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大学生应该培养对直觉知识自我批判的能力精选

已有 10346 次阅读 2013-2-28 07:54 |个人分类:大学教育|系统分类:教学心得| 培养, 知识, 大学生, 能力

有一种错误叫直觉。

个体正确直觉知识的合集是常识。

物理学遵守常识，但是常常违背直觉。

美国大学中的物理教育中重视洗去学生头脑中错误的直觉知识，而在中国大学中，这仅仅只有少数教师认识到这一点的重要性。

没有能力对自己的直觉进行自我批判的大学生，将注定不过是社会的看客。

一，直觉来自经验而非理性, 出错很正常

“一百斤的铁块和一百斤的棉花，哪个重? ”

在我小学的时候，常常被问及这个问题。中学学习物理后，知道质量和重量的区别。如果说这个“一百斤”指的是50千克的质量，则一百斤的棉花的确要轻一些。再问：

“一百度的开水和一百度的水蒸汽，哪个更烫? ”

烫是人体对冷热的感觉，这个感觉的不是温度，而是热量的聚集，本质上是热流。以不烫伤为基本要求，同样短暂的时间内，一百度的开水无疑会更烫。

这两个问题考什么? 20%是考知识，而80%是考直觉。没有人保证说他的直觉永远正确。1983年Scientific American 4月号上的文章《Intuitive Physics》报告了如下的测试结果：“尽管牛顿定律已众所周知，测试却表明很多人相信运动的物体以另外的方式运动。测试对象倾向于沿用牛顿之前三百年的理论。”这代表了当时美国教育界的一种思潮，经过30年的不断探索，今天的美国教育界似乎已经发展出若干种对策。在美国，教学改革和研究遍及一二流的大学中。2012年8月5日至8日，中美物理教育高层论坛(有兴趣者请下载文件包“美方报告ppt”)上，美方代表介绍了美国物理系的一些先进的理念及其做法，令人耳目一新。

二，对中美大学教学的一个根本性差别的思考之一

中美大学中理工科大学新生掌握的物理知识的总量，有差不多一倍的差距，明显美不如中。但是他们的科学思维的能力却基本接近。

Science 2009年一月号发表了美籍华人鲍雷教授的研究论文《Learning and scientific reasoning》，文章通过定量的数据，揭示了一个长期认为正确的信念：知识总量和理性批判能力之间没有关联。有关研究的具体数据如下

但是进入研究生阶段后，中国学生远不胜美国学生。这是为什么?

中国的大学教育过分注重使知识总量的增加。而不注重对直觉能力自我批判能力的培养。学生知识和创造性的关系就象透镜的成像和分辨率的关系一样，经过大学之后，像大了，分辨率却没有改变。

三，对中美大学教学的一个根本性差别的思考之二

David Sokoloff 教授(University of Oregon, Past-President of AAPT, Winner of the American Physical Society’s 2010 Excellence in Physics Education Award)在中美物理教育高层论坛(清华大学、2012年8月5日至8日)上，作为美方代表之一，介绍了美国大学教师对学生直觉知识自我批判的认识，结论如下：

•Students come into the introductory physics course with definite views (often wrong) about physics concepts based on their experiences. (学生来到课堂，不是空空的脑袋，而常常带有错误的物理概念)

•Physics education research shows that the vast majority of students leave a traditional introductory physics course with the same (incorrect) views, and little understanding of physics concepts. (学生学习物理，几乎不懂物理概念)

那么，美国教师如何设计习题? 先设计一些题目“挖坑”，让学生猜结果，发现总只有30%左右的学生能猜出正确结果。然后老师通过一些实践性、讨论性的环节，让学生洗去脑袋中的错误的直觉，摸索出正确答案。在这个教育思想的指导下，学生是学习过程的中心。

•Making predictions requires students to consider their beliefs before making observations of the physical world. The Interactive Lecture Demonstrations (ILDs) build upon the knowledge that students bring into the course. (未学先猜)

•With ILDs, the process of prediction, defending the prediction in a small group, and writing down the prediction engages students. They want to know the result. (相互比较猜想)

•The disequilibrium set up by the difference between prediction and observation inspires effective learning opportunities. (猜想和正确结果的有差异激发思索)

•Student knowledge is constructed from observations of the physical world, thus building students’ confidence as scientists. (自己摸索出的物理学才是有血有肉的物理)

在湖南大学应用物理系，对一些高年级学生也设计了一些直觉测试题。部分题目及其测试结果如下：

1，一根干面条，垂直坠落到水泥地板上而折断，问折断的最可能发生的部位是头部，中间还是尾部? （≥70%答：中间先断）

2，假如一个气体由范氏方程描述，那么当体积增加到无限时，是否彻底回到理想气体? （≥70%答：是）

3，三个点电荷，符号任意，电量大小任意，能否摆出一个稳定的构型? 不考虑质量。 （≥70%答：可以，例如摆在一条直线上就可以）

4，能不能理解时间会有个起点? （≥90%知道答案，但不能理解，不能接受）

5，一个处于定态的粒子，位置不确定，动量也不确定，动能和势能也都不确定，如何具有确定的能量? （≥90%知道如何计算，但理解不了这个问题）

6，双生子佯谬中，如果远处的兄弟突然换乘回程的飞船，地面上的兄弟会看到他的年龄突然跳动即“返老还童”，能否理解?”（≥90%知道如何计算，但理解不了这个问题）

四，湖南大学物理直觉测试题参考答案

1，面条头部即靠近水泥地板的部位先断。当面条接触到水泥地面时，头部的速度为零，但是，由于面条不是刚体，上面的部分还在“下落”中，会积压到头部导致折断。也就是应力集中的部分最易折断。

2，否。内能对压强的导数，在无限大体积时非零。

3，任何电荷体系，如果仅仅只有静电力，无法维持平衡。就是摆在一条直线上，三电荷系统受力能平衡，但是势能总是极大。参考：Earnshaw's theorem states that a collection of point charges cannot be maintained in a stable stationary equilibrium configuration solely by the electrostatic interaction of the charges.

4，时间的起点也是空间的起点。在大爆炸之前，没有时空，也谈不上奇异点之外的宇宙如何。大爆炸之后，时间和空间同时展开。时空没有中心点，点和点之间就像球面上的两点。

5，在量子力学中，系统处于定态时，能量由Hamiltonian算符的本征值确定。它和系统的动量算符、位置算符相互独立；但和动能算符和势能算符不独立H=T+V。

6，这根本不违背因果律。这是理想化模型带来的缺陷，如果考虑一个缓慢加速的物理过程，会发现这不过是加速运动导致时间的绝对延缓的一种极端表现形式而已。