【摘 要】当前我国基础物理教学中的主要问题是学生厌学、教师死教和缺乏创新活力。将物理元典,包括物理史料、大师传记和物理原着以适当的方式引入基础物理教学,是解决当前问题的有效途径,也与当前国际上HPS的科学教育理念并行不悖。因而我们认为,以适当方式回到元典是我国基础物理教学值得尝试的改革方向。

【关键词】物理元典;物理教学;改革路向

随着新一轮基础教育课程改革的不断深化,我国的基础物理教学正在不断革除传统教法的种种弊端,并从整体上显现出前所未有的生机与活力。但物理教学改革的进程在各个地区还很不平衡,有些深层次的问题依然普遍存在。本文就当前基础物理教学中存在的厌学与死教等现象进行剖析,提出回到元典的解决方案。需要明确的是,这些现象和问题并不是当前问题的全部,解决方案也并非唯一可选。提出这些问题和方案是希望引起大家的关注和讨论,并作引玉之砖。

一、当前我国基础物理教学存在的问题

在大部分省区都已进入高中新课程的大背景下,我国的基础物理教学正迎来改革与发展的黄金时期。新课程提出的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的三维目标将使学生获得比以往更加全面均衡的发展;物理新课程中以必修加选修为主要方式的课程结构给学生更多的选择空间,它使得学生在获得共同基础的前提下实现个性化发展成为可能。我们看到,在普通高中《物理课程标准》的框架下编制出版的各种版本的物理教材中,都出现了一些新的栏目和新的内容呈现方式,教铺材料也比以往内容更加充实、形式更加多样。尽管如此,我们也看到,在应试的重压下,在基础物理教学的实践中,一些原有的表层次问题依然存在,而一些深层次的问题也凸显出来。这些问题归纳起来主要有以下三点:

1、填鸭式教学使学生厌学

填鸭式教学是以教师为中心的教学方式,带有浓厚的强制性色彩。填鸭式教学在我国由来已久,恢复高考以后尤甚,它实际上是应试教育的产物。填鸭式教学的具体表现:一是教材中心。物理教学基本上是在宣讲教材中的内容,教师偶尔有所拓展,却不敢走得太远。因为担心教学任务完不成。教学任务的完成何以如此重要,以至教师不敢越雷池一步呢?因为高考所要考查的重点内容都在教材上,完成了教材上的内容,基本上就完成了教学的任务,余下的时间就要用于高强度的物理解题训练了。二是教师中心。物理教学中的教师中心与教师主导下的学生自主不同,它不给学生自由的思考空间和活动空间,学生只能亦步亦趋地跟着教师走。这种局面的形成同样也与外部考试的压力有关。三是教室中心。我们看到,现在选考物理的高中学生中,在教室中度过的时间占据白天全部活动时间的绝大部分甚至是全部,这是因为不少学校大幅度减少了学生物理实验的数目,这里又有两种不同的原因,一种是因为实验器材的短缺,属客观原因;另外还有一种则是主观原因:在有些教师看来,应付高考中的实验题,做实验不如看实验、看实验不如背实验。试问:这种没有实验的物理教学教的还是物理吗?这样,学生学起物理来味同嚼蜡也就不足为怪了。对于填鸭式教学,爱因斯坦也是深恶痛绝并有深刻的思考[1]:“人们为了考试,不论愿意与否,都得把所有这些废物统统塞进自己的脑袋。这种强制的结果使我如此畏缩不前,以致在我通过最后的考试以后有整整一年对科学问题的任何思考都感到扫兴。……现代的教学方法,竟然还没有把研究问题的神圣好奇心完全扼杀掉,真可以说是一个奇迹;因为这株脆弱的幼苗,除了需要鼓励以外,主要需要自由;要是没有自由,它不可避免地会夭折。认为用强制和责任感就能增进观察和探索的乐趣,那是一种严重的错误。”

