論學(xué)科綜化背景下的理工科基本概念的教學(xué)

計彤+張風(fēng)帆

摘要：近年來，隨著自然科學(xué)的理論化，定量化的發(fā)展和數(shù)學(xué)方法在自然科學(xué)中廣泛應(yīng)用，促使各門自然科學(xué)由描述或半描述性的科學(xué)逐步向理論科學(xué)。因此，在理工科教學(xué)中，嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和定量公式的表述受到人們的普遍重視；然而，理工科基本概念豐富內(nèi)涵的教學(xué)卻被人們忽視了。這一傾向已經(jīng)嚴(yán)重地影響了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的提高，因而引起國內(nèi)外自然科學(xué)家和教育專家的關(guān)注。

關(guān)鍵詞：基本概念；理工科教學(xué)；教學(xué)過程

中圖分類號：G642.41 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0103-03

基本概念是每一門科學(xué)和每一門科學(xué)學(xué)科形成、發(fā)展的基石。正確地理解基本概念是把握、運用科學(xué)理論的前提。因此，研究探討基本概念的教學(xué)問題，就成為掌握科學(xué)理論的關(guān)鍵問題。隨著學(xué)科綜合化的進程，以及科普水平的整體提升，相同學(xué)齡的教學(xué)對象似乎對于很多知識都有一種先驗性的了解，因此教師為增加教學(xué)的吸引力，則更多地注重理論教學(xué)與實踐應(yīng)用教學(xué)，而基本概念的教學(xué)往往地位微乎其微。由于學(xué)生基本概念的主體理解相對不穩(wěn)定，因此往往給整體的教學(xué)效果造成負(fù)面影響。

任何一門理論科學(xué)都是基本概念的邏輯體系，任何一門學(xué)科的理性認(rèn)識都表現(xiàn)為概念的系統(tǒng)性。因此，基本概念在理工科教學(xué)過程中的地位是極端重要的，它是學(xué)習(xí)這門學(xué)科的基本出發(fā)點和立足點。對于基本概念理解上的偏差，往往會使后續(xù)研究“誤入歧途”?；靖拍钍菍ρ芯繉ο蟮谋倔w論討論，也是當(dāng)下對研究對象最近似的真理性解讀。離開了形成、運用基本概念，理工科學(xué)生就不可能真正懂得自然界運動形式的變化，就不可能把握自然物質(zhì)的本質(zhì)，當(dāng)然，也就難以掌握自然物質(zhì)的變化規(guī)律、預(yù)見自然物質(zhì)的發(fā)展，并在實踐中運用這些規(guī)律，達到改造自然的目的。

當(dāng)前，理工科教學(xué)中比較重視的是三個環(huán)節(jié)：運算技巧、實驗操作和經(jīng)驗材料。毋庸否認(rèn)，數(shù)學(xué)是自然科學(xué)最準(zhǔn)確、最精密的語言，數(shù)學(xué)方法是科學(xué)之為科學(xué)的標(biāo)志性手段，高超的運算技巧是把握自然規(guī)律本質(zhì)的一種必要的手段；實驗是近代科學(xué)的基礎(chǔ)，只有嫻熟的實驗操作，才能為科學(xué)發(fā)現(xiàn)打開門徑；巴甫洛夫曾經(jīng)說過，無論鳥的翅膀是多么完美，如果不憑借著空氣，它是永遠不會飛向高空的。事實對于科學(xué)家來說就如同空氣對于鳥兒。那么豐富的經(jīng)驗材料是科學(xué)理論產(chǎn)生的豐沃土壤。因此，在理工科教學(xué)中注重這幾個環(huán)節(jié)不僅是無可非議的，而且是十分必要的。但是，如果片面地強調(diào)這一方面，而忽視、貶低甚至排斥基本概念的教學(xué)，那就是一種帶有原則性的問題了。

