第一章 古代的物理教育

(-1840 年)自距今大约 100 多万年以前，在我国领土上有最原始的人群——我们的祖先开始，他们为了自身的物质生活和维持人类生存的需要，就必须把生产活动的经验，其中包括使用和制造生产工具的经验， 传授给下一代。众所周知，物理知识广泛存在于生活和生产之中，又与使用和制造生产工具息息相关。所以在传授生产活动经验的过程中，也同时把其中属于物理学的内容进行了传授，这就是物理教育的起源。诚然，这时的物理知识是他们的直接经验，其传授是在集体生产和集体生活中以口耳相传、示范模仿的形式进行的，是与生产劳动和实际生活结合在一起的，是直接为当时的生产和生活服务的。

此后，随着生产工具的改良和生产技术的不断进步，物理知识也通过代代相传而不断地积累，不断地丰富。据我国考古工作者发现，到了中国奴隶社会的殷商时期，青铜工业、冶铸技术的水平已大有提高。如殷墟出土的“司母戊大方鼎”就重达 875 千克。①可见，若当时没有一定的力学和热学知识，以及运用的技能，是绝对制造不出来的。

我国到了 2400 多年前的春秋时期，已有文字可考的含有物理知识的著作——《墨经》，它是墨家进行私学教育的教材，其中，不仅在教学内容上，已有力学和光学方面的知识，而且在教学方法上，也已运用了自然观察法，这是物理实验的起源。

春秋以后，中国进入了封建社会，在长达 2000 多年的封建社会里， 学校教育虽然有了进一步的发展，特别在医学、算学、天文、历法等自然科学方面，在唐代已出现了世界上最早的实科学校，比欧洲 12——14

世纪产生的分科大学，早了 500 多年。①然而，总的说来，学校教育都是重人文科学、轻自然科学，尤其是鄙视生产知识和生产技术的。因此， 不论官学、私学、书院，都是普遍地以修习经史、古文或诗词歌赋为手段，以求取功名为目的，以致到鸦片战争期间，造成了“独是科名声利之习，深入人心，积习难返，士子所岌岌皇皇者，唯是之求”的局面。所以在中国古代，物理学始终没有从哲学、自然科学中分化出来成为一门独立的科学。

但是，中国是世界文明古国，在古代，不仅有丰富的科技教育遗产， 而且也培养了众多的科学家、发明家和大批的能工巧匠，他们发展了中国的手工业和文化艺术，也曾使中国的科学技术在相当长的一段历史时期内居于世界的领先地位。我们从他们的学说中，可以了解当时的物理知识和教育思想，从他们的创造发明中，也可以有力地印证当时运用物理知识的水平。因此，研究这一方面的内容，在我国物理教育改革向新的广度和深度进发的今天，也有值得借鉴之处。

① 中央教育行政学院编《高等教育原理》北京师大出版社，第 28 页。

第一节 古代传授物理知识的途径

中国在夏代建立学校的基础上，经商、周、秦、汉、隋的发展，至唐代就形成了从中央到地方的一整套的学校体制，并对各级各类学校的教师名额、学生人数、招生对象、教学内容等等，都作了详细的规定。但由于中国封建社会的政治制度、教育制度和经济基础的制约，所以直至 18 世纪 60 年代近代学校创设之前，物理知识的传授，主要都是通过下列途径进行的。

一、手工业科技教育

在手工业的生产技术中，广泛地存在着物理知识的应用。因此，家族或师傅在把他们所掌握的专门知识与技能，传授给子孙或徒弟的过程中，同时也就把其中包含的应用物理知识的经验进行了传授。但由于中国手工业科技教育的主要形式，是家业世传和学徒制，而这两种形式的教育，其共同点，都是没有教材的言传身教，即一边教、一边学、一边干。所以，虽有在实践中教学容易掌握的优点，也有既不易流传推广， 更难于把经验上升到理论的缺点。

二、著书立说

在古代，也有一些哲学或科技著作中，包含了一些物理知识，例如

《墨经》、《考工记》等等，因而随着这种著作或学说的流传，同时也传授了有关的物理知识。这种传授的途径和方法，其优点是传授不受时间和地点的限制，但其缺点是既没有一定的要求，也很难于掌握。

三、聚徒讲学

在古代，学有专长的士子，自春秋兴起私学以来，就有以各自不同的哲学、政治、经济、社会观点和不同的知识领域，对招收的弟子进行教授的。在这种聚徒讲学的教学内容中，有时也有属于物理知识的内容。例如：春秋时期的墨家学派，在进行教学过程中，就含有物理知识的传授，又如明末清初的颜元，在他创办的漳南书院中，也曾设有水学、火学等科目①，里面也含有属于流体力学和热学范畴的物理知识的传授。但这种私学，时聚时散，时办时停，所以只是断断续续地传授了一些其中与物理学有关的内容。

诚然，传授物理知识的上述途径，是在当时的社会历史条件下的产物，属于物理教育发展史上的孕育过程。

① 参阅杨少松等编著《中国教育史稿》，北京，教育科学出版社，1989 年，第 151 页。

第二节 古代有关物理教育的思想

中国自远古以来，在教育发展的漫长历史过程中，积累了丰富的教育经验，涌现了众多的教育家和实践家，形成了自己独具的特点和优良的传统。其中，特别是古代的教育思想，它不仅是中国教育史上的一份极为宝贵的教育遗产，而且在世界教育史上，也占有显著的地位，在日本、东南亚、朝鲜及后来的美国，都产生了深远的影响。这里仅就墨翟、王充的教育思想和唐代的教育思想，作一择要的介绍，并简要联系当前的物理教育。

一、墨翟的教育思想

墨翟（约公元前 468 年—前 376 年）是春秋战国之际代表小手工业者和劳动人民的思想家、政治家，墨家的创始人（墨翟像见插页图 1）。墨家的成员大多来自生产第一线，《墨经》是他们发掘墨翟思想的著作。其中，关于教育思想方面，也有一些影响较大的值得我们注意的论述。

