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《史学物理》:科学史与物理专业课程相融合教学模式思考与探索 精选

已有 6955 次阅读 2014-6-6 23:12 |个人分类:来学往教|系统分类:教学心得| 科学精神, 哲学, 物理, 科学素养, 物理学史


前言:徐晓最近在娓娓道来地叙述光的历史光速》,我觉得很好,那是因为这种模式应该是符合我建构自己的知识体系的需求的,只是我自感没有透彻也不能完全理解,虽然我是教光学教物理也教物理学史的,这里面的人物和基本的理论我都是了解一二。所以我以为他的系列博文,即使作为高级科普,还是难了些,当然可能是我愚笨,我准备早早晚晚一定要好好研读研读。

我又想,可能对于我来说,高级科普也不能足够解惑,最好有人能仔仔细细带我推导一遍,实验一遍,观察一遍,才能将其全然内化于心。或者未来我们的科学教育就可以达到这种境界,可以让我们能够玩着科学探索的仙剑奇侠传,打怪、升级、组队、国战、练装备、办任务,最后打个大BOSS!

下文是去年的时候,我写完了学校的一个教研项目结题报告,自知肯定没人看,就打算写个文章,怎么也整篇教研论文撒,结果投了投试试,竟然拒稿。还是放在科学网上,也算对徐晓的系列博文的呼应。

自感浅薄,还请大家不吝批评指教!同时我对形式的认真总是不够耐心,所以如有引用失误,还请原谅批评指教。

 

 

“史学物理”

将科学史与物理专业课程相融合教学模式的思考与探索



【摘要】:目前的物理教学中所教授的往往是经过抽象和反复消化归纳了的数学程式化的知识系统, 这种传统的教学模式割裂了学科和学科历史之间的联系,学生对学科的知识缺乏直觉感性认识,使得作为科学基础的物理教学远远未能起到培养科学精神及科学素养的作用。所以,突破传统的科学史仅为点缀的教学模式,探索将物理学史与物理学教学紧密有机地糅合在一起,在物理课堂教学中简洁凝练地再现人类科技文明的进化过程,从历史案例中培养学生对物理学科的好奇与热情,不仅有助于学生科学知识和科学素质的内化和建构,也是将科学与人文“两种文化”相结合的一种新的教学模式的探索。

【关键词】:物理学史;物理;哲学;科学精神;科学素养

 

斯诺的《两种文化》中指出了存在着相互对立两种文化,一种是人文文化,一种是科学文化,两种文化的分裂对整个社会是一种损失,而产生这种分裂的原因:一是我们对专业化教育的过分推崇,一是我们要把我们社会的模式固定下来的倾向[1]

当前,科学的发展和社会分工的日趋细化使得高校教育的专业分化趋势积重难返,虽然科研和教育界的有识之士一直不断呼吁通识教育的必要性和迫切性,但现实社会中职业对专业的教育需求无疑与人的和谐全面发展的教育理想之间存在着深厚的矛盾。寻找这一矛盾的调和手段,也即寻找一种可操作、可推广的教学模式:既能够激发学生思想热情,同时也培养其严谨、理性、规范及求实求真求美的科学精神,并保持课程知识体系的相对完整性,在理论和实践上都有重要的意义。

一、史学物理的必要性

物理学,作为自然科学的基础,是最能体现科学范式和发展最充分的学科,科学史很大程度上就是物理学史。物理学的系统学习,一直被公认是提高科学素养,培养科研能力的最佳方式。

然而在长期的物理教学和科研的过程中,在与学生的接触和调查访谈中,发现中国现行教育体制下,学生普遍觉得物理学枯燥并有惧怕感,即使是在985、211学校的物理系,对物理有着执着兴趣爱好的学生也凤毛麟角,已少见以前“学好数理化,走遍天下都不怕”的豪情,更不用谈地方性高校的普通理工科学生,学生对科学的自主学习能力很弱,学习兴趣不高。反映到科研过程中,学生的科学精神和科学素养普遍较低,存在着“考试见长、科研见短”的本末倒置的局面。