人們都知道，質(zhì)與量是不可分的。而就人們的認(rèn)識秩序來說，總是從質(zhì)的認(rèn)識開始進入對量的認(rèn)識，就整個科學(xué)的系統(tǒng)認(rèn)識來說，也是如此。事實上，科學(xué)家在提出某一自然規(guī)律的定量公式之前，總是（一般地說）先形成關(guān)于該對象本質(zhì)的定性認(rèn)識，形成某種理論概念，然后才給予量的規(guī)定，做出數(shù)學(xué)的表達。麥克斯韋是在法拉第的關(guān)于場觀念的基礎(chǔ)上，先建立了以太的漩渦狀結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型，然后才提出著名的四組矢量微分方程式的；克勞胥斯和湯姆生也是先定性地認(rèn)識到“通過無生命物質(zhì)的作用，不可能把物質(zhì)的任何部分冷到它周圍冷客體的溫度以下，以產(chǎn)生機械效應(yīng)”，才找出作為“轉(zhuǎn)變含量”的概念熵，進而找到熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達式。沒有清晰的科學(xué)概念就不能有表達這一概念的數(shù)學(xué)公式。不能“得魚而忘筌”，抓住了公式而忘記了這些公式所產(chǎn)生的概念基礎(chǔ)。

科學(xué)實踐表明，一個實驗無論多么巧妙，它總是為了一定的研究目的、根據(jù)一定的理論思想而設(shè)計出來的。例如，盧瑟福的α粒子散射實驗，是從對原子具有一定結(jié)構(gòu)的猜想出發(fā)的。至于實驗結(jié)果的分析更是一個理性的事業(yè)，離開概念是寸步難行的。對β衰變中的能量損失的實驗事實，玻爾是從否定能量守恒定律的觀念出發(fā)進行解釋的，而泡利則立足于維護能量守恒定律而提出了中微子的假定。否定了基本概念，實驗就成了盲目的、無計劃的實驗，在這種情況下，再高妙的實驗技巧也將失去任何意義。

科學(xué)發(fā)展的歷史是從經(jīng)驗走向理論的歷史，科學(xué)決不停留在經(jīng)驗事實的搜集和整理上。人們總要通過經(jīng)驗事實去把握事物內(nèi)部的聯(lián)系和矛盾，揭示本質(zhì)規(guī)律，這就需要概念的幫助。如果僅僅有惠更斯的圓周運動加速度和開普勒的周期定律這樣的經(jīng)驗公式，就不會有牛頓的萬有引力定律。因為牛頓是在提出質(zhì)量這個概念，并假定引力與質(zhì)量成正比之后，才找到了刻畫萬有引力的基本公式。如果沒有牛頓提出的抽象概念，而只抱住第谷的經(jīng)驗觀測資料和開普勒的經(jīng)驗公式不放，就永遠也不會有理論力學(xué)。

現(xiàn)在，由于對基本概念教學(xué)的忽視，許多學(xué)生對基本的科學(xué)概念理解模糊，有的甚至理解錯了。諸“力”、“能”、“熵”、“元素”、“化學(xué)鍵”這些最一般的概念，在相當(dāng)一部分人的頭腦里是不清晰的，既不能準(zhǔn)確地表述其內(nèi)涵，也不能把握其運用范圍，更不能說明各種基本概念之間的區(qū)別與聯(lián)系。當(dāng)年，恩格斯曾以動能和動量兩種運動量度的曠日持久的爭論為例，說明掌握概念的內(nèi)涵、運用理論思維的重要性。這場爭論以笛卡兒為一方，以萊布尼茲為另一方，前后吸引了歐拉、牛頓、達蘭貝爾、伯努利、赫爾姆霍茲等著名學(xué)者，持續(xù)二百五六十年之久，而問題的實質(zhì)僅僅在于沒有弄清動量（mv）和動能（1/2mv2）的物理意義和應(yīng)用范圍。恩格斯指出：動量（mv）是不發(fā)生運動形態(tài)轉(zhuǎn)化的量度，是非線性的。這是量變引起質(zhì)變的結(jié)果。

可見，基本概念在理工科教學(xué)中應(yīng)占有重要的地位，輕視或忽略基本概念的教學(xué)必然直接影響學(xué)生創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展，影響人才的成長，阻礙自然科學(xué)的進步。