1. 教育的目的和内容

墨翟的教育目的，是培养有实际知识与技能，有“兼爱”的品德和能够“爱利万民”的“贤士”或“兼士”。所以在教育内容上，除了诗书以外，还注重生产知识与技能、军事知识与技能的传授。

1. 关于认识过程的思想

墨翟把知识分为闻知（传授而得的知识）、说知（类推的知识）、亲知（亲身经历而得的知识）三种。他特别重视亲知，这对物理教学中要重视观察和实验具有启发性。

墨翟还对认识的过程作了研究，其中具有特色和代表性的，是他的“知的四要素和三表说”。

墨翟认为，人的认识形成有四个要素：这就是《经上》里说的：“知，材也。”“知材”是指人的认识能力，是所以知的主观条件。“虑，求也。”“虑求”是人的求知欲望。“知，接也。”这里的“知”仅指人同外界接触形成的感觉。同时，墨子还把各种感觉器官概称为“五路”， 即通过“过物”的接知，是由眼、耳、鼻、舌、身五种感觉器官形成的感性认识：“■（古智字），明也。”“智明”是指人们对事物深刻而明确的认识，是由“过物”到“论物”，即由感性认识上升为理性认识。显然在这里，墨子认识事物的出发点，是承认客观事物的存在，并承认它是第一性的东西，人的意识是客观存在的反映，是第二性的。①

那么，人的认识是否正确呢？他提出“言必立仪”，即他认为还需要有衡量的标准。他在《非命上》里写道：“言必有三表（即三个标准）， 何谓三表？墨子言曰：“有本之者，有原之者，有利之者。”②这就是说既要依据史籍上的古人的间接知识，还要用众百姓耳目所接触的实际经验予以验证，并要把它用于实际，观察是否于国家百姓有利。墨子在教育中提出了这三个检验认识是否正确的标准，并用来教导学生获得知识，判断是非，对今天的物理教育，仍具有很大的积极意义。

1. 教学理论

① 毛礼锐等主编《中国教育通史》济南，山东教育出版社，第一卷第 315 页。

② 《墨子·非命上》。

墨家根据墨子的教学思想和他们自己的认识和经验，阐述了教学理论，这主要体现在他们提出的虽不全面，但有特色的教学原则上，主要的有：

1. 因材施教，“不叩必鸣”。对于因材施教，墨家认为：“子深其深、浅其浅、益其益、尊其尊。”③即要根据学生的不同水平，采用不同的教材、不同的教学方法。“不叩必鸣”是当儒家之徒公孟子对墨子说到“君子恭己以待，问焉则答，不问焉则止，譬如钟焉，叩则鸣，不叩则不鸣”的儒家态度时，墨子便明确表态，“虽不叩必鸣”。墨子主张对来求教的固然要教，对不来求教的也要主动去教，即教师应有以教人为己任的精神。由于学生，尤其是学习有困难的学生，往往自己提不出问题，应该说，这种精神特别对于物理教师，是更应该具备的。

2. 以名举实，察类明故。这是墨家在名实关系中的辩证法，更为可贵的是他们还在此基础上，提出“以取验名”的观点，“取”就是动手行动。已认识到行动可以检验认识。

3. 以本约末，量力所至。这是墨家对教学的要求，可以概括为：其一、博乎道术，无务杂知。其二、深浅适度，繁简得当。其三、同方而取，不择小溪。

4. 言行一致，合其志功。墨子说“士虽存学，而行为本焉。”他在教学中强调知行一致，志功统一，即考察言行的效果，既要看主观的志， 又要看结果的功。所以，他提出“言必信，行必果；强力而行，不敢怠倦；意志锻炼，强化意志；合其志功，明辨志功。”要求学生说话要能实行，不能实行的话就不要多说。也要求学生严格锻炼自己，培养坚强的意志。他说：“志不强者智不达。”“雄（勇）而不修者，其后必惰。” 这些教学理论对于注意开发学生的非智力因素、强调理论与实践统一的物理教育，有一定的积极意义。

此外，墨子还重视社会环境在教育中的作用。例如，他以染丝为例， 来比喻人格受环境的影响而变化，他说：“染于苍则苍，染于黄则黄， 所入者变，其色亦变。”因此他主张选择良好的环境和仁义的朋友。

二、王充的教育思想

王充（公元 27 年—97 年）是我国汉代伟大的唯物主义思想家和教育家（王充像见插页图 2）。他好博览而不守章 句，非常勤学，因此能“博通众流百家之言”。王充所著的《论衡》，内容十分丰富，可称是中古时期我国的一部百科全书，在教育思想方面，他对理学教育中虚妄、繁琐、僵化的弊端进行了大胆而深刻的揭露批判，提出了一些很有价值的论述。

1. 教育的价值

王充认为教育的价值在于能够陶冶儿童的本性，发展人的才能，通过教育，可以使人们“学问日多，简练其性，雕琢其材。”培养既能“知大圣之意”，又能“晓细民之情”的人才，而且这样的人才，应该还是“其身简练，知虑光明，见是审非”的。可见，他的教育目的就是培养“为国为事”的贤人君子。

1. 教学原则

③ 《墨子·大取》，《墨子·公孟》。

王充对教学和学习有其独特的见解，表现出与众不同的远见卓识。(1)“以心原物”。王充认识到只凭感觉还不能揭示事物的本质，可

能产生假像或错觉。他说：“夫以耳目论，则以虚象为言，虚象效，则以实事为非。是故是非者不徒耳目，必开心意。”说明王充已认识到由于人的生理条件的限制，所以听觉、视觉之所及是有一定限度的，许多事物不能直接经验，即便直接经验，也往往会产生假像失真。因此，还要经过演绎推理，即理性思维的过程，王充称此为“以心原物”。王充在此基础上，又提出了“效证”的观点，他说：“事莫明于有效，事莫定于有证。”认为判断是非、真假，还应该经过事实的验证才能相信。

1. 主张循序渐进，提倡“勤学不舍”。王充主张学习必须立志发奋， 力学不辍，才有成功的希望，他说：“河冰结合，非一日之寒，积土成山，非斯须之作。”并指出“学不宿习”，“其进锐者退速。”要求人们不要一曝十寒，企图一蹴而就，而要踏踏实实地循序渐进地学习。

