汪順興：讓物理課回到實驗中去

本刊記者_閻家琿 周春倫 供圖_汪順興

理解科學，從理解伽利略開始

汪順興的獲獎作品，實際是對物理教材一個小疏漏的彌補。

伽利略對自由落體運動的研究，人教版高中物理(必修一)教材將其單獨列為一節(jié)，編者的原意在強調伽利略的研究方法，培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度。但在執(zhí)教過程中，汪順興卻發(fā)現(xiàn)，最重要的實驗驗證環(huán)節(jié)被忽視了。整個斜槽實驗僅用文字陳述，缺乏具體可行的實驗方案。

那么，能不能設計這樣一個教具，讓學生能夠直觀準確地證明伽利略的研究結論：做自由落體運動的物體的瞬時速度與所用時間成正比？這是汪順興的“伽利略斜槽實驗演示儀”誕生的初衷。

對汪順興而言，“重新發(fā)明教具”并不是全部意義所在，他更想讓學生理解的是“真正的物理科學是如何開始的”。

史蒂芬·霍金所說，“自然科學的誕生要歸功于伽利略?！痹诳茖W史上，伽利略（1564—1642）被稱為“現(xiàn)代物理學之父”“現(xiàn)代科學之父”，可見其地位重大。但什么是科學？科學精神究竟如何培養(yǎng)？這位“賽先生”進入中國一百多年，人們依然爭論不休。對于這些問題，汪順興說，“其實，理解科學，培養(yǎng)科學精神，首先就是從理解伽利略開始的?！?/p>

伽利略出生的16世紀，中國正值明清交替，也是西方文化大量傳入中國的第一個時期。但此時傳入的，更多是中世紀神學及其附帶的科學知識。伽利略也是一位虔誠的天主教徒，在年少時，他甚至非常嚴肅地考慮過要做傳教士，但后來受父親影響，改為學醫(yī)，后又學習數(shù)學和自然哲學。

伽利略從父親那里繼承更多的則是“對現(xiàn)有權威的懷疑態(tài)度、對精湛謹慎的、量化實驗的價值取向、對時間或韻律的周期或是音樂性的欣賞，以及對數(shù)學與實驗聯(lián)姻的期望與啟迪”。這其中，真正奠定伽利略科學精神的，正是數(shù)學和實驗。

在伽利略的父親、魯特琴手、樂理專家溫琴佐·伽利萊的時代，經過“奧卡姆剃刀”的爭論，傳統(tǒng)神學飽受懷疑、掀起了宗教改革運動，其中最核心的即是唯名論和唯實論的爭議。按照唯名論的說法，“只有個別是真實的，抽象的概念是名（話語），于是單純演繹往往會落空，分析、歸納、實驗上場了……神學不管具體事物，那是人的知識范圍，這一領域就劃歸科學了”。

伽利略的父親可能進行了最古老的非線性物理實驗，并有結果：就伸展的弦來說，音高與張力的乘方成比例。數(shù)學總是和音樂、物理有關系，這也是伽利略從父親那里繼承的科學的開始。

伽利略是當時思想家中明確宣稱自然規(guī)律是數(shù)學性的。在《試金者》中，他寫道：“哲學寫在這本偉大的著作中，這宇宙中……它是用數(shù)學作為語言寫成的，他的特性是三角、圓和其它幾何形狀……”他養(yǎng)成了一個奇特的能力，就是無視權威，特別是亞里士多德學派的權威，凡事都通過自己的觀察和實驗來驗證想法。其中，我們提到的自由落體實驗正是針對亞里士多德提出的。

“自然科學的誕生要歸功于伽利略?！?/p>

汪順興參加科創(chuàng)大賽 ，展示”伽利略斜槽演示儀“

而在更廣義上，他的觀念更進一步推動了科學從哲學與宗教中分離出來，成為之后的牛頓（1643—1727）的“巨人的肩膀”。

從這個意義上講，汪順興鼓勵學生們回到實驗中去，通過實驗來探索科學，正是對伽利略科學精神的致敬。

Tips

汪順興“伽利略斜槽試驗儀”的創(chuàng)新點：

1.使用光電門計，精度高，達0.01s，不影響小球的運動；

2.使用電磁繼電器釋放小球，讓小球的運動和計時得以完全同步地進行，減少了實驗的偶然誤差；

3.將位移設置成1:4，得到的時間之比為1:2即可證明位移與時間平方成正比；

4.主板和計時器為無線連接，可將主板放在任意位置，方便投影實驗結果。

回歸實驗，回歸生活

正如伽利略所說，“真理不在蒙滿灰塵的權威著作中，而是在宇宙、自然界這部偉大的無字書中?！?/p>

物理事實上是一門與生活密切相關的學科，對于它的學習自然也不應當停留在書本上。汪順興在教學過程中便十分注重引導學生觀察生活，從生活中發(fā)現(xiàn)問題，并利用所學物理知識，提出可行的解決方案，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維、動手能力和科學精神。

比如，有學生在家里使用熱水器時發(fā)現(xiàn)了問題：從打開水龍頭到流出熱水，總需等待一段時間，而在這段時間里，已經有不少干凈的自來水被白白浪費。

在汪順興的鼓勵下，學生們測量了熱水器到水龍頭的管道長度與直徑，對廢水量做了粗略估算：以一個家庭一天使用6次熱水來計算，每天浪費的干凈自來水在12～14L。由此推算一個家庭一年的廢水量，那將是一個驚人的數(shù)字。更何況，不少家庭每天使用熱水的次數(shù)，遠遠超過6次！

那么，有沒有什么辦法可以改善這一狀況呢？面對如此“貼近自身又有意義”的問題，學生們甚至生出一股緊迫感，迅速在課堂上展開了“頭腦風暴”：

“我覺得可以把熱水器安裝在離出水口近的地方。”

