從“學會已知”到“探索未知”——物理思想進課堂專欄年度回顧與展望

時光荏苒,轉眼間“物理思想進課堂”專欄已在學界前輩的關心和同道朋友的支持下走過了一年的時光。在即將迎來新一年的時候,課題組回顧了一年中的交流、研討,除了這些對物理學的理解和梳理之外,也有一些對物理教育的思考,在年終之際與諸位明公分享,並歡迎諸位同道責備指正。

作者:魏紅祥1,陳征2,張玉峰3,鄭永和4

(1中國科學院物理研究所)

(2北京交通大學理學院)

(3北京教育科學研究院)

(4北京師範大學科學教育研究院)

本文選自《物理》2021年第12期

01引言

時光荏苒,轉眼間“物理思想進課堂”專欄已在學界前輩的關心和同道朋友的支持下走過了一年的時光。在這一年裏,由來自科研機構、高等院校的科學家和高校教師,與來自教科院和教學一線的優秀教研員和中學物理教師共同組成的課題組一起交流、研討、碰撞,一方面對物理學的目的和結構、範式和方法、工具和對象等基本問題加深了認識和理解,同時也對基礎物理的層次和結構、基本概念和概念之間的關聯等進行了較為系統的梳理,還從教學的角度進行了思考和討論。這些理解、梳理與討論由課題組的各位老師通過本專欄已發表的11篇文章進行了較為系統地闡述。在即將迎來新一年的時候,課題組回顧了一年中的交流、研討,除了這些對物理學的理解和梳理之外,也有一些對物理教育的思考,在年終之際與諸位明公分享,並歡迎諸位同道責備指正。

02新歷史時期的新任務

在現代科學技術傳入我國的一百餘年裏,我們大多數時間是在學習和追趕。特別是新中國建立以來,我國在短短幾十年間完成了從農業國到工業國的轉型,如何消化吸收那些由前人探索獲得的知識為我所用,迅速提高我國的科學技術水准並轉化為生產力是我們關注的重點。在這樣的大時代背景下,我國的科學教育工作在開展的過程中,通常較為重視如何讓學生掌握“已有知識”,在相應的教學方法方面做出了大量研究和探索,並取得了相當的成功。改革開放40多年來,我國社會經濟的高速發展,科學技術的急起直追,特別是完備工業體系的建立,都離不開科學教育培養出的大量理工科人才。

然而事物總是在發展變化的!

國際科學技術和醫學(Scientific,Technical and Medical,STM)出版商協會2018報告顯示,全球僅2018年新發表的經過同行評議的專業學術論文就超過300萬篇[1]。這意味著一年內全球產生的新知識已經遠超過一個人終身可能掌握的知識總量。人類已經從資訊匱乏進入了資訊過剩的時代,獲得收益隨掌握的知識總量增長的模式正在日益趨近對數增長模式,在掌握了必要的基礎知識後,僅僅依靠知識總量帶來的收益越來越低。

收益隨知識總量的增長日益接近對數增長模式

與此同時,21世紀以來互聯網的廣泛普及,讓資訊和知識的獲取變得空前便利,但學生的探究和實踐能力並未因獲取資訊的便利而顯著提升。甚至由於便利的資訊通路帶來的資訊轟炸,對學生如何從海量資訊中篩選出有效資訊,科學合理地運用知識形成解決方案,提出了更高的要求。

具體到我國,外部條件也出現了巨大的變化。經過幾十年的艱苦努力,今天的中國已經是世界第二大經濟體。我國的科學技術水准在許多領域已經從“跟跑”變成了“並跑”,甚至部分領域已經達到“領跑”。同樣是國際科學技術和醫學出版商協會2018報告顯示,中國在傑出科研論文產出方面已超過美國成為世界第一[1]。前方已經沒有別人趟出來現成的路;另一方面我國經濟總量達到世界第二,在可見的將來很有可能成為世界第一的情况下,許多我們暫時還不領先的領域已經遭到了封鎖,無法借鑒現成的經驗。

我國在科技領域的覈心任務已經從“學習消化”先進科學技術,轉向了“高水准科技自立自强”,急需具有創新意識和創新能力的後備人才隊伍。總書記指出的“具有未來科學家潛力的青少年”必須具備的重要能力,就是在“學會已知”的基礎上掌握“探索未知”的能力,特別是探究和實踐的能力。這也是新的歷史時期青少年科技教育的重要任務。