高中物理老师往往成为学生对物科学爱好的第一杀手。大学老师继续用被高等数学规划了的大学物理继续消磨学生的物理热情,而由此造成的文科物理课程难以有效开展的局面更使得文科生对科学的认识缺乏,这无疑造成了社会科学素养全面堪忧。

造成这一局面的重要原因是:物理教学中的内容往往是经过抽象和反复消化归纳的知识系统。这种简明扼要的理论体系, 无疑是十分必要的,但一代代延续这种传统教学模式却割裂了科学和历史之间的联系,是把物理学当成一门“死科学”来教来学,长此以往,物理教师队伍的整体科学史修养是越来越薄弱,同时文化意识的贫乏、热情的缺失使得少有教师能用物理史的故事来引导感染学生思考探索。注重教授知识,忽视了学生对科学发展历史和现实问题的直觉感性认识,学生就无法从历史的长河中汲取科学的精神营养,无法充分了解过去的每一个真正伟大的、真正高尚的行动和思想,又如何能为了更伟大更高尚的东西而瞻望未来?

钱三强前辈曾经说过:“今天我们科学界有一个弱点, 这就是思想不很活泼, 这也许跟大家过去受的教育有一定关系。”[2]

史学修养的缺乏一定程度上造成目前新生代的科研队伍中无论科学素养还是人文素养比起老一辈科学家都相去甚远的局面。“黄金大米”、“三聚氰胺奶”等等一系列科学与人文背离事件的发生,更暴露了这一缺失的极大社会危害性。

接连不断的高知阶层的自杀和早逝现象的发生,也迫使我们对这些事件背后隐藏的社会和教育的原因做深刻的思考和努力,而不能仅仅当做“小概率事件”听之任之,不闻不问。

对于个体而言,当一个人没有健全的人格,不能将个体命运和人类历史的命运融合在一起的时候,那现实总会存在各种物质或精神的打击足够摧毁他的情志。

乔治萨顿在《科学史和新人文主义》一书中指出:“没有智慧的科学确实是很糟糕的东西,而没有智慧的技术就更糟糕了。[3]也许我们可以推而广之:没有智慧的科学人的人生也很糟糕的……

智慧从哪里来?“历史能使一个年轻人变成一个既没有皱纹也没有白头发的老人,是他既富有由于年事已高所特有的经验,有没有那个年龄所带来的疾病和不便之处。而且,它不仅能使人对过去的和现在的事情做出合理的解释,还能使人对激将来临的事情做出合理的推测。”

“历史的研究,尤其是科学史的研究,不仅能看做是智慧和人文主义的来源,而且可以看做是我们良心的校准器:它帮助我们不自鸣得意,不骄傲自大,不急于求成,但却保持着信心和希望,并且为完成我们自己的使命默默地永不停息的工作。” [3]

科学史物理学史的学习有助于学生对科学的产生和发展产生更深刻丰富的感性认识,有助于学生学习效仿伟大科学家的思路、精神及方法技巧,有助于学生理解和领悟物理学基本概念知识,有助于学生培养科学兴趣和科学美感,而且培养学生的历史感和使命感,以史鉴人,不要重蹈覆辙,也不要失去信念和精神。

不完全统计但十分肯定的是:所有的伟大人物都是注重史实的学习研究,这从他们的自传和学识中都可以读到,科学界也不例外。这些科学家体现出很强的共性精神品质,马斯洛在《科学与科学家的心理学》一书中指出:“伟大、具有创造性、勇敢和大胆的科学家们的灵活多能表明,他们可能处于被支配的状态,也能摆脱支配;既能严格,也能松散;既具理智,也能狂热;既能严肃认真,也幽默风趣;这是心里健康也是科学创造性的标志。”[4]这些优秀的品质,需要我们感同身受地从历史中体验和感悟。

类比人类的胚胎发育能够而且必须迅速而简练地再现动物进化的历史进程,那么我们每个人心中对科学文化的精神建构,是不是也应该也必须通过简洁凝练地再现人类科技文明的进化历史过程的途径才能将知识内化成精神和品质呢?