2. 反对“信师是古”，主张“极问”。王充认为学习要有创造、有新意，要追根求源，务求甚解。

3. 提倡“博达疏通”，主张“学为世用”。王充说：“海不通于百川，安得巨大之名？夫人含百家之言，犹海怀百川之流也。”善于学习的人，应该“其于道术，无所不包。”方能才高智大，又说：“人有知学，则有力矣。”“圣人作经，贤者传记，匡济薄俗，驱民使之归实诚也。”可见他已不仅意识到知识的力量，而且认为获得知识的目的，是治世救民。在物理教学中要扩大知识面，要有利于改造社会、教育学生， 其中不无继承和发展之处。①

三、唐代的教育思想

唐代是我国历史上封建经济最繁荣时期，也是封建主义教育发展的鼎盛时期。所以，唐代积累并创造的培养科技人才的宝贵经验，曾使我国在古代人才群体中大放异彩。因此，唐代的教育思想具有独特的意义， 也带有一定的普遍性，很值得我们重视。

1. 教育思想

1. 科技人才的规格。唐代不少科学家在科技教育中，对科技人才应具有什么样的规格都很重视。例如，医学家孙思邈在总结医学实践基础上向后学者郑重指出，要掌握医道，必须做到“胆欲大而心欲小，智欲圆而行欲方”。②这里“智圆”，指知识丰富而又有智谋，能做到“见机而作，不俟终日。”“行方”，指行为方正不阿，即不为利欲而偏离正道，也不因坚持正义而感到忧惧不安。又如史学家刘知几，在关于史才的论述中指出，“史有三长，才、学、识，也罕兼之，故史者少。夫有学无才，犹愚贾操金，不能殖贷，有才无学，犹巧匠无■■斧斤，弗能成器，善恶必书，使骄君贼臣知惧，此为无可加者。”③这种思想在当时就被视为“笃论”，与孙思邈对人才的要求，正相呼应，对后世影响很大，可谓是有关人才结构的重要论述。

2. 科技道德教育。唐代有成就的科学家和工匠在传授科学知识和技

① 参阅毛礼锐等主编《中国教育通史》，第二卷，第 577 页。

② 《旧唐书·孙思邈传》。

③ 《新唐书·刘知几传》。

艺的同时，大都十分重视进行科技道德教育，十分注重培养科技人才的专业品德。当时，他们已认识到科技工作者德高术精可以造福百姓，若德劣术高就可能造成很大的危害。所以把确立献身科学事业的理想，以服务于天下国家为目的，作为科技教育中的一项重要内容，并要求后学“济扶苦难”，“不怜富憎贫”，“不淫声色”，“调和心性不乍嗔乍喜”。①这在今天来说，就是在物理教育中要培养学生和让学生树立正确科学的人生观。

1. 科技专业教育。唐代的科技专业教育，主要表现在重智能和集众长两方面，即一方面很重视学生智能的培养，提出了“智圆”的要求， 强调要求知识能够融会贯通，灵活运用于实际，反对“算者昧于象，占者迷于数”，注重培养后学者独立思考、敢于创造的能力；另一方面很提倡博古通今，集众家之长，大胆地突破儒家重师法，守家法的限制。对于集诸家之要，孙思邈在《千金方·序》中提出，要“上极文字之初， 下讫有隋之世，或经或方，无不采摭。集诸家之所秘要，去众说之所未致”。又说“一事长于己者，不远千里，伏膺取决。”也就是说，他的经验和对后学者的要求是既要博采，又要深入钻研，去粗取精，同时还应该不耻下问。

在我国当前的物理教育中，在培养目标上，强调了要求学生有共产主义的崇高理想，全心全意为人民服务的精神，要使学生有合理的智能结构；在教材编撰上，突出了要有利于学生进一步掌握物理知识和懂得物理知识的应用，也注意了反映物理学的前沿和科技的最新成就；在专业上，重视了使学生有宽广的知识面和分析问题、解决问题的能力；在教学方法上，加强了物理实验和动手能力的培养等等，这是对唐代科技教育精神的继承和发展。

1. 科技教材

我国由国家颁定统一的科技专业教材，是从唐代开始的。它颁定的科技专业教材，具有四个特点：

1. 荟萃集成。

2. 编写教材与研究相结合。唐代编撰科技专业教材，选派第一流的科学家，将编写教材与科学研究相结合，使所编教材本身就是最新的科研成果。

3. 具有独特体例。唐代颁定的教材都是注释本，使学生能知其源，

   又使学生能知其流，学到新知识。有的还是集注本，使学生借以了解各家的见解，开阔眼界，活跃学术思想。所以这种体制，易于学生自学。

4. 图文并茂，形象生动。此外，在唐代运用诗歌、韵文记叙科学知识也十分普遍，使其具有一定的韵律，读来琅琅上口，所有这些对我们当前编撰物理教材，不无值得借鉴和学习的地方。

① 《千金翼方》卷二十九。

第三节 古代物理知识的代表作

在中国古代，物理学虽一直没有从哲学和自然科学中分化出来成为一门独立的科学，然而通过含有物理知识的哲学、自然科学和科技知识等著作的流传和有关的教学活动，物理知识还是不断地在社会上传播， 仍然得到了一定的发展，并在其运用中还有许多举世闻名的发明创造， 以致今天人们在追寻物理教学的历史渊源时，不能不看到它们在中国的黄土地上已有最早萌发的绿芽。这里，我们仅对古代在传授物理知识方面比较突出的著作中的主要物理内容及其运用物理知识的典型事例，作一扼要的介绍。

一、《墨经》

《墨经》是墨家学派的著作，也是他们进行私学教育的教材（墨经书页见插页图 3）。《墨经》中有关物理知识的内容，主要是在力学和光学方面。

1. 力学方面

《墨经》中对时间和空间概念分别作了正确的定义。如“久，弥异时也”。“宇，弥异所也”。就是说，时间是不同时候的通称。空间是包括各个方面的一切地点。并区分了时间和时刻的概念，如“始，当时也。”“时，或有久，或无久。始，当无久。”就是说，时间可分为“持续（有久）的”和“非持续（无久）的”，即瞬时的两种。“开始”则属于“无久”的瞬时的那一种。墨家又把机械运动定义为“动，或（域） 徒也”。意思是说，运动乃是物体空间位置的变动。

