開(kāi)展多樣化的物理教學(xué) 培養(yǎng)文科學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)——我校大學(xué)物理（文）教學(xué)介紹

劉宇星 王 越

（北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院，北京 100124）

北京工業(yè)大學(xué)從2012級(jí)起，在經(jīng)管學(xué)院的信息管理專業(yè)和建筑與城市規(guī)劃學(xué)院的工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)開(kāi)設(shè)物理課程，學(xué)時(shí)數(shù)為48。眾所周知，這種大學(xué)物理課并不是僅僅對(duì)物理知識(shí)的傳授，還通過(guò)物理知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)。為此，從教學(xué)理念到教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)方法及教學(xué)方式與工科大學(xué)物理都會(huì)有很大的不同。下面我們對(duì)已開(kāi)設(shè)兩年的課程做個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

1 從教學(xué)理念出發(fā)設(shè)計(jì)課程

我們的教學(xué)理念是以培養(yǎng)“科學(xué)素養(yǎng)”為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)科學(xué)內(nèi)容的講述和學(xué)習(xí)過(guò)程，將科學(xué)的價(jià)值、哲學(xué)意義和社會(huì)影響貫穿于整個(gè)教學(xué)中，并強(qiáng)調(diào)科學(xué)的認(rèn)知過(guò)程。由此我們是這樣來(lái)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的。

首先，理解科學(xué)精神，學(xué)會(huì)以科學(xué)的眼光看世界。

科學(xué)精神包括兩大方面：一是科學(xué)文化的精神，二是人文文化的精神。從古至今，科學(xué)的目的就是追求人類社會(huì)和自然界中真、善、美的統(tǒng)一，也就是人和自然的和諧發(fā)展，和諧美好人類社會(huì)的構(gòu)建。對(duì)于普通人來(lái)講，學(xué)習(xí)物理學(xué)并不是要成為科學(xué)家，而是要知曉人類認(rèn)識(shí)客觀物質(zhì)世界的過(guò)程與方法，進(jìn)而能夠科學(xué)地認(rèn)識(shí)自然、了解世界，尊重科學(xué)規(guī)律，把握科學(xué)方法，在此基礎(chǔ)上樹(shù)立正確的世界觀、人生觀、價(jià)值觀。由此在未來(lái)的工作之中能夠運(yùn)用科學(xué)的方法，勇于探索工作中的客觀規(guī)律，追求人生和客觀世界的真理。通過(guò)學(xué)習(xí)，使其成為具有一定文化底蘊(yùn)的人，面對(duì)當(dāng)今風(fēng)云變幻、多維發(fā)展、科技滲透到社會(huì)方方面面發(fā)展的世界，具有科學(xué)的價(jià)值觀、鑒別能力與批判精神，對(duì)自己、社會(huì)具有人文關(guān)注；能積極地投入工作，更能樂(lè)觀地享受生活。

其次，理解科學(xué)與技術(shù)與社會(huì)的關(guān)系，樹(shù)立科學(xué)的價(jià)值觀與社會(huì)責(zé)任感。

以下棋為比方，科學(xué)就如下棋的規(guī)則，而技術(shù)是對(duì)規(guī)則的理解和應(yīng)用?？茖W(xué)是沒(méi)有道德判據(jù)的，而技術(shù)就不一樣了，它是一把雙刃劍，他需要掌握技術(shù)和參與決策的人，來(lái)以科學(xué)的價(jià)值觀來(lái)判斷其好壞。文科物理課程就要展示與物理學(xué)有關(guān)的社會(huì)論題，如臭氧枯竭、全球變暖、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、能源危機(jī)、核動(dòng)力、核武器、環(huán)境污染、人口爆炸、資源短缺及偽科學(xué)等，使學(xué)生理解物理學(xué)與社會(huì)的關(guān)系，知道這些相關(guān)問(wèn)題是如何相應(yīng)于他們自身及人類的生活，能夠經(jīng)過(guò)物理課的學(xué)習(xí)，始終關(guān)心科學(xué)與人類生活的關(guān)系，能夠樂(lè)于閱讀報(bào)紙雜志上的科學(xué)文章，并始終對(duì)它們感興趣，能夠做出自己的評(píng)判，并對(duì)社會(huì)負(fù)有責(zé)任感。

