的。时至今日,即使在微观上已经达到纳米级别,在宏观上触及137亿光年所谓的“宇宙尽头”,科学家们都仍然会迷失在缺乏细节和实验论证的“焦灼”之中,只是这样一种“焦灼”对比古希腊时代或许是一种更为清晰的对于困难的了然于胸。在现代,这些“缺乏”可由科学来解决,而在古希腊这些“缺乏”即空白就只能依靠巨大的想象来填补了。比如,苏格拉底虽然坚信灵魂居所的存在,并进行了对比论证,但灵魂居所的模样和细节只能通过神话故事来讲述。

(三)经院哲学中的物质观

中世纪的经院哲学接纳了亚里士多德的哲学,汲取了基于亚里士多德物质观所创立起的哲学宇宙体系。对于哲学宇宙体系的解释较多的依赖于作为潜能而存在的最初质料就是“元素”在属性上的差异:比较轻的质料如“火”,总是向上运动;而重的质料如“土”,总是向下运动。并且,同一种元素聚集越多,那么它的轻重就随元素的属性而变化:当“火”元素聚集越多,而“土”元素聚集得少,那么物体就越轻,反之亦然。这样一种将“元素”的轻重和运动结合的物理解释,再结合托勒密天文学,就形成了系统的“地心中心论”。在这样的物质观下产生的物理学解释无疑存在巨大的漏洞。在近代的观察实验科学兴起时,这种物理学解释受到质疑甚至否定。1590年,物理学家伽利略进行了著名的“落体实验”,他在比萨斜塔上同时抛下两个不同质量的铁球,而两个球居然同时着地,这场强有力的实验直接推翻了亚里士多德“物体下落的速度与其重量成正比”的学说,完美地终结了这个维持了1900多年的“想象性”的错误。1543年,波兰天文学家哥白尼在发表的《天体运行论》中提出了完整的以太阳为中心的宇宙模型,这样的“日心说”出现后得到了部分人的支持,然而要彻底推翻1000多年的托勒密的地心说体系是漫长而不易的战斗,在长达100多年的时间里,支持“日心说”的人付出了惨重的代价。究其原因,一方面是宗教权威解释不容置疑,另一方面正如约翰·A.舒斯特在《科学史与科学哲学导论》中所说,哥白尼学说并未从根本上达到能够证明“地心说”完全错误的能力,因为不论从系统的精妙性,几何学、数学方面的论证,还是其实际观测,都不足以在科学性上直接压倒“地心说”。1609年,伽利略发明了天文望远镜,在观测中发现了可以支持“日心说”的新的天文现象,但这样的数据和托勒密体系的数据都与第谷的观测相差甚远,此时“日心说”仍然不具备优势,但是“日心说”开始受到了人们的关注。到了开普勒时期,以椭圆为行星的轨道模型取代了圆形的行星轨道模型,修正了数据偏差,在与“地心说”的竞争中,“日心说”最终赢得了胜利。

经院哲学的宇宙体系,基本上否定了物质(质料)在对自然的解释中的作用。亚里士多德说过:“既然自然是研究运动和变化的本原,而我们所进行的又正是关于自然的运动,那么,就必须了解运动是什么。因为如若不熟悉运动,也就必然不会知晓自然。”按照亚里士多德的“四因说”,动力因回答运动的原因即事物“如何”产生的问题圆。然而,对于这个问题亚里士多德要么只能从其本性——“四因”的属性上来说明,要么就只能含混不清。虽然“动力因”属于潜在的形式,但不论是“形式因”本身还是这个潜在的形式“动力因”,最终仍需要以“目的因”为最高准则,因为“在亚里士多德的物理学中,事物运动的‘秩序’是靠目的因而不是靠动力因来保证的”,事物追求更高一级的“形式”,所以“形式”就成了事物追求的“目的”。在形而上学中,“形式”的地位本身高于“质料”,而在三合一的“形式因”之中,“目的因”有最高“形式”的意义,质料在事物的运动变化中可有可无,不再被提及。经院哲学沿用亚里士多德的方法来解释一切事物,如“木材燃烧是因为它具有易燃的形式”,这里的“形式”即包含着目的,换句话说,木材燃烧是因为它有可燃的本性、它追求燃烧。对于世上一切现象的解释都可以如此效仿,就会变得很容易。这些“形式”“隐秘的质”严重阻碍了科学的发展,如“奥康剃刀”就是直接针对这些多余假设的,后来的笛卡尔作为对自然科学充满好奇的人,对这一类的解释完全不能容忍。