“如果每個房間都安裝熱水器，不但成本太高，而且廢氣不能及時排出，安全隱患非常大?！?/p>

……

最后大家得出結論，“要減少浪費，得從熱水器入手，設計一種可以迅速加熱的節(jié)能熱水器。”而“用電”是最快捷且安全的辦法。在方案設計的過程中，學生們就運用到了已學過的物理知識，比如用焦耳定律計算電熱絲的阻值。

汪順興的辦公室常常很熱鬧，一到下課就有學生主動來找他探討問題。更多時候，汪順興只做點撥指導，盡量讓他們自己去思考。

當大家運用“并聯(lián)”“串聯(lián)”等知識設計出節(jié)能熱水器后，“不容易滿足”的汪老師又提出新的問題：希望這個熱水器能夠有設置溫度和自動斷電的功能。

面對“傻眼”的學生們，汪老師說：“為什么大家無計可施呢？因為你們的知識儲備還不夠，還不知道電路設計、半導體材料的特性，所以不能設計出具有一定智能的熱水器?！焙闷嫘氖菍W習的原動力，汪順興已經成功調動起學生們對即將學習的新知識的興趣。

再比如，班里大部分孩子是住讀生，大家在宿舍晾曬衣服時發(fā)現(xiàn)一個問題，成都的冬天太過潮濕陰冷，衣服總也晾不干。汪順興便和學生探討如何解決問題?！傲酪路脑砭褪撬终舭l(fā)，那就可以從水分蒸發(fā)的條件入手解決，比如溫度、空氣流動、表面積……”在汪順興一步步引導下，學生們通過反復試驗，設計出了一種可調節(jié)轉速的旋轉衣架，并申請了國家專利；

還有學生發(fā)現(xiàn)擦黑板是件“麻煩事”，于是設計出“傳送帶”般的“滾動黑板”，在滾動過程中完成清潔，同時減少了粉塵對身體的危害，一舉兩得。這種“免擦無塵黑板”也申請了專利。

此外還有“轉軸式防盜井蓋”“墻體電源插座”“能伸縮的課桌”……不少出自學生之手的小發(fā)明，都申請到國家專利?！按竽懠僭O、小心求證”，在汪順興不局限于教室和書本的物理課上，學生們“博學之、審問之、慎思之、明辨之”，最后“篤行之”。

“擁有科學精神，在生活中提出問題，勇于創(chuàng)新，未來就有可能為技術的革新甚至人類的進步作出特殊貢獻。”這是物理教師汪順興的執(zhí)著追求。

遇冷“新高考”，路在何方

梁昊是汪順興2010屆畢業(yè)生，畢業(yè)后從事人工智能方面的工作，現(xiàn)為深度學習算法工程師。

在梁昊的講述中，物理曾經是他最沒有興趣且最薄弱的學科，遇見汪順興之后才得到改變。在以“成績說話”的時代，梁昊眼里的汪老師更像一個可敬的“奇葩”：不會布置寫不完的作業(yè)，而是帶著大家做實驗、做小發(fā)明、參加科技展。

汪順興給梁昊帶來的，不只是興趣和成績，更讓他明白了“知識應該主動去獲取，學而知之，而不可等到困而求之”。在觀察中提出問題、創(chuàng)造性解決問題、信息的搜集、處理與運用能力，以及對“鉆研”二字的深刻體會，都對梁昊之后的學習和工作起了非常重要的作用，人工智能就是在沒有任何前人經驗的情況下進行探索。

為了不過多分散學生精力，新津中學以選修課、一周兩節(jié)的形式開設了創(chuàng)客教育。高一高二的學生也會利用寒暑假，進行科創(chuàng)研究。很多家長依舊擔心影響學生學習，認為這些與高考沒有太大關系。

汪順興說，“事實上，現(xiàn)在是有關系了?！弊灾髡猩鷼v來偏愛“具有創(chuàng)新潛質，學科特長，全面發(fā)展”的學生，從2017、2018年各高校自主招生簡章可以看出，科創(chuàng)類賽事獎項逐漸成為下一個“香餑餑”，60%～70%的高校認可創(chuàng)新獎項，尤其是青少年科技創(chuàng)新大賽、明天小小科學家等。

然而，在新高考背景下，物理學科正迎來最嚴重的挑戰(zhàn)。

從第一批新高考試點城市數(shù)據(jù)來看，在“3+3”模式下，選修物理的人數(shù)從82%下降到40%，可以說是“斷崖式下跌”。2017年浙江省29.13萬考生中，選擇物理的僅8萬人，浙江某市甚至出現(xiàn)幾百個學生報考物理的現(xiàn)象。上海選擇物理科目的考生僅占總考生數(shù)的30%。

學生在汪老師的指導下進行實驗探究

新津中學的創(chuàng)客空間

出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一個很重要的原因是物理學科的難度大，需要學生投入的精力多，但很可能“吃力不討好”。但是物理學科是奠定國家未來科技力量的基礎。今年4月的“中興事件”之后，中興通訊董事長殷一民就表示將加強研發(fā)，求人不如求己。芯片是電子學科，而物理學是其重要的基礎，人才的缺乏，投入的不夠，只可能導致惡性循環(huán)。

2019年，四川也將進入新高考改革，挑戰(zhàn)之下，汪順興的創(chuàng)新和嘗試顯得更有意義。同時，也正如陳俊發(fā)教授所言，提高科學意識比增加知識更重要，因為科學意識在決定人的行為動機方面比有限的科學知識發(fā)揮的作用更大。汪順興做的讓物理回歸到實驗中的教學，就是一個很好的說明，學生的創(chuàng)新意識、科學精神會讓他們更好地適應創(chuàng)新型社會并且做出有益、有力的決定。