2、刍哺式教学将物理教死

这里的刍哺指鸟类哺育后代的方式:它们先将食物嚼烂咽下,然后再通过类似反刍的方式将食物喂给小鸟。这与我们的物理教学相似:先将物理学的知识以学生的认识能力和社会需要为依据,进行过滤和筛选并形成一定的内容结构,然后以学生最适于接受的方式传授给学生。这就是人们常说的将物理学科的知识结构与学生的认知结构相结合的课程编制与教学原则。多少年来,我们严格遵循这一原则,在一定程度上保障了物理教学的有序与高效。但这里也隐藏着一个深层次的问题:物理学的真实面目被遮蔽了。概念的演化过程学生看不到了,规律的发现过程被浓缩甚至被篡改。总之,对于学生来说,物理很遥远,物理很神密。对于物理教学中的这类问题,钱三强先生深有感触,他指出[2]:“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,以为什么结论都可以用数学推导出来,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容易把科学当作一门死科学来教。今天我们科学界有一个弱点,就是思想不够活泼,这也许跟大家过去受的教育有一定关系。”

3、程式化教学扼杀创造力

这里的程式化教学是指按部就班的教学模式,它也是包括基础物理教学在内的我国基础教育教学的总体特征。应当说,按部就班地实施教学,是符合先易后难、秩序渐进的教学原则的,它对于学生把握物理学的总体框架,包括物理学的基本概念、基本规律和基本方法是比较有益的。但与此同时,我们应当看到,这样教出来的学生只会考试而缺乏创造力。杨振宁在美国就见到很多这样的中国留学生。这些学生的共同特点是基础扎实,但知识面不广、思维不够灵活,问题意识不强。而且是在上课阶段成绩很优秀,在做论文阶段就显得很吃力。杨振宁认为这是中国传统的教学模式使然,并指出这样的教学模式亟待改进[3]:“不客气点说,中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯。整个社会环境,家长的态度,报纸的宣传都一贯向这个方向引导。其结果是培养了许多非常努力,训练得很好,知识非常扎实的学生,可是他们的知识是片面的,而且倾向于向死的方向走,这是很有害的。”作为同时接受过中西方教育的物理学家,杨振宁对中西方教学模式特别是中美物理教学模式作过深入的比较研究。他认为,从整体上讲,中国的教学模式是按部就班,而美国的教学模式是渗透式的。前者有利于打基础,而后者则有利于培养问题意识与创造力。所以他指出[4]:“我想假如我对一组美国学生谈话,我就会讲你们应该多学习一些按部就班的方法。可是对中国学生,我想一个好的建议是不要怕不按部就班的学法,不要怕渗透性的学法。因为很多东西常常是在不知不觉中,经过了一个长时期的接触,就自己也不知道什么时候已经懂了。这个学习方法是很重要的。”

二、回到元典是解决当前问题的有效途径

这里需要特别指出,以上除了填鸭式教学以外,对于刍哺式教学与程式化教学的批评,是部分而不是整体的否定,因为它们毕竟在我国当前的物理教学中还部分地发挥着正面的作用。正因为如此,我们所要实施的基础物理教学改革,不是创造或者借用一种新的模式去取代旧的模式,而是研究应当以什么样的方式来使现有的教学模式能够扬其长而补其短,从而推动我国基础物理教学改革健康发展。其实,以上所讲的三个问题,不管是厌学问题、死教问题还是创造力问题,都可以归结为一个原因:那就是我们教授的是过于简化的物理。杨振宁倡导物理教学要尽可能做到有血有肉。什么样的物理有血有肉呢?那就是来自物理元典中的物理。所谓物理元典,是指物理学的经典原着、史料及传记等能够反映物理学发展详细脉胳的原始典藉。回到元典,就是学习原汁原味的物理。概括地说,就是借史料学习知识、从原着学习方法、向大师学习精神。

1、通过史料,让学生学到生动的知识

物理史料,包括完整的物理学史以及物理学家的书信、手稿、演讲、文集等等,可以为我们提供物理学发展的真实图景。在这些真实的物理图景中,包括物理概念的演变、物理方法的改进以及物理理论的形成过程。这就是真正的物理学知识,是原汁原味的物理学。它呈现给我们的不是物理学的教条,而是一幅幅生动的物理画卷。正如孔德所说:要理解一门科学,就必须了解它的历史。学习和研究物理史料是真正理解并走进物理学的必经之途。比如伽俐略对落体运动的研究,其实有这样几个问题值得探讨:一、他为什么要研究落体运动?二、研究大体经历了几个阶段?三、在实验精度不高的条件下,他如何得出实验结论?

