前沿物理教学与新课程改革

前沿物理教学与新课程改革众所周知，近、现代物理学革命带来了科学图景的巨大变革：相对论打破了经典力学的绝对时空观，量子力学打破了可控测量过程的梦想，混沌粉碎了拉普拉斯的机械决定论……。无论从外延还是从内涵上看，当今物理均处于较高地位，从经典物理不能线性导出当今物理。这其间的范式转换，不仅涉及具体科学知识的变化，更主要的体现在基本思想、基本观念的变革。科学范式的转换对教育提出了新的要求。自20世纪60年代起，许多国家不约而同地将视线投向科学教育领域，尝试进行改革。其中，美国PSSC课程、HPP课程、澳大利亚科学教育计划、英国纳菲尔德课程等作出了卓有成效的探索，产生了深远影响。一、对传统物理教学的反思传统物理教学在发展学生基础知识和基本技能方面发挥了很好的作用，但也暴露出一些问题，主要体现在以下三个方面：（一）没有面向真实世界真实世界是复杂的，而以往的教学往往将其看作一个简单系统。这固然是出于对学生认知水平的考虑，但已经证明为错的或不全面的物理学思想、方法仍居于“主流”地位，这就需要对教学中的做法进行反思了。比如，单摆模型、自由落体运动等构建理想模型代替实际情况，从教学的角度看固然无可厚非，但若不加说明的话，往往会造成学生“理想情况在生活中具有普遍性”的错误认识；时空在教学中被暗示为是绝对的，教师虽然认同时空的相对性，可出于“节约性原则”，仍固执地以绝对的而非相对的时空观作为整个教学的背景；确定性被看作“不证自明”的，而不确定性则被描述为有贬义色彩的、可笑的和被禁止的……。显然，科学教育未能还原世界的本来面目，与真实世界相比，教学中的“世界”产生了较大的“失真”甚至是“扭曲”。（二）没有面向真实科学何谓科学？从不同角度出发，可能会有不同的结论。但无论如何，科学发展到今天，经典物理所缔造的价值无涉、普适的神话已被打破。科学的文化本质决定了它不是与人无关的，而是与人相关的。“任何给定时期的科学知识都并非建立在一切事实的基础之上，而是建立在经过选择的事实的基础之上———这种选择则是建立在探究的概念原则的基础之上的”。就连作为科学之始的观察，也不再被认为是中立的，因为“观察和事实渗透着理论”，爱因斯坦也曾说过：“你能不能观察到眼前的现象取决于你运用什么样的理论，理论决定着你到底能观察到什么”。结构主义课程范式对传统课程的批判可以帮助我们认识这一点。1959年9月在美国召开的伍兹霍尔会议一致认为，传统课程的最大弊端是充斥着“中间语言”（middlelanguage）。“中间语言”只谈论结论，而不注重知识由以获得的探究过程，严重阻碍了学生对科学本质的理解。科学教育背离了面向真实科学的初衷，已具有“反科学”、“反理论”的偏失。施瓦布（J.J.schwab）认为，学科的实质结构应具有以下特点：1．可修正性与多样性。如相对论对经典力学时空观的修正、量子力学具有不同形式等都可以说明这一点。2．学科实质结构之间具有内在联系性和相互依赖性。现代科学探究倾向于通过模型构建解释原理的做法，实际就是建立在对这一点的认识上。显然，以往的教学并未体现物理学科的以上特点。在教学中既没有多少反映物理学可修正性与多样性的案例，又没有讲清楚诸多模型之间的内在联系性和相互依赖性。长此以往，学生脑海中就有了“形而上科学”的先见，在此基础上逐渐形成色调灰暗的、机器式的科学图景。（三）没有面向学生的发展以往的教学遵循“只认识而不生成、只掌握而不创造、只认同而不怀疑”的目的，具有浓厚的后喻文化取向。它过于强调学科体系，过于追求稳定知识，这正是建立在系统封闭的前提性隐喻上。将科学看作封闭系统的观点应用于教学，就是把科学教育的目的指向对人类已有科学知识的传承，通过对基本技能、技巧的反复训练以提高学习者输入、存储、输出知识的效率及精确性。在这个过程中，学生只需接受、占有和控制而无需探究，教师则必须作到无懈可击、滴水不漏。一节节的物理课上下来，呈现在学生面前的物理知识就成了一个整体，其牢不可破的程度足以吓退学生，让他们失去继续深入的信心，更没有勇气去怀疑、探究。