文化視角下的物理教學問題與對策范文

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摘要：大學物理教學從上世紀90年代開始在大學的課程教學中地位逐漸下滑,到近幾年在一些學校的某些理工科專業甚至已不設物理課程。本文列舉了我國大學物理課程考核方式及大學生對物理學習的感受,對比了中美高校課程教材中物理課程定位的描述,探討分析我國物理教學中被嚴重忽略的物理學的文化內涵,即科學的動機是探求真理,科學是歷史的產物,科學也追求美。教學過程中將科學與人文結合,即在物理教育中融入科學精神、物理學史和科學之美的內容,可以促進物理教學。

關鍵詞：物理教學;文化內涵;科學與人文

上世紀80年代,一句“學好數理化,走遍天下都不怕”在中國大地廣為流傳。起源是1978年鄧小平在全國科學大會的講話中明確提出“現代化的關鍵是科學技術現代化”。當時高中學子以學理科為榮,大學里數、理、化等基礎課學時充足。但是好景不長,到上世紀90年代中后期,教學改革開始所有課程精減學時而大學的物理課程成為減學時的排頭課。到2017年部分省市試點物理為高考選考科目,大學物理課程的學時更是在很多理工科專業中大面積減少甚至于消失。當然大學課程改革總學時下調的情況下課程學習減少是正常現象,但不成比例的減少,個中原因卻值得探討。本文試圖從我們的大學物理教學自身的問題出發作些分析。

1大學物理教學的問題

大學理工科非物理專業的物理學時一般為144~160。到了上世紀90年代中后期,理工科專業的大學物理課程學時對大部分普通院校都減少到120左右。2016年一項大學物理兩課調研顯示[1],接近一半的普通高校大學物理學時在90~120之間,只有不到28%的高校大學物理學時在120以上,剩下的都不足90學時。大學物理課程考核多采用各專業統一試卷的方式,課程的考試內容,考點放在物理概念、物理規律及其運用的占95%,學生考試覺得概念、公式太多記不住的占58%。而一項對大中學生物理學習狀況的調查也顯示[2],大學物理學習成績相比較高中物理學習成績有明顯下滑現象,學習興趣下降的占34%、提高的僅2%。主要原因學生方面感覺大學物理課程太難、覺得沒價值以及無法適應老師的授課方式等。

2中美大學物理教學的目標比較

翻開中國和美國的幾部有影響力的大學物理教材,我們會發現有非常多的不同。這里僅就這些教材所依據的教學大綱或基本要求或在前言或緒論中關于物理課程的教學目標和課程定位作一個初步的比較。

2.1國內物理教材關于課程目標和作用

物理課程的作用是什么?上世紀60年代的普通物理教學大綱提出高等工業學校物理教學目的和任務主要是[3]:(1)使學生對最普遍最基本的物質運動的形式和觀律有比較全面而系統的認識,牢固掌握普通物理學中最基本的概念和原理;(2)使學生了解物理學中的基本研究方法,并在實驗技能、運算能力和獨立工作能力等方面獲得初步的訓練;(3)使學生初步了解物理學與其他科學技術的關系.教學大綱還提及:應注意發揮本門課程在培養學生辯證唯物主義世界觀和愛國主義、國際主義思想等方面所能起的作用。上世紀90年代陳佳洱、趙凱華等撰文就重建我國的工科物理教育時指出[4],物理學是整個自然科學和現代工程技術的基礎;對于任何專業,大學基礎物理課的目的,都是使學生對物理學的內容和方法、工作語言、概念和物理圖像,其歷史、現狀和前沿等方面,從整體上有個全面的了解;這是一門培養和提高學生科學素質、科學思維方法和科學研究能力的重要基礎課。張三慧在他的大學物理學教材前言中講到教學應對物理學的基本概念與規律進行正確明晰的講解[5],講解基本上是以最基本的規律和概念為基礎,推演出相應的概念與規律。在教學上應用這種演繹邏輯便于學生從整體上理解和掌握物理課程的內容。馬文蔚教材指出物理學是研究物質的基本結構、基本運動形式以及相互作用規律的科學[6],是在人類探索自然奧秘的過程中形成的學科。綜觀國內使用和影響范圍較大的幾部經典教材,在課程目標和作用中主要注重的是物理系統化知識的理解和應用能力,提高科學素質和科學思維能力方面比較空泛,而在課程對人的價值塑造方面最初的提法生硬,到后面幾乎不再提及。我們把物理定位于自然科學和現代工程技術的基礎,教學目的集中于獲取物理知識,學習物理是作為今后獨立工作的重要工具。我們的物理教材大都是用演繹法給出定義和公式,然后是舉例、應用,課程考試幾乎是知識記憶為主的題目,答案是唯一確定的。應試模式在大學依然延續,讓很多學習物理者感到枯燥無味,備受打擊。借用費曼在評述巴西的教育時所說的“大家都努力考試,然后教下一代如何考試,大家什么都不懂。”這些話用到我們的物理教學中對很多學校都是一針見血的。