所以,突破传统的物理教学中将物理学史仅为选修课的教学模式,探索将物理学史与物理学教学紧密地糅合在一起,如串珠引线般从历史案例中培养学生对物理学科的好奇与热情,分析挖掘科学人的人格精神以及心理成长特质,研究思考他们对待科学问题的思路历程,有助于帮助学生内化科学知识,建构科学素养,这是将科学与人文“两种文化”相结合的一种有益的教学模式的探索。

二、史学物理的难点

斯诺对于解决科学与人文两种文化的分裂的方法谈到,他认为不存在一种完善的解决方法,我们不可能让一个人同时在两种分裂的文化中都达到极高的水平,唯一的办法是改变我们现在的教育制度和教育防范,让下一代不在这样隔膜。他说:“所有这一切只有一条出路,就是重新考虑我们的教育。” [1]

一种教学指导思想如何转化为实际可操作可推广的教学模式,往往并不存在现实版的简易方案,其困难往往是巨大的,需要全社会的共识和努力。

(1)中学物理教学的不良影响:

笔者的多年学生访谈与广泛的社会反馈都表明:中学物理教学存在着很大的问题,从中学开始,很多学生就不断地被物理教师磨损掉了对自然科学的兴趣和热情。

比如,大多老师就会采取一种应对高考的投机的教学模式,不考的不讲,或者根据高考模块的划分和选择,先放着力学不讲,先讲光学,热学,上课只讲解题套路,不做实验,这些教学模式会严重割裂了物理学知识思想的延续性[5],打破了物理大厦的框架之美,将物理学的学习完全蜕变成应考的训练。

让我们感到悲哀和担忧的反馈是:“现在估计能找到真正喜欢物理的人太少了,这与中学的教法有很大关系。女儿考大学选专业的时候曾说过,一些专业他们好几个同学其实挺喜欢的,但因为有较多物理方面的课程而放弃了。还有一些人选了医学,其实并不喜欢当医生,理由是学医可以不学物理!”

那些还能对自然科学保持着持久兴趣的人,往往并不是拜老师所赐,不过是逃离了教育的摧残幸存下来,而随着教育产业化的深化,这种摧残也正在扩张着其前所未有的威力。

值得我们警醒的是,现在热爱物理打算投身物理教学的学生少之又少了,若是我们的物理专业教育不能培养出对物理有热情,有思想,有方法的且能传承物理精神的老师,当一级一级哀怨的调剂生们接起了物理教学的大任,我们整个社会和民族的科学素质和科学精神实在令人心忧忡忡。

这里我并不打算把矛头指向高考,因为不可能存在一种通用的完善的人才选拔办法,可以涵盖形形色色的人才类型,这是个汇集着错综复杂的社会大问题。

我认为更现实更有效的解决方案也许首先是来自一种信念:就是要想考好物理,必须学好物理,而充满着智慧和美感的物理教学才是学好的最有效途径。将这种信念通过各种途径传播到公众中去,让学生家长、教师教育管理者以及社会各个阶层的人都能清醒地认识到问题的实质在哪里,不随波逐流,努力朝着正确的方向迈出坚实的一步。

印度电影三傻大闹宝莱坞中的兰彻就说明了这一点,只要有真正的爱,取得好的成绩只是附产品。也许电影反映的不过是超越现实的成功范例,但确是集中了大量伟大成功者的经历、思想和精神的发人深省的参照物。

(2)大学教师的史学修养薄弱

教学模式的探索中我们发现,目前虽然大多数老师都会在物理学教学中开篇或结尾引入一点物理史的知识,但这种引入模式不过是蜻蜓点水,和物理课程内容的结合并不紧密,只不过是将历史知识和科学知识拼凑在一起,并不能达到启迪学生心灵,再现科学思维历程的作用。