基本概念在理工科教學(xué)中的重要地位，決定了改善基本概念教學(xué)是提高教學(xué)質(zhì)量的重要一環(huán)。

自然科學(xué)基本概念本身有其發(fā)生、發(fā)展的歷史。任何概念都是在社會歷史發(fā)展過程中，隨著人的勞動實踐和社會經(jīng)驗的積累，作為經(jīng)驗概括的結(jié)果而形成的，都是隨著人類認(rèn)識的發(fā)展而發(fā)展的。可以說，每一門學(xué)科的歷史就是這門學(xué)科基本概念產(chǎn)生、發(fā)展的歷史。人類對科學(xué)概念的認(rèn)識是一個多次反復(fù)的過程，是學(xué)習(xí)與實踐驗證相結(jié)合的過程?？茖W(xué)的歷史告訴我們，這一過程有時也許是很漫長的，許多基本概念經(jīng)過人們長期研究和爭論，才逐步弄清。比如：“點”、“直線”、“平面”等數(shù)學(xué)概念，已被人們認(rèn)識二千多年了，可它們的正確的邏輯定義直到20世紀(jì)末才得出；關(guān)于“干摩擦”這一概念，經(jīng)過四百年的爭論，至今還沒有明確結(jié)論?？梢?，對概念的認(rèn)識是曲折、復(fù)雜、矛盾的過程。正如毛澤東同志指出的：客觀過程的發(fā)展是充滿著矛盾和斗爭的發(fā)展，人的認(rèn)識運動的發(fā)展也是充滿著矛盾和斗爭的發(fā)展?？陀^現(xiàn)實世界的變化運動永遠沒有完結(jié)，人們在實踐中對于真理的認(rèn)識也就永遠沒有完結(jié)。

教學(xué)過程也是一種認(rèn)識過程，但是，相對于一般的認(rèn)識過程來說，它具有自已的特點。人類的一般認(rèn)識是“實踐、認(rèn)識、再實踐、再認(rèn)識”，循環(huán)往復(fù)，以至于窮。在教學(xué)過程中，學(xué)生的認(rèn)識過程總的來說，也要通過實踐獲得一定感性經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，上升到抽象概念的認(rèn)識。同時，學(xué)生學(xué)習(xí)理論最終也要回到實踐中去指導(dǎo)實踐。但是，教學(xué)過程決不是重復(fù)前人認(rèn)識的全部過程，而是前人已經(jīng)進行過的科學(xué)認(rèn)識的邏輯再現(xiàn)，是通過接受各個概念進而掌握整個理論的過程。在學(xué)習(xí)期間（包括自學(xué)），主要是獲得前人總結(jié)的間接知識，不可能也不必要再重新感知一番。可以從書本開始，從一個概念過渡到下一個概念。況且，有許多知識或者由于條件限制，或者由于概念本身的性質(zhì)，無法在教學(xué)中直接獲得感性認(rèn)識，如：電子、宇宙天體、數(shù)學(xué)的許多定理、科學(xué)歷史規(guī)律、科學(xué)哲學(xué)概念等，它們常常是以一個概念或若干個已知概念、定理為前提，通過推導(dǎo)獲得的。同時，也不可能要求學(xué)生把從教學(xué)過程中獲得的知識馬上應(yīng)用到實踐中去，在大學(xué)短短的幾年時間里，不可能去親歷前人經(jīng)過千百年實踐獲得知識的全過程。這就形成了學(xué)生認(rèn)識的特點，即：在某種程度上，在一定范圍內(nèi)，實踐可以在教學(xué)過程之外，學(xué)生可以從書本開始，從基本概念開始，在短時間內(nèi)獲得大量的知識，掌握高深的理論。