史料[5]告诉我们,伽俐略选择研究落体运动,与西方人的自然观以及亚里斯多德的自然哲学有关。在西方人眼里,运动是万物的本性,他们坚信对运动无知,也就是对大自然无知。所以几乎所有的哲学家对于自然的研究都会涉及到运动的问题。在所有古代哲学家中,对于运动问题研究最多、影响最大的莫过于亚里士多德了。而在亚里斯多德对于运动问题的研究结论中,最着名的结论是重的物体下落快,轻的物体下落慢。他的解释是:运动分为自然运动与强迫运动两大类。物体下落是自然运动,受力物体所作的运动是强迫运动。自然运动是物体回归其自然位置属性的外在表现,这种回归的倾向性大小与物体的重量有关,物体的重量越大,它所包含的土元素就越多,回归自然位置的倾向性就越强,因而下落的速度也就越大。这一结论当然是错误的,但它却是亚里士多德通过直接的、定性的经验和观察得到的,在常人看来,它有一定的合理性,能够自圆其说。同时,亚里士多德的许多观点受到当时西方宗教势力的庇护,被人们奉为圣言,无人敢于冒犯。错误的东西还不能让人说,这是伽俐略不能接受的。更让他不能接受的是,亚里士多德不相信数学在对于自然现象的研究当中所起的作用,并笃信只有直接的、定性的经验和观察才是得出结论的可靠依据。于是,为了挣脱亚里士多德的精神枷锁并迎接一个广博的新科学的到来,伽俐略选择了以研究物体的自由下落为突破口。此外,我们还可以从史料中真切地看到伽俐略研究落体运动的四个阶段:即批驳、假设、实验和外推。这些研究过程都是非常生动的、鲜活的物理知识。也正是缘于其生动与鲜活,它对于学生把握科学及科学研究的本质具有不可替代的作用。

2、通过传记,让学生领略大师的风范

如果说,物理史料能够给学生描绘物理学的真实图景,那么,物理学家的传记则是领略大师风范的绝好教材。因为传记能够提供物理学家的个人成长轨迹、研究风格以及个性品质,这些对于学生科学精神的培育都是十分有益的。通常情况下,物理学家的传记,除了像《牛顿传》、《爱因斯坦传》这样大型的传记以外,还有一些穿插在各种文献中的关于物理学家的个人生平介绍,也有专门为物理学家集体作传的书籍文献。大师的故事可以为我们提供丰富的精神营养。

比如:读法拉第让我们知道什么叫热爱科学。关于法拉第的事迹已有很多的介绍,

那都是关于他如何做实验的。其实他还有一个鲜为人知的故事[6],却很能反映他对于科学的热爱。有一次,法拉第有幸得到着名化学家戴维演讲会的入场券,听过戴维的演讲,法拉第被深深地感动了,他决心走科学研究的道路。于是他希望能到皇家学院工作,但遭到冷遇。这时,他并没有气馁,而是将戴维的四次演讲进行认真地整理,并在许多地方作了补充。此外,他发挥自己曾作过订书工的优势,将资料装订成册,并在书脊上烫上金字:亨·戴维爵士讲演录。他将这本讲演录寄给戴维并附上一封希望帮助他到皇家学院工作的信件。戴维收到讲演录和信件后,感到很奇怪:自己总共才讲了四个多小时,而这本讲演录却有三百八十多页!可见法拉第记录得非常详尽并对没有讲到的内容作了很好的补充。戴维被感动了,于是请人帮助法拉第在皇家学院找到一份工作,这为法拉第以后的科学研究铺平了道路。戴维一生有很多的发现,但戴维却认为,他一生中最大的发现,是法拉第。

又比如:读密立根让我们知道什么叫科学家的严谨[7]。大家知道,美国物理学家密立根是最早用油滴实验测定电子电荷的人。1910年,他在发表的关于精确测量电子电荷的论文中有一条注解:我已去掉了在一个带电油滴上明显地看到的一次不肯定的、没有重复出现过的观测结果。它给出这个油滴的电荷值比最终得到的电子电荷值大约要少百分之三十。1963年,美国的盖尔曼等人提出了夸克理论,根据该理论,夸克所带电量正是电子电量的三分之一或者三分之二,这让一些粒子物理学家兴奋不已:密立根所放弃的那个油滴是否带有一个夸克呢?虽然直到今天,人们还是没有找到自由的夸克,但他们都为密立根严谨而诚实的科学态度所折服:他没有因为个别实验结果与企图要证明的结论不符而回避事实,尽管那个事实在当时看起来是那样的微不足道。