(四)物质观念的构成

物质观念主要是由以下内容构成:基于物理学科知识的基本观念,如自然观、物质观、时空观;基于物理探究过程、学习方法的基本观念,如运动观、相互作用观、能量观;基于物理在实际生活中价值的基本观念,也就是物理价值观

1.自然观

自然观指的是人类对于大自然最为基本的看法,也就是最基本的科学世界观。例如,宇宙是由物质与时空构成的一个整体;整个自然界中的物体都是处于永恒的产生与消亡中,并且永不停息地运动与变化。

2.物质观

宇宙是有秩序的、物质的,能够凭借实证的观测而被感知,能够凭借理性的推理而被理解。物质是由原子组成的,原子存在内部结构。自然界中的物质可以分为场、粒子。场为物质存在的一种模式,场充满着宇宙并且具备较强的能量,同时具备与普通物质同样的属性。微观世界和宏观世界遵循着不同的规律。“反规律”属于物质的一类形态,真空属于物质的一种特殊的形态,物质的总量不会发生变化。

3.时空观

物质的运用是绝对的,但是在其中运动的时间与空间却是相对的。空间与时间属于物质运动的存在形式。没有离开时空的纯粹物质运动,也没有离开物质运动的相对绝对时空。(www.daowen.com)

4.运动观

一切物质都是处于相对运动或相对静止的状态,不存在绝对的静止。运动是不灭的,动量守恒、能量守恒属于运动不灭的表达形式。物质运动有机械运动化学运动、物理运动、生物运动、社会运动,每一种运动又包含着较多具体的运动模式,如机械运动包含直线运动、曲线运动、转动、平动等。物质运动的发展变化存在其本身的规律性,不同的运动形态有着不同的运动规律,物理学的定理、定律、原理、原则、公式、法则等都是物质运动的客观规律。

5.相互作用观

宇宙中存在四种基本相互作用力,即电磁力万有引力、强相互作用力与弱相互作用力。力的作用效果属于让物体的运动形态或者形态发生变化。牛顿运动定律揭示了力和运动的关系。

6.能量观

任何物理过程的全部参与者的总能量在变化过程中始终保持不变,而其总熵一定不能减少。能量的转化是通过做功来实现的,功是能量转化多少的量度。

7.物理价值观

物理学习能够改变人们对物质世界的认识,丰富人类的文化,应倡导利用物理知识实现自然和社会的和谐、可持续性发展属于物理的价值追求。物理教学中要注重认识物理研究和技术进步、社会发展的关系,认识到科学具备相对性是一个永无止境的探究过程,科学进步既体现在“累积式”的量变中,又体现在“革命式”的质变中。

以上物理观念属于物理观念体系中最为基础的,也是深入认识物质的运动规律与性质以及成为更高层次物理观念(量子观、对称观、统计观等)的前提。随着知识经验的丰富与认知能力的提升,物理观念也在不断地丰富发展,这非常有利于科学世界观与方法论的培养。

二、国内外研究现状分析

(一)国内的研究

国内对笛卡尔哲学的研究已经有了丰硕的成果。冯俊先生在《笛卡尔第一哲学研究》中对笛卡尔的形而上学进行了细致的分析,从笛卡尔的哲学体系的形成、发展及历史背景着手,对笛卡尔哲学中的重点——方法论、二元论、上帝观点等进行了梳理,探讨了笛卡尔“第一哲学”中的问题以及影响。

