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文化视角下的物理教学问题与对策

2019/08/05 阅读:

摘要:大学物理教学从上世纪90年代开始在大学的课程教学中地位逐渐下滑,到近几年在一些学校的某些理工科专业甚至已不设物理课程。本文列举了我国大学物理课程考核方式及大学生对物理学习的感受,对比了中美高校课程教材中物理课程定位的描述,探讨分析我国物理教学中被严重忽略的物理学的文化内涵,即科学的动机是探求真理,科学是历史的产物,科学也追求美。教学过程中将科学与人文结合,即在物理教育中融入科学精神、物理学史和科学之美的内容,可以促进物理教学。

关键词:物理教学;文化内涵;科学与人文

上世纪80年代,一句“学好数理化,走遍天下都不怕”在中国大地广为流传。起源是1978年邓小平在全国科学大会的讲话中明确提出“现代化的关键是科学技术现代化”。当时高中学子以学理科为荣,大学里数、理、化等基础课学时充足。但是好景不长,到上世纪90年代中后期,教学改革开始所有课程精减学时而大学的物理课程成为减学时的排头课。到2017年部分省市试点物理为高考选考科目,大学物理课程的学时更是在很多理工科专业中大面积减少甚至于消失。当然大学课程改革总学时下调的情况下课程学习减少是正常现象,但不成比例的减少,个中原因却值得探讨。本文试图从我们的大学物理教学自身的问题出发作些分析。

1大学物理教学的问题

大学理工科非物理专业的物理学时一般为144~160。到了上世纪90年代中后期,理工科专业的大学物理课程学时对大部分普通院校都减少到120左右。2016年一项大学物理两课调研显示[1],接近一半的普通高校大学物理学时在90~120之间,只有不到28%的高校大学物理学时在120以上,剩下的都不足90学时。大学物理课程考核多采用各专业统一试卷的方式,课程的考试内容,考查重点放在物理概念、物理规律及其运用的占95%,学生考试觉得概念、公式太多记不住的占58%。而一项对大中学生物理学习状况的调查也显示[2],大学物理学习成绩相比较高中物理学习成绩有明显下滑现象,学习兴趣下降的占34%、提高的仅2%。主要原因学生方面感觉大学物理课程太难、觉得没价值以及无法适应老师的授课方式等。

2中美大学物理教学的目标比较

翻开中国和美国的几部有影响力的大学物理教材,我们会发现有非常多的不同。这里仅就这些教材所依据的教学大纲或基本要求或在前言或绪论中关于物理课程的教学目标和课程定位作一个初步的比较。

2.1国内物理教材关于课程目标和作用

物理课程的作用是什么?上世纪60年代的普通物理教学大纲提出高等工业学校物理教学目的和任务主要是[3]:(1)使学生对最普遍最基本的物质运动的形式和观律有比较全面而系统的认识,牢固掌握普通物理学中最基本的概念和原理;(2)使学生了解物理学中的基本研究方法,并在实验技能、运算能力和独立工作能力等方面获得初步的训练;(3)使学生初步了解物理学与其他科学技术的关系.教学大纲还提及:应注意发挥本门课程在培养学生辩证唯物主义世界观和爱国主义、国际主义思想等方面所能起的作用。上世纪90年代陈佳洱、赵凯华等撰文就重建我国的工科物理教育时指出[4],物理学是整个自然科学和现代工程技术的基础;对于任何专业,大学基础物理课的目的,都是使学生对物理学的内容和方法、工作语言、概念和物理图像,其历史、现状和前沿等方面,从整体上有个全面的了解;这是一门培养和提高学生科学素质、科学思维方法和科学研究能力的重要基础课。张三慧在他的大学物理学教材前言中讲到教学应对物理学的基本概念与规律进行正确明晰的讲解[5],讲解基本上是以最基本的规律和概念为基础,推演出相应的概念与规律。在教学上应用这种演绎逻辑便于学生从整体上理解和掌握物理课程的内容。马文蔚教材指出物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式以及相互作用规律的科学[6],是在人类探索自然奥秘的过程中形成的学科。综观国内使用和影响范围较大的几部经典教材,在课程目标和作用中主要注重的是物理系统化知识的理解和应用能力,提高科学素质和科学思维能力方面比较空泛,而在课程对人的价值塑造方面最初的提法生硬,到后面几乎不再提及。我们把物理定位于自然科学和现代工程技术的基础,教学目的集中于获取物理知识,学习物理是作为今后独立工作的重要工具。我们的物理教材大都是用演绎法给出定义和公式,然后是举例、应用,课程考试几乎是知识记忆为主的题目,答案是唯一确定的。应试模式在大学依然延续,让很多学习物理者感到枯燥无味,备受打击。借用费曼在评述巴西的教育时所说的“大家都努力考试,然后教下一代如何考试,大家什么都不懂。”这些话用到我们的物理教学中对很多学校都是一针见血的。