教學(xué)過程是“教”與“學(xué)”這對矛盾的辯證運動的過程。教師是已知者，是教學(xué)的主導(dǎo)；而學(xué)的實質(zhì)就是教師有目的、有計劃地引導(dǎo)學(xué)生從未知走向已知的轉(zhuǎn)化過程，這個轉(zhuǎn)化是在學(xué)生頭腦中進行的。教師利用學(xué)生已有的知識、經(jīng)驗或輔以實驗、圖表以及繪聲繪色的描述，有意識地啟發(fā)學(xué)生“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”加工制作進而把握科學(xué)概念?？梢?，基本概念的教學(xué)就是在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生感性認(rèn)識的飛躍，是理性認(rèn)識的起點，即從表象、知覺經(jīng)過大腦的抽象，概括形成科學(xué)概念，再通過判斷、推理、假說、驗證等一系列邏輯環(huán)節(jié)而形成系統(tǒng)的理性認(rèn)識即科學(xué)理論。正是因為每一門學(xué)科的邏輯起點都是基本概念。而科學(xué)理論體系又是基本概念矛盾運動過程的表現(xiàn)和結(jié)果，所以按照基本概念的運動規(guī)律，利用概念形成的邏輯方法組織教學(xué)，這是培養(yǎng)學(xué)生獲得新知識的最簡捷的途徑。只有講清基本概念的內(nèi)涵，弄懂基本概念在一門學(xué)科整體間的聯(lián)結(jié)，才能從總體上把握一門科學(xué)的主要內(nèi)容。

然而，基本概念由于是從實踐的具體，經(jīng)過抽象再形成抽象中的具體的過程，它本身就是高度凝練的，趣味性相對不足，因此，學(xué)生在認(rèn)識基本概念的過程中總是感覺困難重重。即使借助于學(xué)校的教學(xué)，也絕不是一下子就能完成的，而是要隨著學(xué)生經(jīng)驗的豐富和理解的加深，逐步臻于精確和完善。當(dāng)然，在學(xué)校教學(xué)的作用下，個人對概念的掌握會較為容易和較為迅速；但畢竟還得由本人按照基本認(rèn)識規(guī)律親身掌握，單憑死記硬背是絕不能真正掌握基本概念的。問題是，教育者本人是起加速、催化的作用，還是起阻礙、延緩的作用，這關(guān)鍵取決于教師自已是否能夠透徹地理解科學(xué)概念的含義及其辯證發(fā)展，自覺地避免認(rèn)識上的片面性和表面性，須知，概念反映事物的本質(zhì)總會有一定程度的相對性、局限性和近似性。明確這一點才能夠自覺地引導(dǎo)學(xué)生確立正確的科學(xué)概念。

比如：蓄電池“放電”，電容器“放電”與氣體電離“放電”，這些電化學(xué)或電學(xué)現(xiàn)象本身以及它們的發(fā)生過程都有極大差別?！胺e分常數(shù)”和“一般常數(shù)”的概念也是有區(qū)別的?！皩?dǎo)數(shù)”是一種函數(shù)，然而也可以是一個獨立微分學(xué)概念。還有一些概念若明若暗，如“強度”概念可以指抗拉、抗壓、抗彎、抗扭等幾種力學(xué)現(xiàn)象中的任一種，也可以指它們的綜合；在一般情況下，又常被用作抗拉強度極限的簡稱；而在多向應(yīng)力狀態(tài)下，強度實際上已經(jīng)成為只含有絕對意義的抽象屬性。我們知道，許多自然科學(xué)定律、定理不僅可以用文字描述，而且也可以用數(shù)學(xué)方程式式表述；反過來，有時不同的詞也可能反映同一自然屬性，如“溶液”和“固溶體”，除了物態(tài)以外，可以認(rèn)為它們是同一概念內(nèi)容的兩種表述。確實，概念永遠不可能具有固定不變的內(nèi)容。絕對化的概念內(nèi)容或絕對化的表達方式都是不存在的。應(yīng)當(dāng)指出，科學(xué)概念近似性的實質(zhì)正反映了科學(xué)知識的發(fā)展，我們對自然的認(rèn)識必然隨科學(xué)的發(fā)展而日益完善。列寧曾指出：認(rèn)識是人對自然界的反映。但是，這并不是簡單的、直接的、完全的反映，而是一系列的抽象過程，這些概念和規(guī)律等有條件地近似地把握著永恒運動著的和發(fā)展著的自然界的普遍規(guī)律性。人不能完全把握=反映=描繪全部自然界、它的“直接的整體”，人在創(chuàng)立抽象、概念、規(guī)律、科學(xué)的世界圖畫等時，只能永遠地接近于這一點。人類認(rèn)識客觀實在的過程是一個真理，對于教學(xué)過程也同樣是真理。