最后，了解科學(xué)與藝術(shù)的關(guān)系。

因?yàn)槲覀円徊糠謱W(xué)生是學(xué)習(xí)工業(yè)設(shè)計(jì)的，在物理課上更應(yīng)展示物理和藝術(shù)的關(guān)系，將科學(xué)美融入教學(xué)。

科學(xué)與藝術(shù)都是有智慧的人類對(duì)自然和社會(huì)感知的描述，只不過(guò)描述的方法和語(yǔ)言工具不同而已。李政道先生言：“事實(shí)上如一個(gè)硬幣的兩面，科學(xué)和藝術(shù)源于人類活動(dòng)最高尚的部分，都追求著深刻性、普遍性、永恒和富有意義?！币踩纭段锢砼c藝術(shù)》的作者施大寧先生總結(jié)的“藝術(shù)和物理都是構(gòu)造模型的活動(dòng)，它們是人類感悟、感知自然的兩種相異又相關(guān)的手段”。[1]可以說(shuō)科學(xué)仰仗藝術(shù)的想象取得突破，科學(xué)的簡(jiǎn)潔的、對(duì)稱的美，恰好體現(xiàn)了其藝術(shù)性，科學(xué)和藝術(shù)具有共同性和互助性。所以，對(duì)于“文科”學(xué)生開(kāi)設(shè)物理，實(shí)際上是進(jìn)行科學(xué)修養(yǎng)的熏陶，包括科學(xué)美的滋養(yǎng)。

2 教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)

從人類奮斗歷程的角度著眼，結(jié)合其豐富的哲學(xué)含義和社會(huì)聯(lián)系，呈現(xiàn)了古典物理學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的廣闊視野。其具體內(nèi)容分四篇進(jìn)行。

第一篇，從古希臘繪畫(huà)宇宙圖像到牛頓的宇宙；

第二篇，從熱學(xué)過(guò)渡到新物理——熵，一種新的世界觀；

第三篇，電磁與光；

第四篇，現(xiàn)代物理學(xué)與新宇宙學(xué)（相對(duì)論、量子物理與現(xiàn)代宇宙學(xué)）。

以第一篇為例，我們是這樣通過(guò)教學(xué)內(nèi)容來(lái)將教學(xué)理念融合進(jìn)去的。其涵蓋的內(nèi)容有：

（1）從古希臘到文藝復(fù)興對(duì)宇宙圖像的勾畫(huà)。古希臘開(kāi)始到文藝復(fù)興，西方科學(xué)一脈相承的科學(xué)理念是對(duì)宇宙和諧性的描述。從古希臘用幾何學(xué)描繪宇宙圖像開(kāi)始，介紹中世紀(jì)雖然面臨著宗教的統(tǒng)治但依然傳承下來(lái)的信念：認(rèn)為宇宙是有規(guī)律的，這個(gè)規(guī)律是可以被發(fā)現(xiàn)的。因此正像愛(ài)因斯坦所說(shuō)，歷代科學(xué)家們以宗教般獻(xiàn)身精神投身于科學(xué)研究。其中2000多年經(jīng)歷了4種宇宙圖像，均有一個(gè)出發(fā)點(diǎn)就是要解決柏拉圖提出的課題，即研究行星的視運(yùn)動(dòng)是如何由天體的勻速圓周運(yùn)動(dòng)疊加而成的。在理論上找出解釋行星如此無(wú)規(guī)則視運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象背后的合理化的運(yùn)動(dòng)方式。而西方科學(xué)對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決橫跨了2000年，直到牛頓利用萬(wàn)有引力定律和力學(xué)三定律才將問(wèn)題圓滿解決。從中使學(xué)生體會(huì)科學(xué)的發(fā)現(xiàn)不是一蹴而就的，是多少代人耗盡心力甚至生命而建立起來(lái)的，科學(xué)的精神甚至信念是具有傳承性的。