由于长期以来,作为培养物理教师的物理专业的高校传统教学中,物理学史的地位不高,物理学史作分立与主干课程之外,其受重视程度与四大力学等专业课程相去甚远,这直接造成教育者本身的史学修养非常薄弱。而在专业课中引入史学知识思想的专业课教师凤毛麟角。

同时教师本身科研素养的参差不齐,而且往往局于物理专业的一隅,使得专业课教师个体领悟和把握物理学史中力热光电相对论量子科学史这一主线思路的能力有限,更谈不上引领学生的思路,史学物理的可行性往往受到严重的挑战。

我们还要认识到,大学教师史学人文修养的薄弱,很大程度上是和当前急功近利的科研评价体系紧密相关,这种风气造成了青年学者不能沉下心从本源上历史的全面的角度思考问题,不愿意将精力放在更广大深远的视野上。

提高物理学史在学科建设中的地位,可以作为破除目前社会中恶劣风气的有益尝试。

(3)教材的陈旧

钱三强对物理学的教学内容早有深刻的论述:“我们的教师在对学生进行教育的时候往往是应用经过几次消化了的材料来讲授, 或者经过抽象的理论分析加以表述, 把已有的知识系统归纳,形成简明扼要的理论体系, 这当然是必要的,但是这样的教学方法, 往往会使学生对科学概念的产生和发展引起误解, 以为什么结论都可用数学推导出来, 失去了对观察和实验的兴趣。这样的结果使学生们不了解科学是怎样来的, 时间长了,等到他自己从事教学时就很容易把科学当作一门死科学来教。” [2]

物理课教材在大多数学生眼里就是一本满眼数学公式的天书,而物理学史就是一部罗列人名术语史料的无趣的历史书,并没有将二者有机的结合一起。

同时,对于教授大学物理和培养中学教师的普通高校物理教师们,凭一己之力是很难在物理专业和物理学史都达到足够高的造诣去体现真正的科学精神和素养而非断章取义的自我遐想,也就很难在一堂课上体现历史与科学的有效结合,一些尝试往往停留在简单地在开篇或者结尾加上一点科学史的小故事。

所以,一套将物理学史和物理学融合在一起的教材的编撰就格外重要。也就是说,我们这里并非要也没能力要还原历史的全貌原貌,我们能做的是遵循人类智慧发展的最基础脉络,找寻一种最恰当的史学物理的模式,目的是给学生打开照亮道路,打开一扇扇奇妙的学科大门,告诉他们摸索前进的信念和基本技巧。

很多热爱物理学的科学人也在做着各种形式很有益有趣的科普工作,他们在物理学和物理史学上有着强烈的喜好和深厚的修养。如何将他们的优秀成果融合到教材的编撰中去,需要一批有志于此的人共同努力。

例如北大的学素养文库科学元典丛书丛书,我们可以看到科学家的传记,科学家的自述和书信等,读他们的诗文思想,了解他们科学发现的过程,体会他们的心潮澎湃和困苦迷惑,而绝非教科书里讲的那样理所当然。

再如,曾在网络盛行的曹天元的《量子史话:上帝掷骰子吗?》语言诙谐生动但不失严谨,是一本将费曼认为的“从常识的观点来看,它描述的自然的理论是荒唐的,但它与实验非常符合”[6]的量子电动力学“写得好看又看得懂的高端科普”[7]

还有一些国外的优秀的科普科幻作品,例如《Elegant Universe》,《Light Fantastic》,都是经典之作,是非常好的理解和学习科学的资料。

三、史学物理的实施理念

法国遗传学家雅卡尔指出:“不管教育的内容是什么,是数学、物理还是哲学,其目的并不是提供知识,而是借助知识,提供让人可以参与交流的最佳途径。” [8]

教育内容的选择和教育方式的组合其目标是为了在传授知识的同时,培养学生的科学精神和科学素养。

科研素质能力是在传授知识的过程中逐步培养的,但不能本末倒置,要自觉地引导学生将自己放入历史的长河中,设身处地去思考:是否自己也能根据一定的社会需求和实验现象,通过分析和推理得出前人已认识到的规律?课程应从强调获取科学知识内容向理解科学过程转变;从强调单纯地积累知识向强调探求知识转变。