《墨经》中对力的概念提出了初步的论述。“力，刑（形）之所以奋也。”即是说，力是使物体开始运动或加快运动的原因。《墨经》中还进一步把重量与力联系了起来，“力，重之谓。下与（举），重，奋也”。显然它指出了物体的重量也是一种力。并说明物体下落或向上举时，都有力的作用。墨家以桔槔和秤的工作原理为例，总结了杠杆的工作原理，提出了“本（重臂）”、“标（力臂）”、“权”、“重”等概念，论述了等臂杠杆和不等臂杠杆的平衡条件，并指出“挈，长重者下，轻短者上。”即杠杆的平衡，不但取决于两物的重量，还与“本”、“标”的长短有关。可见墨家已知道了可以用两种方法来调节杠杆的平衡，并已进行了杠杆原理的探讨。

墨家还叙述了斜面上的物体失去平衡的道理，以及利用斜面来提升重物的方法。他们曾设计了一种装着滑轮的前低后高的斜面车，称为“车梯”，用来载重物沿斜面不断升高，以节省人力。

1. 光学方面

《墨经》从早为人们认识的光的直线传播原理出发，首先提出了影与光、物之间的关系。如“景不徙，说在改为。”就是说影是不动的， 为什么有时看到影在移动呢？这是由于光源（或物体）移动而使影改变位置的缘故。接着对本影和半影及影子的大小跟光源、物体的关系等等作了论述，如“景二，说在重。”“景之大小，说在■正、远近。”这两句分别是说，两种阴影区之所以形成，是由于两个光源的光线照射到同一物体上，在物体后面产生的两个阴影区互相重叠的结果。同一物体之影所以会有时大有时小，是由于光线照射于该物体有时斜、有时正，

以及光源离物体有时远、有时近的缘故。又如“景倒，在午有端，与景长，说在端”，指出了小孔成像之所以倒立，是由于光线在小孔处交叉， 至于像的长短，则于小孔的位置有关。并进一步说“光之人照若射。下者之人也高，高者之人也下。足蔽下光，故成景于上；首蔽上光，故成景于下。在远近有端与于光，故景库内也。”具体解释了小孔成像的原因。

《墨经》还介绍了平面镜成像，叙述了凹面镜、凸面镜成像的规律， 如“■低，景一小而易，一大而正，说在中之内外。”即凹面镜可以生成一个倒立缩小的实像，或一个正立放大的虚像，原因是由于人在球面中心和焦点之外还是之内。又如“■团，景一。”即物体不管离凸面镜的距离远近如何，凸面镜只可以生成一个正立缩小的虚像。可见，墨家私学不仅相当系统地研究和传授了几何光学方面的知识，得出了精辟的见解和结论，而且在研究和传授中已运用了观察、分析和科学实验的方法。

此外，墨翟曾在地下设瓮，利用共鸣现象，探查敌方挖洞攻城的计谋。到宋代曾公亮，在他的《武经总要》中，把这种方法称为“瓮听”， 这是声学效应在军事中的应用。

二、《考工记》

《考工记》是春秋战国时期齐国人的一部科技著作（《考工记》书页见插页图 4）。它是我国古代一部手工技术规范的汇集。全书所论包括了当时手工业的主要工种，并在论述各种手工技术的同时，还阐述了其科学道理。经分析可以看到在描述每一项手工技术的文字中都包含了一定的物理知识，其中主要是力学和热学方面。

1. 力学方面。《考工记·轮人篇》在论述车轮制造时，以受力、运动和不同接触地面的影响等因素出发，在讲到轮子的形状与运动快慢之间的关系时说：“凡察车之道⋯⋯不微至，无以为■速也”。“微至” 是指轮和地面的接触面积少。就是说，车轮与地面接触少，就容易转得快。那么，怎样才能达到“微至”呢？它接着指出：“欲其微至也，无所取之，取之圜（圆）。”即要尽量把轮子做成理想圆。这是在实践中对滚动物体的滚动速度与滚动物体的接触面积大小有关的经验总结，是符合近代摩擦理论的。在论述如何检验轮子各部分是否做得均匀时，它说：“■辐必齐，平沈（沉）必均。”“水之以■（视）其平沈之均也。” 这里水之，即浸入水中，如果“平沈”即浮沉相同，则轮子各部分必定是均匀的，就符合制作轮子的要求了。这是浮力原理在制造轮子中的应用。在论述到轮子大小对拉力（牛或马）的影响时，它说：轮太矮，马就老在上坡一样。从现在力学知识看，当轮太低时，辕与地面成一角度， 马除了要克服运动阻力外，要承受部分重力，因此马总象上坡一样费劲。这是实践中对斜面受力的一种极好的分析。

《考工记》还分析了与弹道有关的技术。它在《矢人篇》中说：“水之以辩其阴阳，以设其比，夹其比以设其羽，参分其羽，以设其刃，则虽有疾风，亦弗之能惮矣。”这就是说，为了要使箭在飞行中保持稳定， 采取了把箭上的羽毛按一定比例对称地安排，然后加上箭头，则在飞行中就不怕风的影响了。接着又说：“前弱则■（俯），后弱则翔（仰）， 中弱则纡（纡■旋转之意），中强则扬。”“羽丰则迟，羽杀则■。”

这说明了箭杆如果前轻后重，或前重后轻，都会影响飞行的高度；中间轻重配置不当，会影响飞行的稳定性；羽毛太多，则飞行速度慢。而羽毛太少，则箭容易落向旁侧，射不到目的物。

《考工记》最早作出了关于物体惯性的论述。在《■人篇》中说： “劝登马力，马力既竭，■尤能一取焉”。意思是说，马拉车的时候， 马已停止用力了，但车还能前进一段路程，这里指出了物体的一种基本属性——惯性，这也是世界上对惯性现象的最早论述。