（2）伽利略開(kāi)始經(jīng)典力學(xué)的內(nèi)容。從伽利略開(kāi)創(chuàng)了近代物理的研究方法，到牛頓力學(xué)，其中包含對(duì)經(jīng)典力學(xué)的基本計(jì)算、在科技中的應(yīng)用，天文的新發(fā)現(xiàn)，宇宙航天等。然后再講牛頓科學(xué)的研究方法及引發(fā)的世界觀改變。牛頓前世界觀是中世紀(jì)基督教、古希臘人的地心天文學(xué)和亞里士多德物理學(xué)結(jié)合在一起。是“上帝持續(xù)地、能動(dòng)地存在于整個(gè)宇宙，不斷地賦予萬(wàn)物目的”。而牛頓力學(xué)的世界觀把上帝放在了不起眼的次要角色，所以笛卡兒和伽利略相信，“需要上帝來(lái)建立自然法則并使宇宙啟動(dòng)，然而一旦啟動(dòng)之后，整個(gè)宇宙就自行運(yùn)轉(zhuǎn)了”。[2]所以這是機(jī)械唯物主義的世界觀，認(rèn)為宇宙是一部可以拆卸的機(jī)器或是鐘表。由此引發(fā)出凱恩斯的經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)：人們可以無(wú)限制地利用科學(xué)技術(shù)來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的物質(zhì)需求，進(jìn)而產(chǎn)生消費(fèi)的社會(huì)，認(rèn)為節(jié)儉是一種不良習(xí)慣，因?yàn)樗荒艽碳どa(chǎn)。這也為以后熱學(xué)中建立以熵為基礎(chǔ)的世界觀做了鋪墊。這充分證實(shí)了物理學(xué)家玻恩所言：“真正的科學(xué)是富于哲學(xué)理性的，尤其是物理學(xué)，它不僅是走向技術(shù)的第一步，而且還是通向人類思想的最深層的途徑。”

從上面內(nèi)容看，哲學(xué)觀、世界觀、科學(xué)美、科技與社會(huì)和社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的關(guān)系都在內(nèi)容上得到體現(xiàn)。

3 教學(xué)方式及考核方式的多樣化

針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用針對(duì)性的、多樣化的教學(xué)方式?，F(xiàn)代的教學(xué)觀念，教學(xué)應(yīng)“以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)”。正如我國(guó)著名教育家陶行知先生所說(shuō)：“先生的責(zé)任不在教，而在教學(xué)，而在教學(xué)生學(xué)。”[3]

平時(shí)教學(xué)的多樣化：針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，采取不同的上課方式。劃分為自學(xué)內(nèi)容、讀書(shū)及討論內(nèi)容、上課及討論內(nèi)容、演示實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、觀看錄像內(nèi)容。

對(duì)于自學(xué)的內(nèi)容，我們的一般做法是：首先提出問(wèn)題，讓學(xué)生帶著問(wèn)題讀書(shū)、預(yù)習(xí)。我們用的教材是《物理與文化》，這部書(shū)很適合于學(xué)生閱讀，我們就在網(wǎng)上布置好問(wèn)題，讓學(xué)生閱讀某一章節(jié)，并查找相應(yīng)的資料，學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論；再在我校的教育在線網(wǎng)站上提交相應(yīng)作業(yè)。教師查看后，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若是學(xué)生閱讀得很好，有80%以上達(dá)到了學(xué)習(xí)要求，就不在課上講了，有問(wèn)題的同學(xué)再布置其參加課下討論，把問(wèn)題搞清楚即可。

對(duì)于讀書(shū)討論內(nèi)容：由于課時(shí)有限，就布置了一些課下讀書(shū)內(nèi)容，如書(shū)上的第一章“兩種文化的歷史演變”、第六章的“20世紀(jì)傳為佳話的科學(xué)爭(zhēng)論”、第七章的混沌與“關(guān)于全球氣候變化研究的新進(jìn)展”及第九章的“物理亦文化”及結(jié)束語(yǔ)等，要求學(xué)生閱讀后完成網(wǎng)上的有關(guān)讀書(shū)內(nèi)容的填空作業(yè)，再查找一些相關(guān)資料，選出代表在課堂上演講的相關(guān)內(nèi)容。由于經(jīng)過(guò)了大家的學(xué)習(xí)與討論，所以，再由其代表將思考與認(rèn)識(shí)講出來(lái)，引起大家共鳴，上課效果非常好。