2.2美國物理教材關于課程目標和作用

再來看被中國使用較多作為大學物理參考書的美國物理教材,翻開書的前言或緒論,經常會發現極具哲學思想和人文情懷的語言,讓人產生想去一探究竟的沖動。最受中國名校贊譽的《費曼物理學講義》在前言中提到在當時的加州理工學院,大學一、二年級的學生常被頭兩年必修的物理學課程搞得情緒低落,毫無興趣,而不是受到激勵。費曼表達了設置這門課程是讓那些優秀的學生保持求知的熱情[7]。他說:“我最想做的是給出對于這個奇妙世界的一些欣賞,以及物理學家看待這個世界的方式,我相信這是現今時代里真正文化的主要部分。”另一本西爾斯的《大學物理》在講為什么要學習物理時講到兩個理由。理由之一[8],物理是科學最重要的基礎之一,所有學科的科學家都用到物理的思想。物理學也是工程和技術的基礎。理由之二,學習物理是一場冒險。你會發現它是挑戰,有時會有挫敗感,偶爾會覺得痛苦,但常常得到豐富的回報和滿足。它會喚起你的美感和理性智慧。你將看到人類智慧在探索理解我們的世界和我們自己方面的卓越成就。再來看蘭德爾在《現工科物理學》給學生的前言引用了愛因斯坦的話[9]:關于“自然最不可理解的是它竟然是可以理解的。”接著又引用了小說《鐘形罩》的主角西爾文•普拉斯的話:“當我走進物理的那一天,我就死了!”。在介紹什么是物理時,首先指出物理是關于自然的物質方面的思考方式,同時也指出藝術、生物、詩歌或宗教也是思考自然的方式,只是與之不同而已。費曼總結了學習物理學的5個理由[10]:第一是學會測量和計算,及其在各方面的應用(培養工程師);第二是培養科學家,不僅致力于工業的發展,而且貢獻于人類知識的進步;第三是認識自然的美妙,感受世界的穩定和實在;第四是學習由未知到已知的、科學的求知方法;第五是通過嘗試和糾錯,學會有普遍意義的自由探索的創造精神。從上述美國的物理教材和費曼對物理學的認識,都可以感覺到我國物理教育所重視和欠缺的是什么。我們大學物理教學只重視費曼所講的第一條就是測量和計算,而費曼所講的第二條我們只重視前面一半即從事工業的發展,而幾乎不會有提到學習所得能將來為人類知識進步做貢獻。而費曼的學習物理學5個理由中后面的3條恰恰是物理學作為一種科學文化的核心部分。

3物理學的文化內涵

物理是一種文化,對此我們中國人幾乎很少意識到。實際上物理學最初的源頭是古希臘,物理一詞原意指自然,是要探尋大自然的奧秘。物理學家薛定諤認為科學是人文主義的組成部分[11],它像歷史、語言學、哲學、地理學音樂史、繪畫史等方面一樣,是人類為了把握人類處境所做努力的一部分。西方不僅科學家有這樣的共識,倡導人本主義心理學的馬斯洛認為[12],科學是人類的創造,而不是自主、非人類的東西。科學產生于人類的動機,它的目標也就是人類的目標,它的規律、結構以及表達,不僅取決于所發現的現實的性質,而且取決于完成這些發現的人類的性質。因此,科學就是人學。那么什么是文化呢?文化的傳統含義指的是有知識、有修養,從這一角度來看,科學是人類知識中最經得起檢驗和最具有恒久價值的一部分,當然是一種文化。另一方面人類學家“用‘文化’來描寫人類所采用的獨特的、適應性體系[13]。可視為一個社會的傳統信仰和行為體系,它被社會團體的各個成員所理解,并在個人的或是集體的活動中得以體現。科學的方法滲透在人文科學和社會科學中,科學和人文有著相近和相通的認知方式。所以,科學已經成為現代文化中重要的組成部分。科學作為一種文化,“五四”時期一批文學大師已經有深刻的認識。梁啟超在他的“科學精神與東西文化”一文中總結科學精神為求真智識,求有系統的真智識,求可以教人的智識這3種精神。魯迅在《科學史教篇》寫道“故科學者,神圣之光,照世界者也,可以遏末流而生感動。時泰,則為人性之光;……”。那么物理學作為自然科學的基礎,它的文化內涵可以有哪些體現呢?