1. 热学方面

《考工记》中论述的热学知识，是很有实际意义的。它说：“凡铸金之状，金（铜）与锡，黑浊之气竭，黄白次之，黄白之气竭，青白次之，青白之气竭，青气次之。然后可铸也。”指出了冶炼金属时加热后先呈暗红色，温度渐高，依次是呈橙色、黄色、白色、最后是青色。这是因为金属里含有碳、钠一类的杂质，不同物质有不同的汽化点，所以可以根据汽化物质的颜色作为判断火候或温度高低的标准，最后达到“炉火纯青”，就可以浇铸了。这个从实践中总结出来的区别冶炼金属程度的实际知识，传至今日，仍为冶炼工人所利用。

三、《论衡》

《论衡》是东汉王充所著，内容十分丰富，其所述的物理知识，也较之《墨经》有十分明显的充实和发展。

1. 力学方面

王充在对物体的运动进行了仔细观察的基础上，在《论衡》中指出了人的视觉，在观察物体的运动快慢时会造成错觉的原因和如何量度物体运动的快慢。他在《论衡》中说：“天行已疾，人去高远，视之若迟。盖望远物者，动若不动，行若不行；何以验之？乘船江海之中，顺风而驱，近岸则行疾，远岸则行迟，船行一实也，或疾或迟，远近之视使之然也。”说明是由于观察者离运动物体远近不同，因而感到它的快慢也就不同了的道理。这也说明王充已知道了视角差对于观察物体运动快慢的影响。在关于运动的快慢上，又说“日昼行千里，夜行千里，麒麟昼日亦行千里，然则日行舒疾与麒麟之步相类似也。”意思是太阳和麒麟在日间运动的快慢相比是一样的，说明已有了现代物理学中“速率”概念之萌芽。

关于力和运动的关系，说：“是故车行于陆，船行于沟，其满而重者行迟，空而轻者行疾，”“任重，其进取疾速，难矣。”又说“古之多力者，身能负荷千钧。①乎能决角伸钩，使之自举。不能离地。”显然已不仅知道在外力的作用下，若外力大小一定，则物体越重，要它开始运动，或使之运动状态发生变化就越难。这显然是现在称之为牛顿第二运动定律的萌芽，而且还认识到内力不能改变物体运动状态这一事实。

1. 声学方面

在《论衡》中有：“生人所以言语呼吁者，气括口喉之中，动摇其舌，张歙其口，故能成言。譬犹吹萧笙，萧笙折破，气越不括’手无所弄，则不音。夫箫之管犹人之口吞也，手弄其孔犹人之动吞也。”又说： “令人操行变气远近，宜与鱼等，气应而变，宜与水均。”可见他已认

① 钧为古代重力的一种单位，一钧等于 15 千克。

识到人发声是使空气振动而产生的，并将声音在空气中的传播用可见的水波的传播来作了比喻。这种比喻，在今天的物理教学中，在讲光的干涉和衍射时，不是仍然在运用吗？在这里，还应特别予以注意的是王充实际上已指出了振动的传播要通过媒质。

1. 热学方面

《论衡》中有“夫近水则寒，近火则温，远之渐微，何则？气之所加，远近有差也。”“云雾，雨之征也，夏则为露，冬则为霜，温则为雨，寒则为雪，雨露冰凝者，皆由地发，不从天降也。”这些论述可以说明，王充不仅用“气”来解释热现象，指出热传递与距离远近的关系， 而且对自然界中雨、露、霜、雪的成因也进行了研究，指出了它们都是地面上的水蒸发所致，所以实质上他已进入了物态与温度之间的关系的研究。可见，王充对热现象的观察和分析是十分细致深入的，这种运用观察、分析的方法对现在的物理教学和科学研究，都有指导意义。

1. 电磁方面

关于摩擦起电的现象，西周末年已有“玳瑁吸褡”的记载。（玳瑁是一种跟龟极相似的海生爬行动物，产于中国沿海地区，它的甲壳黄褐色，光滑、有黑斑，是一种绝缘体，故摩擦能生电）。在《论衡》中， 对这现象作了进一步的解释：“顿牟拾芥，磁石引针，皆以其真，不假他类，他类肖似，不能掇取者，何也？气性异殊，不能相感动也。”这里顿牟即玳瑁，王充用气性相同，也就是性质相同来解释上述相互吸引的现象，和气性不同，即性质不同来解释别类物体不能“感动”的原因。

对于“雷电”现象：“夫雷之发动，一气一声也。”即不过是一种气和一种声而已。那么，为什么会有声呢？他以“人伤于寒，寒气入腹， 腹中素温，温寒分争，激气雷鸣。”为喻，认为是不同的气相互激发出来的。可见，王充认识到雷电也是物质的，也是自然界的一种变化现象。

四、运用力学原理的创造发明——浑天仪与地动仪

漏水运转浑天仪和候风地动仪，是东汉张衡（公元 78—139 年）根据物理的力学原理先后制成的。它们分别在天象和地震观察上发挥了作用。漏水运转浑天仪是一台自动测示天象的仪器，它以一空心铜球表示天球，天球画有星座和黄道、赤道，紧附在天球外的有地平环和子午环等，天球可以支架在子午环上绕天轴转动。另外把计量时间的漏壶与浑象联系起来，即利用漏壶的等时性，以漏壶漏出的水为原动力，再通过浑象内部装置的齿轮等使传动和控制设备，以使浑象每日均匀地绕天轴旋一周从而达到自动地、近似正确地演示天象的目的。候风地动仪以精钢制成，形似酒尊，里面均匀排列八根“都柱”——上粗下细的立柱。由于都柱重心高，当地面一有震动，就极容易向震动方向倒下。尊外相应地设置八条口含小铜球的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍，昂首张口