對(duì)于上課應(yīng)重點(diǎn)講解的物理內(nèi)容，我們?cè)谧寣W(xué)生預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，由上課的隨堂演示實(shí)驗(yàn)入手，讓學(xué)生從感性認(rèn)識(shí)出發(fā)，除教師隨堂做演示實(shí)驗(yàn)外，在條件允許的情況下，由同學(xué)以小組形式事先準(zhǔn)備好，邊做邊講解，同時(shí)還配合播放演示實(shí)驗(yàn)錄像，幫助學(xué)生看清現(xiàn)象；另外還在課下開(kāi)放演示實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生動(dòng)手親身體驗(yàn)，并且交出實(shí)驗(yàn)觀察報(bào)告。在感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，引出物理內(nèi)容，并在黑板上帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行必要的物理計(jì)算。對(duì)于與社會(huì)有關(guān)的問(wèn)題，比如在熱學(xué)中，由熵的概念引出熵增加原理，由此引出能量退化原理，進(jìn)而引出能源危機(jī)、石油枯竭問(wèn)題，讓同學(xué)網(wǎng)上調(diào)研我國(guó)的汽車連年增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)和汽油石油使用及進(jìn)口情況，結(jié)合熵增問(wèn)題進(jìn)行討論，從物理理論的角度提出為什么要建立可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)和節(jié)約能源與資源的必要性。

對(duì)于一些與物理相關(guān)的熱門(mén)話題，讓學(xué)生自己在課下下載或復(fù)制老師的錄像課后觀看，并完成科普錄像觀后報(bào)告，在教育在線網(wǎng)上提交。

另外，要求學(xué)生讀一本書(shū)，寫(xiě)出讀書(shū)報(bào)告，以擴(kuò)大學(xué)生的視野。我們列出一些參考書(shū)目讓學(xué)生閱讀。當(dāng)然學(xué)生也可以自行涉獵相關(guān)的書(shū)籍，目的是讓學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)課堂問(wèn)題的理解，從而培養(yǎng)學(xué)生閱讀科技書(shū)的習(xí)慣。

由此，相應(yīng)的考核方式也是多樣化的，總評(píng)的比例是這樣確定的。

平時(shí)成績(jī)占40%，包括：（1）演示實(shí)驗(yàn)及觀察報(bào)告（10分），包括課堂觀察、看演示錄像、演示實(shí)驗(yàn)室操作及實(shí)驗(yàn)觀察報(bào)告。（2）作業(yè)與讀書(shū)報(bào)告（10分），包括平時(shí)的課外作業(yè)與網(wǎng)上作業(yè)。（3）課堂參與（5分），即平時(shí)參與討論和分組演講。（4）平時(shí)測(cè)驗(yàn)（10分）：課前與課后概念檢查，在網(wǎng)上提交。（5）出勤（5分）。

期末考試（閉卷）占60%，主要考核對(duì)物理基本概念和規(guī)律的掌握情況。這樣的考核方式充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生平時(shí)學(xué)習(xí)的積極性。

通過(guò)兩年的教學(xué)實(shí)踐，我們?cè)诮虒W(xué)理念的指導(dǎo)下，不斷補(bǔ)充和修改教學(xué)內(nèi)容，不斷動(dòng)腦筋使教學(xué)方式多樣化，收到了良好的教學(xué)效果，使這門(mén)課程受到學(xué)生的歡迎。

[1] 施大寧. 物理與藝術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[2] [美]阿特·霍布森. 物理學(xué)的概念與文化素養(yǎng). [M]. 4版. 北京: 高等教育出版社, 2009．

[3] 方明. 陶行知名篇精選[M]. 北京: 教育科學(xué)出版社, 2009.

[4] 倪光炯、王炎森. 物理與文化[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.