然而,當下我們必須正視的問題是:大多數學生還是比較熟悉和適應傳統的教學模式,習慣於從老師、家長或是網絡等方面獲取“答案”,很少通過自己的觀察、思考、探究、實踐、驗證過程去建立屬於自己的認知體系,因而大多數學生缺乏知識遷移的能力,不具備在“有限時間”、“有限資源”的前提下,在“無標準答案”、“無現成範式”、“無最優解法”的“兩有三無”情景下解决實際問題的能力。在面對未知問題時,許多學生不知如何下手,甚至缺乏探究的勇氣。

部分教師也存在重視知識傳授,不重視發現問題、觀察思考、分析探究、實踐驗證的方法和思想的訓練,這些都是科學教育工作應該重視的重要問題。

03物理思想進課堂的意義

雖然人類的知識總量在快速增長,但貫穿其中的科學思維和科學方法卻一以貫之。掌握了科學思維和科學方法,遇到未知問題時就可以迅速梳理出條理找到方向,解决起來就會變得容易。囙此,解决探究和實踐能力問題的關鍵就是科學思想和科學方法。

物理學是研究物質、能量和它們相互作用的學科,是自然科學諸學科中的基礎學科和帶頭學科[1]。物理學的建立和發展是現代科學體系的代表,從將數學語言和實驗方法引入自然哲學,到發展出基本思維方式、基本方法和基本研究範式,物理學為自然科學其他學科以及工程技術領域提供了廣泛的指導。囙此物理學科教育對學生認識客觀世界,掌握基本科學思想、科學方法等具有極其重要的作用。

與數學相比,從指導思想上物理學堅持理性主義的同時,有鮮明的實用主義傾向,例如在堅持探尋基本規律的同時使用唯象方法處理實際問題。而物理學重視實驗方法,一切建立在量測的基礎上,也是物理學與數學的重大不同。而與其他自然科學相比,物理學關注“基本規律”,即物理學追求的不是“多”而是“少”。物理學不限於“採集知識”,更進一步追究這些“知識”背後隱藏的“相同的”,而且是“最簡單”的基本規律。使得物理思想和物理方法具有廣泛的實踐指導意義。

物理學從基本理念上的“對稱”和“簡單”,到方法論上的“以量測為基礎”、“重視實驗證據”……,再到面對具體問題時的“控制變數”、“正交實驗”、“量綱分析”等具體方法,具有一套特點突出且實用性極强的思想和方法體系。

對物理學體系進行系統整理和提煉並與一線物理教師一起將這些內容融入基礎物理的教學實踐中去,把物理教學中的每一個知識點變成物理思想和物理方法傳遞的“案例”,將抽象的物理知識“還原回認知過程,還原到應用場景”,幫助學生建立起對整個物理體系整體輪廓的基本觀念,從而實現在“學會已知”的同時掌握“探索未知”的能力,同時培養學生的科學精神,這便是物理思想進課堂的意義所在。

04物理思想進課堂的未來展望

未來,課題組還將繼續針對學生的探究與實踐能力需求,組織國內物理科學、物理教育和中小學教育領域的頂級專家開展更深入的研究工作,按照“還原認知過程”、“還原應用場景”的“兩還原”思想,將系統整理的基礎物理學習過程中涉及的物理概念、物理規律,和在此基礎上總結的科學方法層次的“演繹法與歸納法”,具體物理研究方法的“對稱與守恒”、“控制變數”、“唯象方法”,以及處理具體問題時的“極限方法”、“等效方法”、“臨界分析方法”等進行系統梳理,形成一套從“指導思想”、到“戰畧設計”、直到“戰術實施”的分層次的物理思想和方法體系指南。

課題組還將進一步推動物理研究者與教育研究者、一線教師的交流和合作,以一線教師的教學實踐為基礎,在各方力量的共同努力下,形成以問題、案例等為載體,由視頻、素材、配套資料包等內容組成的一套對物理教育實踐和物理科學傳播有指導價值的手册。期望能够在更多賢達的幫助下在新的一年裏為物理事業、物理教育事業的發展更好地盡一份綿薄之力。

參考文獻

[1]國際科學技術和醫學出版商協會2018報告

[2]趙凱華.物理,1999,28(6):375

資料標籤: 物理 數學 自然科學
本文標題: 從“學會已知”到“探索未知”——物理思想進課堂專欄年度回顧與展望
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656034263215394
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