宋斌先生的博士论文《论笛卡尔的机械论哲学——从形而上学与物理学的角度看》,从机械论哲学的整体视角试图对笛卡尔哲学的细节进行勾连和诠释。他将笛卡尔与亚里士多德的自然哲学进行了比较,认为笛卡尔的机械论原则扩张到了整个自然科学,而笛卡尔的身心彻底分离的二元论不仅固化了这种扩张理论,还预示了一种新的世界观——机械论哲学的诞生。该文探讨了笛卡尔机械论哲学的形而上学基础、认识论的基础,以及机械论哲学在力学和生物学中的应用。

向东先生的文章《笛卡尔的数学观——兼评他对欧氏几何的反思》,解读了笛卡尔的数学观,将其与欧式几何进行了对比,指出笛卡尔的“普遍数学”打破了欧式几何的限制,扩大了研究对象。

张桂权先生的论文《试论形而上学与数学的关系——以笛卡尔为例》,以笛卡尔哲学为例,论述了形而上学与数学的密切关系,认为两者相互影响、相互证明。

从翻译作品上来看,笛卡尔的论灵魂与身体结合的《论灵魂的激情》已被译成中文本。翻译者贾江鸿先生的文章《作为灵魂和身体的统一体的“人”》,结合笛卡尔的形而上学和认识论,对笛卡尔的身心关系以及“人”的定义进行了探讨和阐述,认为灵魂和身体是结合于“人”这个统一体之下的两种功能。笛卡尔的《谈谈方法》的附录之一《几何学》已译出,但另外两个附录《光学》《气象学》,同《论世界》这样的自然科学著作一样,都还没有译成中文。而《哲学原理》的中文译本(关文运译)是根据节译的英文本转译的,存在一些漏缺。我们从翻译的情况可以看出,国内学者不大重视笛卡尔的物质观及其自然科学部分。

(二)国外的研究

笛卡尔通常被称为“现代哲学之父”,作为西方哲学的一个重要转折点,笛卡尔哲学对当代依然有着深远的影响。笔者能力有限,不能对国外的研究有广泛的涉猎并做出概括,仅仅从有关的文献中获得一些研究的启示。加勒特·汤姆森在《笛卡尔》一书中对笛卡尔哲学做了总体介绍,涉及笛卡尔的形而上学部分,还有对笛卡尔的生平和著作的梳理,并且对笛卡尔的自然哲学及与形而上学之间的关联也做了概括和解读。萧拉瑟的著作《信仰与理性冲突简史》,注重对历史细节的挖掘,对笛卡尔思想的影响(当时的以及后续的)进行了完整的回顾。阿米尔·艾克赛尔的著作《笛卡尔的秘密手记》对笛卡尔不为人知的笔记进行了追溯和解密,将笛卡尔哲学思想的时代渊源以及隐匿的科学发现发掘了出来。Stephen Gaokroger的著作《笛卡尔的自然哲学体系》则是按照笛卡尔对哲学原理的构思,糅合了笛卡尔的其他著作,对笛卡尔的自然哲学进行了解读和构建。R.S.Woolhouse的著作Descartes,Spinoza,Leibniz-The Concept of Substance加上笛卡尔、斯宾诺莎、莱布尼兹在17世纪形而上学中提出的《实体概念》,对三个唯理论哲学家的“实体”概念进行了详细分析。笛卡尔作为第一个唯理论者,他的“实体”概念对斯宾诺莎和莱布尼兹的实体观产生了重要影响,后两人既受到他的实体观的影响又批判他的二元论。

在对笛卡尔的形而上学研究中,不可避免地会涉及物质的问题,但是往往不被认为是研究的重点。例如,冯俊先生认为:“物质实体,即物体是属于物理学研究的对象,而不是第一哲学的对象。”已有的研究往往停留在物质的存在如何被证明,或者“物质”对于科学史的重要性这些方面,而笛卡尔的物质观本身没有得到深入讨论。综合来说,研究笛卡尔哲学可以有很多视角,本书是基于物质观的视角进行的研究,希望能够对笛卡尔的物质观进行深入的分析,将其完整地展示出来,并梳理它对后世的影响。

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