（见插页图 5）。当某一都柱倒下时，就带动了连接的龙，使龙口张开， 所含的铜球落下到其下面的蟾蜍口中。因此观察落下的铜球的方位，就可判断地震发生的方向。

五、《梦溪笔谈》

《梦溪笔谈》是北宋中期的政治家和科学家沈括（1031—1195）所著，这是中国科学史上一部重要的著作，英国科技史家李约瑟把它称为“中国科技史上的座标”。

《梦溪笔谈》这一举世闻名的科学巨著，内容涉及领域十分广阔（《梦溪笔谈》书页见插页图 6）。在物理知识方面，主要是生动地记述了磁学、光学和声学知识。

1.磁学方面

早在春秋战国时期，我国发现磁石具有吸铁和指南的性质。到北宋的沈括，他对指南针的使用作了多种试验。例如，他作了把指南针设法放在水面上（水浮法），碗边上（碗唇法），手指甲上和把指南针悬挂起来等试验，并且进行比较，指出了它们各自的特点，这可以说是世界上关于指南针的最早实验记录。同时其实验方法也十分巧妙。例如，他是如何把指南针悬挂起来进行实验的呢？“其法取新纡中独茧丝，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南”。（《梦溪笔谈》卷 24）这种指南针的实验方法在今天看来，仍不失为是值得仿效的较好方法。更可钦佩的是，《梦溪笔谈》上还指出了“方家以磁石磨针锋，则

能指南，然常微偏东，不全南也。”说明沈括在实验中已发现了磁偏角。西方一般认为哥伦布在 1492 年远渡大西洋时首先观测到磁偏角，实际上

沈括的发现要比哥伦布早 400 多年。2.光学方面

在《梦溪笔谈》中，有许多光学方面的观察和实验的记录及其分析。如对日蚀、月蚀的成因作了理论总结，并第一次用类比演示实验来验证月亮圆缺的科学道理。其中说：“如一弹丸，以粉涂其半，侧视之，则粉处如钩，对视之，则正圆。”（《梦溪笔谈》卷七）在该书中还除了通俗地讲凹面镜成像和针孔成像的道理，对光的直线传播、光的折射现象和虹的形成进行了研究和解释以外，还曾认真地作过凹面镜成像的实验，得到了较《墨经》前进一步的结果。如：“阳燧面洼，以一指迫而照之则正，渐远则无所见，过此遂倒。”（《梦溪笔谈》卷三）这里所谓“过此”的“此”，指凹面镜的焦点和中心之间的这段距离，沈括又称之为“碍”。这就明确地指出了物在凹面镜焦点之内时得正像，在焦点和中心之间看不到像，而在中心之外时得倒像。

《梦溪笔谈》中还对我国的一种古铜镜——透光镜的透光原理，也作了精辟的解释。透光镜可能在西汉时代已能制作，最早记载于隋唐之际王度的《古镜记》中，该书说透光镜“承日照之，则背上文、画、墨入影内，纤毫无失”。对于这种现象历来引起人们的注意，沈括对它的制造工艺和原理作了探讨，他说：“此为铸时薄处先冷，唯背文差厚， 后冷而铜缩多，文虽在背，而镜面隐然有迹，所以于光中现。”（《梦溪笔谈》卷十九）这个解释表明，由于镜背图案花纹，致使整个镜子厚薄不匀，因此在铸造时厚薄不同，冷却有先后，后冷而铜缩多，造成镜面也有和背面图案相同的微小的凹凸花纹，在它反射光线时就显现出来了。一句话，就是镜面的铭文是由于铜的收缩有差别所造成的。

据近来的中外研究，冷却法和磨刮法均可得到透光镜的效果，但从制镜的技术上看，较一致的看法，是认为利用磨刮的方法而成的。

3.声学方面

《梦溪笔谈》中阐述的声学知识，包括关于乐律，古乐钟的发声， 古琴的制作和传声、共鸣等等，并记载了一个作者精心设计的共振实验。由于弦振动比较微弱，不易观察，他剪了一些纸人放在弦上来作试验。

他写道：“琴瑟皆有应声：宫弦则应少宫，商弦则应少商，其余皆隔四相应。今曲中有声者，须依此用之。欲知此应者，先调弦令和声，乃剪纸人加弦上，鼓其应弦，则纸人跃，他弦即不动。”这比英国人诺布尔和皮戈特使用类似的方法来演示共振现象要早约 6 个世纪。还值得指出的是，沈括的这个用简单的仪器来证明弦线的基音与泛音共振关系的实验，形象十分生动，若用于教学，更会引起学生学习物理的兴趣。

沈括除了上述把声学知识广泛应用于乐器的调、制以外，他还用来科学地解释生活中与此有关的种种现象，例如他在《梦溪笔谈》中记载了他在行军时应用的声学知识。他写道：“古法以牛皮为天服（即箭袋），卧则为枕，取其中虚，附地振之，数里内有人马声，则皆闻之，盖虚能纳声也。”沈括的这种注重知识的实际应用，对于我们今天进行物理教育，也是值得借鉴的。

六、《草象新书》

《草象新书》是我国古代突出的实验物理学家赵友钦（1279—1368） 所著。他在书中对光学现象作了比较深入的研究和详细的描述，并用实验进行小孔成像的研究，指出了小孔成像的规律。

从实验知道，光通过小孔时，不论孔的形状如何，屏上得到的光斑总是发光物的像。当孔相当大时，则屏上得到的光斑形状随孔的形状而定，孔方则方，孔圆则圆。他对这个现象的解释是“罅小则不足容日月之体，是以随日、月之形而圆，及其缺则皆缺。”“罅大而可容日、月之体也。”说明了小孔成像与孔的大小有关。

为了证明这个结论，赵友钦设计了一个完备的实验（赵友钦实验图见插页图 7）。他把一个二层楼房作为实验室，在楼下的两间房子的地面上各挖一个直径约 1.33 米（四尺）的圆井，右边井深约 1.33 米（四尺）， 左边井深约 2.66 米（八尺），在左边井里放一只约 1.33 米（四尺）高