2.2美国物理教材关于课程目标和作用

再来看被中国使用较多作为大学物理参考书的美国物理教材,翻开书的前言或绪论,经常会发现极具哲学思想和人文情怀的语言,让人产生想去一探究竟的冲动。最受中国名校赞誉的《费曼物理学讲义》在前言中提到在当时的加州理工学院,大学一、二年级的学生常被头两年必修的物理学课程搞得情绪低落,毫无兴趣,而不是受到激励。费曼表达了设置这门课程是让那些优秀的学生保持求知的热情[7]。他说:“我最想做的是给出对于这个奇妙世界的一些欣赏,以及物理学家看待这个世界的方式,我相信这是现今时代里真正文化的主要部分。”另一本西尔斯的《大学物理》在讲为什么要学习物理时讲到两个理由。理由之一[8],物理是科学最重要的基础之一,所有学科的科学家都用到物理的思想。物理学也是工程和技术的基础。理由之二,学习物理是一场冒险。你会发现它是挑战,有时会有挫败感,偶尔会觉得痛苦,但常常得到丰富的回报和满足。它会唤起你的美感和理性智慧。你将看到人类智慧在探索理解我们的世界和我们自己方面的卓越成就。再来看兰德尔在《现代理工科物理学》给学生的前言引用了爱因斯坦的话[9]:关于“自然最不可理解的是它竟然是可以理解的。”接着又引用了小说《钟形罩》的主角西尔文•普拉斯的话:“当我走进物理的那一天,我就死了!”。在介绍什么是物理时,首先指出物理是关于自然的物质方面的思考方式,同时也指出艺术、生物、诗歌或宗教也是思考自然的方式,只是与之不同而已。费曼总结了学习物理学的5个理由[10]:第一是学会测量和计算,及其在各方面的应用(培养工程师);第二是培养科学家,不仅致力于工业的发展,而且贡献于人类知识的进步;第三是认识自然的美妙,感受世界的稳定和实在;第四是学习由未知到已知的、科学的求知方法;第五是通过尝试和纠错,学会有普遍意义的自由探索的创造精神。从上述美国的物理教材和费曼对物理学的认识,都可以感觉到我国物理教育所重视和欠缺的是什么。我们大学物理教学只重视费曼所讲的第一条就是测量和计算,而费曼所讲的第二条我们只重视前面一半即从事工业的发展,而几乎不会有提到学习所得能将来为人类知识进步做贡献。而费曼的学习物理学5个理由中后面的3条恰恰是物理学作为一种科学文化的核心部分。

3物理学的文化内涵

物理是一种文化,对此我们中国人几乎很少意识到。实际上物理学最初的源头是古希腊,物理一词原意指自然,是要探寻大自然的奥秘。物理学家薛定谔认为科学是人文主义的组成部分[11],它像历史、语言学、哲学、地理学音乐史、绘画史等方面一样,是人类为了把握人类处境所做努力的一部分。西方不仅科学家有这样的共识,倡导人本主义心理学的马斯洛认为[12],科学是人类的创造,而不是自主、非人类的东西。科学产生于人类的动机,它的目标也就是人类的目标,它的规律、结构以及表达,不仅取决于所发现的现实的性质,而且取决于完成这些发现的人类的性质。因此,科学就是人学。那么什么是文化呢?文化的传统含义指的是有知识、有修养,从这一角度来看,科学是人类知识中最经得起检验和最具有恒久价值的一部分,当然是一种文化。另一方面人类学家“用‘文化’来描写人类所采用的独特的、适应性体系[13]。可视为一个社会的传统信仰和行为体系,它被社会团体的各个成员所理解,并在个人的或是集体的活动中得以体现。科学的方法渗透在人文科学和社会科学中,科学和人文有着相近和相通的认知方式。所以,科学已经成为现代文化中重要的组成部分。科学作为一种文化,“五四”时期一批文学大师已经有深刻的认识。梁启超在他的“科学精神与东西文化”一文中总结科学精神为求真智识,求有系统的真智识,求可以教人的智识这3种精神。鲁迅在《科学史教篇》写道“故科学者,神圣之光,照世界者也,可以遏末流而生感动。时泰,则为人性之光;……”。那么物理学作为自然科学的基础,它的文化内涵可以有哪些体现呢?