綜上所述，理工科師生在了解基本概念形成發(fā)展的基上需要抓住理工科教學(xué)特點，掌握基本概念在理工科教學(xué)中的辯證法，充分估計認(rèn)識基本概念的艱巨性，就能使理工科基本概念的教學(xué)質(zhì)量提高一步。

科學(xué)的基本概念是從復(fù)雜、千變?nèi)f化的自然現(xiàn)象中抽象出來的具有共性的規(guī)定，它有相對的穩(wěn)定性。教學(xué)過程就是引導(dǎo)學(xué)生掌握這些具有共性和穩(wěn)定性的知識，在復(fù)雜事物中透過現(xiàn)象抓住事物本質(zhì)，并學(xué)會用這些知識解決實際問題。反之，如果學(xué)生只有經(jīng)驗知識，那么當(dāng)科學(xué)發(fā)展、事物變化時，這些個別的經(jīng)驗就將失去作用。在學(xué)習(xí)心理上有一條“知識遷移”規(guī)律，是指已具有的共性知識對新知識的掌握起促進作用，即所謂“觸類旁通”或“舉一反三”。這個“類”和“旁”、“一”和“三”有本質(zhì)的內(nèi)在的聯(lián)系，“類”和“一”就是事物的本質(zhì)，而“旁”和“三”則往往是指局部的現(xiàn)象和經(jīng)驗。可見，掌握科學(xué)的基本概念有利于學(xué)生知識的遷移。

理工科基本概念的教學(xué)有利于學(xué)生智力的發(fā)展，提高他們的理論思維，推動創(chuàng)造性思維的形成，學(xué)生的思維類型不同，有的善于引伸想象，前者屬于收斂式思維類型，后者屬于發(fā)散式思維類型?，F(xiàn)在學(xué)校一般是以培養(yǎng)記憶模仿各程式性推理為主，是收斂式的。但是，如果我們的學(xué)生沒有提出問題的能力，不能創(chuàng)造性地分析和解決問題，那我們只能永遠步他人的后塵。對于發(fā)散性思維來說，提出一個有意義的問題，尤為重要。愛因斯坦說，提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題常常是數(shù)學(xué)和實驗技巧的問題，而提出問題才真正標(biāo)志科學(xué)的進步。而提出問題的能力、設(shè)想假定的能力、綜合分析的能力、抽象想象的能力，恰恰是發(fā)散性思維。理工科基本概念教學(xué)則為發(fā)散性思維形成、創(chuàng)造能力的培養(yǎng)開辟了道路。

還應(yīng)當(dāng)指出，加強理工科基本概念的教學(xué)能幫助大學(xué)生樹立馬克思主義的世界觀、自然觀，有利于青年學(xué)生的全面發(fā)展。我們的理工科專業(yè)教師要“傳道、授業(yè)、解惑”，要教學(xué)生獲得知識的方法，給學(xué)生掌握知識的能力；還要通過自然科學(xué)理論的教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自然界固有的辯證法，用自然界這個檢驗辯證法的試金石，幫助學(xué)生樹立辯證唯物主義的世界觀。而且，正是基本科學(xué)理論的教學(xué)，可以體現(xiàn)科學(xué)的求實精神，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)作風(fēng)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)中逐步形成正確的人生觀和道德觀。

理工科基本概念的教學(xué)是一個十分復(fù)雜的問題，本文所涉及的只是其中的幾個側(cè)面。關(guān)于理工科基本概念教學(xué)經(jīng)驗和教訓(xùn)的概括總結(jié)，關(guān)于教學(xué)中應(yīng)當(dāng)遵循的特殊規(guī)律和方法，關(guān)于理工科若干基礎(chǔ)概念的“塑述”，關(guān)于理工科各學(xué)科基本概念體系結(jié)構(gòu)的分析等問題，都還缺乏深入的研究，這應(yīng)當(dāng)由自然科學(xué)工作者、哲學(xué)工作者和教育工作者通力合作來完成的一項任務(wù)。