的桌子，在左井桌上和右井井底各放一块密插 1000 多支蜡烛的圆板，作为光源，把它们看作太阳或月亮。在楼板上各有一小方孔，左边的孔宽约 3.3 厘米（一寸），右边的孔宽约 1.65 厘米（半寸）。他的这些设计都是有道理的。例如他用相邻两个房间而楼板开孔不同，就是为了对比； 他把作为光源的蜡烛放在井内，就可以使烛焰比较稳定；井开得相当大， 就可以放得下 1000 多支烛；楼板上孔是较小的方形，可以看到出现的像是圆形，证明像的形状与小孔的形状无关，只是孔较大的较明亮，孔较小的较暗淡。但光源的形状如果改变，像的形状也要改变，例如，熄灭一半蜡烛，光源变为一半圆形时，像也缺了一半，烛盘缺左半，像缺右半；烛盘缺右半，像缺左半，证明小孔成的像是倒像。如果撤去左井内小桌，把烛盘放在井底，也就是增大了光源与小孔的距离（物距），则天花板上的像就缩小，而亮度却增加了。这种实验设计可以说是考虑得很周密的。

经过一系列的周密的观察实验以后，赵友钦指出：“凡景近窍者狭， 景远窍者广；烛远窍者景亦狭，烛近窍者景亦广。景广则淡，景狭则浓。烛虽近而光衰者，景亦淡，烛虽远而光盛者，景亦浓。由是察之，烛也， 光也，窍也，景也，四者消长胜负，皆所当论者也。”赵友钦的这种正确科学论断，西方直到 16 世纪末才由开普勒得出，比我国晚了 300 年。

这里也应指出的是，赵友钦在进行上述小孔成像的研究中，采用的

那种实验步骤，即只改变孔的大小；只改变光源的形状；只改变像距； 只改变物距；只改变孔在物、像间的位置，即同时改变像距和物距等等， 都是确定一个因素作为研究对象，而将其他因素控制不变的实验方法， 至今仍为物理教学广泛采用。

七、声学效应在乐律上的运用——十二平均律

近代乐器上用的新律制——十二平均律，是明代乐律理论家朱载■ (公元 1536—1610)提出和创造的。在我国，早在周初，就有了在一个音阶中确定的十二个律，并在十二律中选取五个或七个音组成一个音阶的乐制。大约在春秋战国时期，我国开始使用定律调音的三分损益法，来确定管或弦的长短和发音高低之间的关系（见《管子·地员篇》）。这种方法就是从一个被认定为基音的弦（或管）的长度出发，把它三等分， 再去掉一份（“损一”）或加上一份（“益一”），以此来确定另一个

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音的长度。在数学上，就是把发音的弦长乘以 3 或 3 ，依此类推下去

，直到在弦（或管）上得出比基音约高一倍或低一倍的音，就完成了一个音阶的计算。应用这种三分损益后完成一个音阶中各律的计算以后， 比基音高（或低）8 度的音只能的高（或低）一倍，而不能刚好一倍，这样就不能真正组成一个完整的 8 度，为了消除这个差数，达到对音乐艺术更高的要求，自汉代以来，不少音律乐家提出过许多修正的方法， 但都不能得到简单、合理而又精确的结果。朱载■于1584年以公比

12 2的等比级数分配音律，使一个音阶中任何二个相邻音律的频率之比都是12 2，或音程为100音分，从而彻底地消除了三分损益法出现的差数。朱栽■的这种科学地运用声学效应的革命性变革，极有利于曲调的创作和乐器的制作，具有很高的科学性和实用价值。

十二平均律的提出，在我国物理学的研究和音乐教学中，具有特别重要的意义，这就是从物理现象的定性讨论进入定量的数学计算，这在我国古代物理学的研究中是一项创举，而且与西欧比较起来，也早于法国约 50 年。因此，当这项发明由传教士传入欧洲时，引起了整个世界的轰动，并得到了德国物理学家亥姆霍兹的高度评价。

八、《正蒙》和《正蒙注》

我国古代在寻求物质组成的规律时，也曾反映了朴素的物质不连续性和物质最小单位不可分割的思想。例如《墨经》中说：“端，体之无厚而最前者也”，“端，无间也”。即认为“端”是物的起始，把物体分割到“无厚”，便达到处于最前（即分割到最后）的质点。端是最基本的东西，最基本的东西是无间隙的。这可以说是原子论的萌芽。但是这种“原子论”的观点，后来没有得到多少发展。与此类似的是早在古希腊时代，西方就认为原子是物质结构的基本粒子。这种观点经过了好几个发展阶段，到 19 世纪初，英国道尔顿建立了化学原子论，成功地解释了物质的各种变化，因而确定了原子论的地位。

但是，我国古代哲学家，一直没有放弃元气的观点，直到现代，西方物理学家认为中国的元气学说、提出了物质组成连续性的观点是极为宝贵的，这里对其中比较有代表性的张载、王夫之建立的“元气本体论” 作一简要的介绍。

宋代张载(1020—1077)在中国古代元气自然论的基础上，提出了“元

气本体论”，他认为宇宙万物的本源是物质性的“气”，并进而引入了“聚”和“散”的概念，以说明客观世界不同物质形态的存在和它们的运动变化。张载在这方面最重要的著作是《正蒙》。在该书中他提出了“太虚即气”的观点。他说：“太虚无形，气之本体。其聚其散，变化之客形尔。”就是说，元气的聚合分散，都是暂时现象（客形），而不是永久不变的。一切自然现象，变化无穷，都可以用气来解释。所以“有无、隐显、神化、性命、通一无二。”他明确地指出了所有自然现象是物质的运动变化。并举例说：“气之聚散于太虚，犹冰之凝释于水。” 说明“知太虚即气，则无‘无’”的道理。意思是说，如果知道了太虚即气，则气到处都存在，没有所谓“无”了。当然更不会有“无中生有” 的唯心观点了。他又说：“动必有机，既谓之机，则动非自外也。”更一步指出了事物变化的原因在于事物的内部。

张载在阐述事物的运动变化时，又引进了事物对立统一的观念。他说：“两不立，则一不可见，一不可见，则两之用息。”这是因为任何一物总是有虚实、动静、聚散和清浊等相反的特性，从而造成了“循环迭至，聚散相荡，升降相求，■温相■，盖相兼相制，欲一之而不能。”