3.1科学的动机

爱因斯坦对科学怀有宗教般的感情[14],并认为这种宇宙宗教感情是科学研究最有力和最高尚的动机。科学家感觉大自然和思维世界所显示的令人惊异的崇高秩序,想把宇宙当成一个有意义的整体来体验。在爱因斯坦看来,正因为开普勒和牛顿凭借这种真挚而热切的感情的力量,才能做出那种远离社会生活的伟大的工作。来看一下开普勒为自已撰写的墓志铭[15]:“Imeasuredtheskies,nowtheshadowsImeasure。”(“生来测天空,死亦量地影”)。正是开普勒对科学至死不渝的探索精神,才能激励他在一生的颠沛流离中契而不舍地分析海量的天文数据,经历近20年才最终建立开普勒三定律。爱因斯坦在谈及教师与学生时对学生说道[14]:“你们在学校里学到的那些美妙的东西无不凝结着世界各国一代又一代人的极大付出和辛勤劳动,这些遗产传到你们手中,你们可以接受它、尊重它、丰富它。”基于以上伟大的物理学家对科学动机的认识,再来思考我们该怎样进行物理教育也许是有启发的。在教授物理知识的同时,可能更需要传达的是这种永无止境的追求真理的精神。

3.2科学是历史的产物

薛定谔认为现代科学是历史的产物而非逻辑的必然[11]。物理学大厦从牛顿的科学革命建立开始经过300多年的历史发展,后面的理论发展前面的理论,使前面的理论变得局部正确,而不是绝对正确,自然法则都是有条件的陈述,它们只与我们对世界知识的一小部分有关[16]。事实上科学是开放的结局,而不是人类探索世界的终点。比如牛顿的绝对时间和绝对空间分离,到相对论则成了时空不可分割,牛顿力学发展到相对论,但牛顿力学并非是错了,只是限定了它的适用范围。从物理学史的角度看待物理教学,也许可以避免我们长期以来在大学物理教学中给学生的误导,即物理规律是绝对正确的,学习时只问对错,从不怀疑。致使我们的学生缺失最基本的对自然的好奇心和质疑能力。

3.3科学追求美

海森堡说:“当大自然把我们引向一个前所未有的和异常美丽的数学形式时,我们就不得不相信它们是真的。”物理学家常常会用美学的标准构建物理图像。科学的美比如物理学规律的美。物理规律都是用尽可能简洁优美的形式来表达的。哥白尼提出日心说一方面是基于观测事实,另一方面则是因为它比地心说显得更简洁和优美。玻尔兹曼引用歌德的诗表达对麦克斯韦方程组的赞叹:“写下这些记号的,岂非是神?”科学的美还有物理学方法的美。著名的伽利略的斜面实验、牛顿的分光实验、托马斯•杨的双缝干涉实验、迈克耳孙莫雷实验等等,都以极具艺术的方法搭建实验仪器,揭示物理规律。可以用罗素在“数学研究”中对数学的赞美来形容[16]:“科学有着至高无尚的美,像雕塑般冷峻而简朴。”由此可见物理学有着丰富的文化内涵,长期以来被我们的大学物理教育严重忽视,我们的物理教育从一开始就是为了有用的目的而忽视文化层面,使得物理教学缺乏生气,学生难有学习的持续热情。如果在大学物理课程内容中将科学与人文结合,应该可以激发学生学习物理的兴趣,改善长期以来物理学习者对物理学艰深难懂意欲敬而远之的情绪,或许会对重振物理教育起到积极的作用。

作者:潘小青 单位:江西理工大学

文化视角下的物理教学问题与对策

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