3、通过原着,让学生接触科学的方法

物理学的原始着作很多,对于一般学生来说,不一定都能读懂。但按照杨振宁所说的渗透式学习理论,我们可以读懂多少算多少。因为现在不懂的东西,可能在以后的什么时候就会懂了。而且这是扩大知识面的一个好办法。另外,读大师的原着,总可以读到一般读物中没有的东西,接触到他们独特的思想和研究方法。

比如:读牛顿的着作,我们可以学习他的研究方法。这里说一说他于1671年交给皇家学会的一封信[8],内容是介绍他研究光的色散现象的过程与结果。在牛顿之前,人们已开始关注彩虹中的色散现象,也有人运用实验的方法进行了研究,但都没有给出令人满意的结果。于是他设计了一个判决性实验,他需要通过这个实验判明:白光究竟是一种单色光还是由不同的色光组成的混合光。他这样描述自己的实验过程:“我用两块木板,将其中一块放在窗口紧贴棱镜的后面,使光能通过板上特制的一个小孔而射在另一块木板上,这后一块板放在12英寸远的地方,板上也有一个小孔,可让入射进来的一些光通过,然后我在这第二块木板后面放上第二个棱镜,使穿过两板的光也能通过它而在到达墙壁之前再被折射一次。这样安排好后,我把第一个棱镜拿在手里,缓慢地绕着它的轴来回转动,转动范围之大足以使投射在第二块板上的像的不同部分能相继穿过这块板上的小孔,而我可以观察到第二个棱镜把它们折射到墙上的哪些位置上。从这些位置的变化中我看到,被第一个棱镜折射而射向像的一端的光,确实在第二个棱镜中比射向另一端的光经受了大得多的折射。”在此基础上,通过深入的分析思考,他得出以下结论:白光确实是由不同颜色的光组成,而不同颜色的光具有不同的折射率。

又如:读霍金的着作,我们可以学习他的推理方法。英国物理学家霍金现任剑桥大学三一学院的卢卡斯数学教授,此前曾有牛顿和狄拉克担任这一教职,他被认为是继爱因斯坦之后,当今最伟大的物理学家。他在广义相对论和宇宙学的研究领域里独树一帜。请看他是如何论证宇宙起源的研究价值的[9]:“科学的终极目的是提供描述整个宇宙的单一理论。然而,大多数科学家遵循的方法是把问题分成两部分。首先,存在一些定律,这些定律告诉我们宇宙如何随时间变化。(如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的,这些定律就告诉我们它在未来任何时刻是什么样子的。)第二,存在宇宙初始状态的问题。有些人觉得科学只应关心第一部分,他们将初始状态的问题看作玄学或宗教的事体。他们会说,无所不能的上帝可以随心所欲地启始宇宙。那也许是真的,但是倘若那样,他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。然而,似乎他选择了使宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以,看来可以同样合理地假定,也存在着制约初始状态的定律。”

说到这里,您可能会提出这样的疑问:这些是基础物理教学中能够讲授的吗?即使他们能够学懂,时间哪里来?所以在这里有两点需要说明:其一,利用物理元典的教学,不应当要求过高,即不要求所有的学生把所有的内容都一次性弄懂,它应当是一种渗透式的教学方式,如同春风化雨、润物无声。何况,在物理元典中,很多问题其实并不艰深。其二,利用物理元典的教学,其教学内容不都要求在课堂上完成,除了课堂上可以有选择地结合教学内容进行元典渗透以外,还可以利用学生的课外科技活动、研究性学习等非课堂教学时间进行学习。而且在学习方式上,也不一定局限于老师讲、学生听,部分内容完全可以通过学生自学来完成。所以物理元典教学既是对传统物理教学方法的有益补充,又是培养学生的物理兴趣和自学能力的有效途径。此外,它还与当今世界范围内逐步流行开来的以科学史为核心的HPS(科学史、科学哲学、科学社会学)科学教育理念不谋而合。所以我们说,以适当的方式回到元典,是当前我国基础物理教学值得尝试的改革方向。 蒂芬·霍金. 时间简史[M]. 长沙:湖南科技出版社,2007年版,11.