在这种理念的引导下,真实地了解现在物理课堂的现状并在此基础上思考探索改革的途径,才有可能真正改变物理教学的现状。

第一、 将物理学史与物理学教学紧密糅合在一起,适当弱化数学语言的描述体系,引入感性直观的语言和图像描述体系。

广泛的调查都表明:各专业的学生很有热情和愿望去了解自然科学,对智慧科学的喜爱是人之常情,但同时各个专业的学生,即使是对物理专业的学生都需要通过老师的引领,能在避开繁杂数学计算,在较为轻松的情况下,掌握深奥理论的主要思想。霍金在他的《时间简史》中写到,“有人告诉我,我在书中每写一个方程式,都将使销量减半。于是我决定不写什么方程。不过在书的末尾,我还是写进一个方程,爱因斯坦的著名方程E=mc2。我希望此举不致吓跑一半我的潜在读者。”[9]

我想,即使是对数学好的人,也不喜欢埋在一堆式子里,堆砌了数学的物理反而一眼看不到核心。

现在数学课物理课的教学主流上仍然延续着老师上课规规整整的板书几黑板的传统模式,甚至用这作为评价一个老师教学水平高低的主要评价指标,这种炫技式的授课方式既不是科学探索的本来面目,也不能保存学生的科研兴趣热情。而随着多媒体教学的引入,很多老师虽然丢弃了书写的过程,但不过是将板书搬到了屏幕上,这种减少了推导过程却仍保留大片数学公式的换汤不换药的新模式,并没有充分利用多媒体教学动态可视的优势,没有起到辅助学生建立物理图像的作用,反倒加大了学生理解物理推导的难度。

其实大家们往往更关注新概念,思想和关键点,其它的自己都能顺过来。学习物理,概念和核心思想是最重要的,而这最重要的东西,可以用一个精彩的实例表达出来。真正理解了这个实例,再用数学这种科学语言描述出来,其实往往并不难,甚至有时也并不必须。

例如讲述麦克斯韦电磁理论的时候,突出力线的图像描述,就会让学生很容易理解数学上的高斯定理环路定理。

法拉第为了用一种直观表示的方法解释电磁现象,从大量的实验中想象出描写电磁作用的力线,力线就像从电荷(或磁极)发出,有回到电荷(或磁极)的一根根皮筋一样,具有在长度方向力图收缩,在侧向力图扩张的趋势,其力线思想实际上就是场的观念,为场的理论建立作出贡献。[2]

汤姆逊说:“我想电场和磁场的许多性质,借助力线就可以最简单而富有暗示地表示出来。”

麦克斯韦:“在数学家看到相互超距吸引力的中心的时候,法拉第则用他特有的思维的眼睛看到穿过全空间的力线……”

对电磁波的朦胧预见:“磁力从磁极出发的传播类似于起波纹的水面的振动。”有趣的是,麦克斯韦电磁理论当年是运用介质的弹性学说导出的。麦克斯韦从介质“分子蜗旋”形变导致的弹性性质得出了电磁方程组。他把“电力”归结为分子蜗旋形变的弹性势能,磁力归结为转动动能。

这段历史的学习,不但可以让我们看到法拉第从一个小学没毕业的装订工如何成长为一个“科学家中最有成效最高尚的典型”[10],也受到心灵和精神上的激励和感染,帮助我们了解到:在这个过程中,想象力、直觉和类比推理给出了物理学发展的方向和关键点,结论被物理学家猜出来,剩下的是找数学去描述和证明其正确性。

当然我们要意识到,概念的清晰、语言的生动、类比的贴切、逻辑的严密绝大部分时候比推推数学公式要难得多,所以更应该是我们执教者的追求。

这里的“适当弱化数学”的理念主要是针对物理教学中过度推崇数学推导的现状,并不是要否认数学在物理学中的重要性。物理学是自然科学中最充分地运用数学工具作为自己的工作语言的科学,这一直是物理学人的标志和骄傲,费曼曾在他的《物理定律的本性》中引用金斯的一句话:“对那些不懂数学的人来说,的确难于使他们理解对大自然的美、那深层的美的一种真正的感觉。[11]然而,数学作为科学的语言,不能凌驾于物理思想之上,教学中要注意不能本末倒置。