科学教育的“片断化”给学生的后续学习带来很强的“负迁移”：在基础教育阶段某些毋庸置疑的科学概念在后续学习中成了错误概念（misconception）与前概念（preconception），学生往往还需对不确定性、相对性、复杂性等大学物理涉及的基本问题重新解读。这既导致前、后两套知识体系在学生头脑中的分裂，同时也造成对目前尚紧缺的教学资源的浪费。在高等教育、职业教育日益普及的今天，中学正逐渐演变为一种“预科”——方面预备基本知识、技能，另一方面预备必要的态度、情感和价值观（兴趣当然也包括在内）因此，虽然在中学阶段如何强调基础都不过分，但似乎也应当为学生的后续学习留下必要的空间。二、前沿物理的教育功能各发达国家的科学教育改革均重视前沿科学，其重点也正落实在教学内容的现代化上。如美国物理教师协会（AAPT）在1988年发表《中学物理课程内容》的报告中就指出：“应当让中学生体验到物理学是一门发展中的科学，是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一”。作为对国际科学教育改革的积极回应与推动，我国新一轮课改适当加大了前沿物理知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃。新增内容的教学要求虽不高，却有助于弥补物理教学长期存在的不足。（一）激发兴趣，促进学生“终身学习”科学是具有内在价值和工具价值的统一体，应当指向学生的技术兴趣与解放兴趣。认知兴趣有三种：技术兴趣(technicalinterst)、实践兴趣(practicalinterest),与解放兴趣(emancipatoryinterest)技术兴趣指向外在目标，把环境当作客体，其核心是“控制”；实践兴趣指向行为自身的目的，强调理解环境以便能与环境相互作用，其核心是“理解”；解放兴趣是最基本、最“纯粹”的兴趣，它整合了自主和责任，其核心是“自我反思”。哈贝马斯（J.Habermas）认为，在经验—分析学科（主要是自然科学）中体现的是技术兴趣，在历史—解释学科（主要是人文科学）中体现的是实践兴趣。但两种兴趣都必须与最基本的解放兴趣相联系，只有这样，才能作为指导认识的兴趣而不被误解，换言之，才不致陷入心理主义化和新客观主义化。如果说经典物理学更多地表现为一种控制逻辑，体现了“知识即工具”理念的话，那么前沿科学研究特别是纯科学研究，则还能体现科学活动的反思向度。如人择原理、大统一理论，目前很难说有怎样的工具价值，但作为科学家对科学应然状态的一种自觉反思，这些理论的内在价值就是毋庸置疑的。将前沿物理知识渗透于教学中，让学生多了解物理学日新月异、激动人心的变化，往往能够激发他们的认知兴趣，引起内部的探究欲望，促进“终身学习”。（二）了解科学发现的本来面目，引导学生立志创新、献身科学我们在教学中一味强调科学家是“发现”而非“发明”了科学真理，就好像真理是先验的、与人无涉的存在，就算不被此科学家发现，也必然会被彼科学家发现一样。“先验论”歪曲了科学发现的真实过程，严重贬低了科学家的创新，更为严重的是，似乎还容易使学生滋生惰性，产生对文本及教师的盲信盲从和过度依赖，丧失其在科学中实现自我的使命感。科学发现真的与人无关吗？果真如此的话，科学岂不等同于考古学，终有发现穷尽的时候？1997年美国出版了资深科学记者约翰•霍根(J.horgan)撰写的《科学的终结》一书，作者在访问了许多知名学者之后就断言：科学（尤其是纯科学）已经终结，伟大而又激动人心的科学发现时代已一去不复返了，一切自然科学都到了散场的地步。这种说法着实能迷惑志于以科学为事业的青年。然而，科学真的终结了吗？考察一下物理学史就可以知道，这种说法是经不住推敲的。类似的言论在历史上至少出现过两次：古希腊原子论者就曾满怀信心的自以为洞悉了一切奥秘；20世纪初物理学家迈克尔逊也曾认为除了“两朵乌云”外，科学大厦即将完成，“物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”(1998年芝加哥大学导学手册)。