（《正蒙·参两》）由此可见，张载已认识到自然界中总存在正、反两个方面，一切自然变化，无非是正反两方面相互斗争、运动变化的结果。这里显然包含了物质转化思想的萌芽。

明代王夫之(1619—1692)又把张载的“元气本体论”的思想作了进一步的发展。他在《张子正蒙记》中指出：“虚空者气之量，气弥论无涯而希微不形，则人见空虚而不见气。凡虚空皆气也。聚则显，显则人谓之有，散则隐，隐则人谓之无。”其中凡“虚空皆气”与张载所说“太虚即气”是一样的意思。

王夫之还从“元气本体论”出发，提出物转变而不灭的思想。在《正蒙注》中“散亦吾体，聚亦吾体。”意思就是气只有聚散，没有生灭， 元气是永恒的。他举了三个明显的实例加以阐述：一个是“车薪”之火， 一烈而尽，而为焰，为烟，为烬，木者仍归木水者仍归水，土者仍归土， 特细微而人不见尔。”二是“一甑之炊，湿热之气，蓬蓬勃勃，必有所归；若■盖严密，则郁而不散。”三是“汞见火则飞，不知何往，而究归于地”。这就是说汞燃烧后，蒸汽散发，终究要落到地上，不会消失。这些例子充分说明了“形”是可生可灭的，但“形”的生灭不过是“形” 与“气”的相互转化而已。由此不难看出，王夫之已确立了自然界物质不可创造、不可消灭的守恒思想了。上述例子，在今天的物理教学中， 仍有可用之处。

在中国古代“元气论”的发展过程中，应予特别指出的是：它从一开始就坚持了物质的统一性，并按从一般到个别的模式，去考察各种具体的规律和作用。这种从总体、辨证、综合和动态的观点，统一去观察世界的认识路线，在当前科学发展中具有新的意义；“元气论”中的“元气”，要聚而成“形”，而“形”这种不连续的物质，要散而为“气”。这种元气聚散、气形相互转换的思想，不仅较之古希腊的“原子论”所揭露和描绘的自然界的客观变化要丰富、深刻得多，而且其涉及到的连续和不连续的对立统一的物质观，也将在很大程度上影响今后物理学的研究。

综上可知，中国古代在物理知识的传授中，涉及到的知识面是相当广泛的，它不仅涉及到力学、热学、声学、光学和电磁学，而且也探讨了物质的本源。同时也可看出，古代在物理知识代代相传的过程中，也有独到的见解和创造性的应用。然而由于中国封建社会的政治制度、教育制度和经济体制等等因素，对科学发展的扼制，使不少对物理学的形成很有价值的科学思想或创造发明，都因得不到应有的重视和支持而湮没不闻，或者时断时续，甚至要隔几代后再重复前人的工作，以致造成我国学校中的物理教育直到 19 世纪 60 年代，西欧已到了物理学家人才辈出的时期才迟迟起步，这个教训是十分深刻的。

第四 节古代教学方法

中国古代物理知识的传授，是渗透在其它教学活动中进行的有代表性的是在科技教育活动中进行的。中国古代在科技教育中采用的教学手段，除有时也采用观察和实验外。差不多都是非常单一的语言和书本。在教学中采用的教学方法，主要是：

一、“非其人勿教非其真勿授”。

中国自古以来的名师巧匠，在择徒选生上一向都有严格的要求，而且愈是绝技在身者要求愈严。《黄帝内经》《素问经》：“非其人勿教， 非其真勿授，是谓得道。”意思是说要培养有造诣的学生，首先选择弟子要严肃认真，符合标准，在教学中要按学生的生理和心理特点，扬长避短，使之以弟子之所能，各得其能，各得其传。这在今天来说，也就是教学方法要从学生的具体实际出发，充分发挥学生的智能，以使其成才。显然，这是考虑教学方法的先决条件之一。

二、观察和实验

我国运用观察的方法来了解和掌握自然规律，早在《周易·贲》中， 就有“现乎天文以察时变”的记载，在《诗经》中已有不少把劳动人民运用观察得来的经验凝结为诗歌的篇章 ，如“上天同（彤）云，雨雪

■■”和“朝齐于西，崇（终）朝其雨”等等，说明已科学地认识到风云和雨雪之间的关系。在《考工记》中，如前第三节中所述，已能根据观察冶金时火焰的颜色来判定铸件冶炼的程度。同时根据石申的《石氏量表》还可断定，他已有一种测定方位的测角仪器，借助其观察天象， 说明至石氏时，观察法已有重大的发展。

我国运用实验的方法，最早始于《墨经》中的小孔成像实验，后来在声学、光学等方面如第三节中所述，也有了发展。

观察和实验是古代科技教育的重要方法，也是今天科技教育中的重要方法，尤其它还是物理教学的基础，是必须予以十分重视的。

三、注意基本功训练

在《学记》中有“良冶之子，必学为裘；良弓之子，必学为箕；始驾马者反之，车在马前。⋯⋯”的记载，说明或反映了优秀的科技家和技术人员，在教育弟子时，十分注意实际操作、基本功训练和循序渐进的经验。这对今后的物理教育，更有很大的启示作用。

小结（物理教育的特征）

从中国古代的教育概况和物理知识的传授中，可以看出中国古代的物理知识来源于劳动人民的生活和生产，而又直接为生活和生产服务。同时也可了解中国古代已掌握了相当丰富的物理知识，这不仅涉及力学、热学、声学、光学、电磁学等等，而且在相应的工程技术领域，也有不少成功的应用。然而作为物理学，还没有从哲学、自然科学及科技知识中分化出来，更没有形成其自身的系统而成为一门独立的科学。所以，从物理学和物理教育的角度来说，古代物理知识的传播可以归纳为以下几个特征：

1. 古代的物理知识是分散的、间断的、隐含在其他自然科学和技术知识中的，其本身还称不上一门独立的科学。

2. 从知识的层次来看，是定性的、唯象的，基本上都是属于感性认

识，所以既没有从现象上升到理论，也没有作出定量的研究，即还没有从观念上升到概念或规律。

1. 物理知识的传授主要是在生产劳动的过程中进行的，其次是通过著书立说及科技教育，所以其本身没有明确、独立的目的要求。

2. 在传授的过程中，主要运用口传心授、观察模仿、实际操作等方法。

3. 观察和实验已被不时地运用于物理知识的探索和传授，但广泛运用的是自然观察法。