第二、 将物理学思想和哲学思考紧密糅合在一起。

物理学的发展总是在自然哲学观上给人们带来了前所未有的冲击和振动,甚至改变了整个物理世界的基本思想。伟大的物理学家同时都是伟大的哲学家,而哲学知识的欠缺,使学生不能很好的体会科学思想内涵。

几百年前, 物理学叫自然哲学, 被人们看成是哲学的一部分。牛顿的一部经典著作就取名为《自然哲学的数学原理》, 这是牛顿三定律和万有引力定律的发源地。许多物理学的新发现与哲学思潮有联系。能量守恒与转化定律的发现受康德哲学的影响, 反过来又成了辩证唯物主义的重要依据之一。物理学的进展往往给哲学提供新鲜例证, 而哲学也常对自然科学指出前进的方向。

比如从托勒密体系过渡到哥白尼体系,从欧几里得集合过渡到非欧几何,从牛顿力学过渡到相对论理学和四维弯曲空间,都曾使人们对世界的常识解释发生了根本的变化。量子力学的发展过程中,更是一直充满各种物理观,哲学观、可知不可知论等辩论,而正是这些领军人物的思想上互不妥协的争辩促进了量子力学的蓬勃发展。

现代科学发展的过程中,有很长的一段时间,特别是近现代,哲学被自然科学家们轻视甚至抵触,他们对待科学的态度停留在18世纪19世纪的启蒙时代,将科学视为绝对真理的化身,不懂得科学的真理性的有限性和相对性,不懂得猜想与反驳、证伪、实证、范式[12]等科学哲学概念,不懂得科学中对理性主义和科学主义的反思和批判,这样对待科学的态度其实并不“科学”[13]

我们必须注意到,最伟大的科学家们牛顿、爱因斯坦、玻尔、薛定谔等等无一例外都是对哲学充满了热忱。[14]“只要人们了解一下20世纪科学上最有创造才能的人物,就会发现,那些最伟大的人物都曾强调科学和哲学之间的紧密联系是不可或缺的。” [15]

薛定谔曾辛辣地批评现代西方科学家为“眼界狭小”、“与世隔绝”、“毫不关心自己的狭窄专业以外的一切,并且挖苦有志于综合全部知识的怪人为半瓶醋”的那种“无比平庸”的人。他号召人们“再一次回头刻苦研究古希腊思想”,“用古希腊的方式来看待世界”。 [16]

目前的物理教学中,普遍将吸取科学家所发现的“科学事实和科学成果”为主要教学目的和模式,然而仅靠知识的积累,学生们并不能对科学的报告作出恰当的判断,学生所需要倒是在于:了解科学家在取得他的成果时,他的精神是怎样起作用的;同时,了解究竟在什么意义上来说,这些成果是“有效的”,或者是“可靠的”[15],并且可以作为判别的根据。学会智慧地思考运用科学以及关于科学的战术和战略的系统方法,是任何科学哲学的主要内容。

庞加莱谈到科学事实和科学之间的关系时说:“科学由事实构成,就像一所房子由石头建成一样。但是,事实的堆积不是科学,正像一堆石头不是房子。”[17]我们要示范给学生们的是如何寻找石头,如何建构房子的方法技巧,而非堆砌石块。

如何将科学哲学的思想加入到科学的教学中去,同样需要的是教师的自身修养,也同样需要一种融合了哲学思想的教材的出现。例如一种可行的教学案例就是贯穿科学史的假说、理论数学推演和实验检验的科学范式的经典运用,历史上黑体辐射[18]普朗克公式,毕奥萨伐尔拉普拉斯公式[19]的发现都很好的体现了这一范式的运作。所以这些部分的讲授过程中,老师应该引导学生通过现象和实验,猜出公式,而不是给出公式,然后结题的传统模式。