但结果如何呢？科学始终向前，而这些言论早已变成笑柄。近、现代物理学源于对“两朵乌云”的再发现，类似地，今天的物理学也面临四个疑问：对称性破缺、看不见的夸克、类星体问题和暗物质之迷。对此，诺贝尔物理学奖获得者、著名华裔物理学家李政道认为，21世纪的物理学可能会在一些基本问题上得到突破：激发真空；微观和宏观物理的结合；模拟宇宙大爆炸之初的状态；了解暗物质，了解类星体的能源，了解CP不对称的原理等。与以往相比，当今物理学要研究的问题不是变少了，而是变多了。哥德尔不完备定理证明人类不可能穷尽所有未知，科学研究就像一个画圆的过程：圆越大，接触到的空白区域也就越大。由此看来，所有“科学终结说”的宣言或预言均只是人为的虚妄，因此就不能让学生耽于神话，由此滋生惰性、不思进取。前沿物理体现了对前人的质疑与超越，在本质上是一种前喻文化。有意识地将其渗透于教学中，既可以让学生了解科学发展的本来面目，也有利于打破后喻文化的禁锢，帮助学生认识到，物理学远未达臻完美，尚有许多未知在等着他们去发现、去创新。物理学仍然大有可为，物理学是值得他们献身的事业。（三）开阔视野，帮助学生形成合理科学观纵观当前发达国家的科学教育改革，纯粹的“精英”教育已广受诟病，“科学为大众（scienceforall）”的口号逐渐深入人心。面向全体学生，让他们深入了解科学以形成合理的科学观，则正是国际科学教育改革的基石。以往的教育发展主要是实证主义科学观。实证主义经历了三代：孔德实证主义、马赫主义、逻辑实证主义。这三种形态虽有区别，但都认为科学是最高的、绝对的真理，科学定律是跨越时空、永远正确的普遍法则，而获得知识的唯一途径就是经验实证与归纳。近、现代科学的发展，特别是相对论与量子理论的提出，使西方的科学观发生了很大变化，机械的、实证的科学观受到了普遍怀疑，涌现出一些新的科学观。主要有：1．否认科学发展的累积性，认为科学中主要的进展是革命性的，是科学范式或元叙述的转换过程（如库恩）；2．否认科学的客观性，认为科学的结论具有猜测性，科学是一种猜想加反驳的动态认识过程（如波普尔、卡尔纳普等）；3．否认真理的永恒性，认为科学研究是一种“纲领性文件”，其合理性只是暂时的（如拉卡托斯）；4．否认科学的确定性，认为观察未必可靠，所谓观察到的事实是观察者和他的仪器创造的（如托马斯）；5．否认科学的价值中立性，认为科学与意识形态一样，也是一种支配性话语（如韦伯、福柯等）；6．否认科学的绝对意义，认为科学是各种精神活动的一种汇集，是受过教育的人的一种习惯（如威尔逊）。这些科学观均将科学视为一种文化，力图说明科学文化的相对性、可变性、价值负载性与进化过程的革命性。它们固然也需质疑，但正如英国著名科学史专家贝尔纳(J.D.Bernald)所说：“科学是不能用一个定义来把握的”，新观点出现为我们认识科学提供了不同的视角。/Pp既然对科学有多重阐释，科学教育也就不能以偏概全以单维度的实证科学观来代替全面、立体的科学观。物理前沿知识中有大量说明科学相对性、不确定性的事例，将其渗透于教学中，能够使学生开阔视野，启迪他们质疑旧的科学观，逐渐形成具有现代意蕴的科学观。（四）潜移默化，帮助学生养成科学精神科学精神是科学的精髓。如何通过教育帮助学生养成科学精神，则是科学元勘（sciencestudies）要探讨的问题科学元勘是一门综合学科，包括科学史、科学哲学和科学社会学等。目前在国际上逐渐流行的HPS科学教育（即history-philosophy-sociologyofscience）即可看做是其在教育中的具体化。物理学前沿在中学教学中的渗透，既符合HPS教育的内在理念，又是该模式的有益补充。表现在：1．前沿物理教育本身也是一种科学史教育。近期，科学史的教育功能逐渐得到一线教师的认同，涉及科学史的教育也越来越受到重视。近、现代物理学带来了科学图景的巨变，它在物理学史中也应有重要的地位。将近、现代物理学发展中的相关人物、事件告诉学生，这就是一种科学史教育，有利于学生科学精神的养成。2．将物理学前沿知识渗透于教学中，实际