3.1科學的動機

愛因斯坦對科學懷有宗教般的感情[14],并認為這種宇宙宗教感情是科學研究最有力和最高尚的動機。科學家感覺大自然和思維世界所顯示的令人驚異的崇高秩序,想把宇宙當成一個有意義的整體來體驗。在愛因斯坦看來,正因為開普勒和牛頓憑借這種真摯而熱切的感情的力量,才能做出那種遠離社會生活的偉大的工作。來看一下開普勒為自已撰寫的墓志銘[15]:“Imeasuredtheskies,nowtheshadowsImeasure。”(“生來測天空,死亦量地影”)。正是開普勒對科學至死不渝的探索精神,才能激勵他在一生的顛沛流離中契而不舍地分析海量的天文數據,經歷近20年才最終建立開普勒三定律。愛因斯坦在談及教師與學生時對學生說道[14]:“你們在學校里學到的那些美妙的東西無不凝結著世界各國一代又一代人的極大付出和辛勤勞動,這些遺產傳到你們手中,你們可以接受它、尊重它、豐富它。”基于以上偉大的物理學家對科學動機的認識,再來思考我們該怎樣進行物理教育也許是有啟發的。在教授物理知識的同時,可能更需要傳達的是這種永無止境的追求真理的精神。

3.2科學是歷史的產物

薛定諤認為現代科學是歷史的產物而非邏輯的必然[11]。物理學大廈從牛頓的科學革命建立開始經過300多年的歷史發展,后面的理論發展前面的理論,使前面的理論變得局部正確,而不是絕對正確,自然法則都是有條件的陳述,它們只與我們對世界知識的一小部分有關[16]。事實上科學是開放的結局,而不是人類探索世界的終點。比如牛頓的絕對時間和絕對空間分離,到相對論則成了時空不可分割,牛頓力學發展到相對論,但牛頓力學并非是錯了,只是限定了它的適用范圍。從物理學史的角度看待物理教學,也許可以避免我們長期以來在大學物理教學中給學生的誤導,即物理規律是絕對正確的,學習時只問對錯,從不懷疑。致使我們的學生缺失最基本的對自然的好奇心和質疑能力。

3.3科學追求美

海森堡說:“當大自然把我們引向一個前所未有的和異常美麗的數學形式時,我們就不得不相信它們是真的。”物理學家常常會用美學的標準構建物理圖像。科學的美比如物理學規律的美。物理規律都是用盡可能簡潔優美的形式來表達的。哥白尼提出日心說一方面是基于觀測事實,另一方面則是因為它比地心說顯得更簡潔和優美。玻爾茲曼引用歌德的詩表達對麥克斯韋方程組的贊嘆:“寫下這些記號的,豈非是神?”科學的美還有物理學方法的美。著名的伽利略的斜面實驗、牛頓的分光實驗、托馬斯•楊的雙縫干涉實驗、邁克耳孫莫雷實驗等等,都以極具藝術的方法搭建實驗儀器,揭示物理規律。可以用羅素在“數學研究”中對數學的贊美來形容[16]:“科學有著至高無尚的美,像雕塑般冷峻而簡樸。”由此可見物理學有著豐富的文化內涵,長期以來被我們的大學物理教育嚴重忽視,我們的物理教育從一開始就是為了有用的目的而忽視文化層面,使得物理教學缺乏生氣,學生難有學習的持續熱情。如果在大學物理課程內容中將科學與人文結合,應該可以激發學生學習物理的興趣,改善長期以來物理學習者對物理學艱深難懂意欲敬而遠之的情緒,或許會對重振物理教育起到積極的作用。

作者：潘小青 單位：江西理工大學