针对大学物理教材中哲学科学的引入,笔者认为,不要过于担心哲学术语的引入会加大学生理解课本的难度,而应该看到,将一个复杂问题过度简单化去迎合学生的学习惰性,会造成学生对科学的误解,对生活的误解。很多时候对待科学,是宁可不知不为,保持谦虚的心态,而不能假知妄为,害人害己危害社会。

我们不能期冀利用一两个学期的物理学习就能培养起足够的哲学深度和科学素养,而应该更多的是让学生培养起谦卑谨慎同时又热情踏实的自我学习探索的态度和能力。

第三、将理论和实验应用紧密糅合在一起

物理学是实验科学, 实验工作是基础。实验在科学发展中的重要性毋庸置疑,而且学生都表示是喜欢老师上课多做演示实验,也希望增加物理课的实验部分,但实际的实验状况却是:学生往往并不了解物理实验和理论之间的紧密联系。物理实验若是没有一颗探究规律的心,学生根本不知道观察什么,反映了什么,其实是相当枯燥而且无效的。一种常见的误区是人们普遍认为中国的孩子是动手能力比较差,其实更差的是实验领悟能力和思想理论水平。

同时,严谨踏实的实验作风的培养也非常重要,一个实验方案设立过程中的巧妙的理论构思,严谨求实的实验态度,都是应该用恰当的方式正确扎实的传递给学生的。

实际生活中的例子生动丰满注释着科学理论,现实的例子往往包含着多种物理知识和思想,如何把握好课程讲解过程中的科学范式以及尊重和提倡质疑精神的培养,也是值得思考尝试的。

应该提醒学生的是,其实大部分我们日常生活中常见的现象用物理理论解释起来并不容易,比如说天空海水为什么是蓝色的、早晨傍晚的太阳为什么大而且是红色的、电晕现象、微波炉到底能不能屏蔽手机信号、肥皂泡的颜色等等,都需要学生有相当的物理学知识才能理解,这一方面需要老师的积累思考,尽量将抽象的知识用清晰简单的语言和演示解释清楚。另一方面也要向学生解释清楚这一事实,激励他们有耐心有热情去学习有难度有挑战的物理学知识。

例如在黑体辐射一部分内容的讲解中,一些有趣的生物学问题的探讨可以引导和激发学生用物理来解释一些现象,了解猜想和假说在科学研究中的重要意义。

如笔者曾与学生讨论,南极的动物为什么是黑白两色,北极的动物为什么是纯白色的?

我们可以做这样的假说,极地的动物首要考虑的是保存体温的问题,由于南半球的紫外线比较强烈,黑色素有助于抵抗紫外线的侵害,同时也有利于吸收阳光的热量。而北极,长年阴云密布,借用黑体辐射理论“黑色吸收热量最强,辐射热量也最强”,有阳光的时候虽然暖和,但没阳光的时候辐射最大就冷了,所以北极的动物长成黑色不划算。这虽然不能算是严格完善的科学解释,但给学生提供一个有趣的科学解释自然的思考范例。

第四、以案例探索作为史学物理教改的主要模式

课堂教学虽然有着它不可避免的缺点,但却是最经济有效的一种教学模式。如何能在保持课堂教学形式下完成对物理教学的合理化模式探索是更有可操作性和现实意义的。

将物理学史贯穿于物理教学过程中,这种糅合不是简单地在开篇或者结尾加上一点科学史的小故事,而是沿循科学的发展历史,探索科学家们是如何将现实问题和科学问题相结合,再现科学家如何发现问题,思考问题、解决问题和升华问题的思路历程。

这里我们探索以案例示范课为主要的改革模式,在“将史学与专业课程相融合”的指导思想下,先选取经典内容,集中优秀的教师和科研人员的智慧,针对学生的兴趣和认知特点,结合新老教师的教学经验,将物理学史和物理学紧密结合的经典内容作为示范案例进行教学研讨,逐步探索出一套教学内容和教学方式上最优的组合案例。即将案例探索作为实现教育思想、教育目标的主要手段。

这样的组合必然是注意点线面结合,注重大的历史背景和重要的历史时期,能让学生们因此去接近物理学,了解自然科学对人类文明的作用,学到科学研究的方法,提高自身的思考能力和创新能力。

同时广泛的利用优秀的影视作品,网络资源,从20世纪初以来,有关教育纪录片层出不穷,集思广益,将这些课提供临场真实感和可视的教育叙事“场域”高超完美的运用的教学课堂中去[20],比逼迫每个老师在课堂拙劣的重复炫技更有意义。

2012年底教育部推出的首届全国高校微课教学比赛就是一种很好的用经典案例带动教改的模式。这种比赛中正确的教学指导思想的引入和公正合理有远见的评判标准,能够起到很好的引导和促进教学改革的作用。

四、总结

笔者通过对当今高校并波及中学物理学教育的探讨,希望找到困扰物理教学的问题根源以及解决问题的可能方向和方法,综合分析下提出对经典内容的案例式教改方案。对于现今高校科学人文教育以及当前科技领域的问题做了有益的思考。

笔者认为产生优秀的教学成果是解决物理教学问题的关键,而这需要具体的教学实践者不能轻视忽视教学理论的指导作用,也需要教学理论研究者能真正深入到教学实践的各个环节中,帮助教学实践者开阔思路,找到解决问题的办法。

也许我们可以调侃但并非虚妄的回答“钱学森的世纪之问”:“为什么我们的学校总是培养不出杰出人才?”因为作为科学基础的物理学教育少有物理史学教育的传统和文化底蕴,没有激情热爱物理教学不能培养出对科学真理执着追求的杰出人才。将科学和人文历史两种文化的有机地融合在一起,多方面促进学生的全面健康发展,这是教育的目标,也是解决问题的必由之路。

 

[1]     查理斯•帕西•斯诺.对科学的傲慢与偏见[M],1987年,四川人民出版社.

[2]     郭奕玲,沈慧君. 物理学史[M],1993年,清华大学出版社.

[3]     乔治•萨顿. 科学史和新人文主义[M],1930年,华夏出版社.

[4]     马斯洛.科学与科学家的心理学[M]1966年,北京大学出版社.

[5]     咏鹏. 奥数是个替死鬼[M],2010年,三联书店

[6]     费曼.QED:光和物质的奇异性理论[M],1994年,商务印书馆

[7]     曹天元. 量子史话:上帝掷骰子吗?[M],2006年,辽宁教育出版社

[8]     阿贝尔•雅卡尔著,姜海佳译. 睡莲的方程式-科学的乐趣[M],2001年,广西师范大学出版社

[9]     霍金. 时间简史[M],1987年,湖南科技出版社

[10]  赵峥. 物理学与人类文明十六讲[M],2008年,高等教育出版社

[11]  费曼著,关洪译. 物理定律的本性[M],2007年,湖南科技出版社.

[12]  卡尔•波普尔猜想与反驳—科学知识的增长[M],1963年,上海译文出版社.

[13]  张志伟,欧阳谦. 西方哲学智慧[M],2000年,中国人民大学出版社.

[14]  赫尔奇•克劳,肖明等译. 狄拉克:科学和人生[M],2009年,湖南科学技术出版社

[15]  菲利普•弗兰克.科学的哲学[M],1957年,上海人民出版社

[16]  薛定谔. 薛定谔讲演录[M],2007年,北京大学出版社

[17]  彭加勒著,李醒民译. 科学与假设[M],2006年,商务印书馆

[18]  姚启钧. 光学教程[M]第三版,2002年,高等教育出版社

[19]  刘克哲,张承琚编. 普通物理学[M],2005年,高等教育出版社

[20]  毛毅静,丁钢. 别样的历史叙事:作为一个研究领域的教育影像[J]. 教育研究,2013,01:10-15+43.



 如果RPG,不知道我会选什么角色,科学家有什么好角色?

 




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