物理教育期刊對科研原始創(chuàng)新的推動*

趙蕓赫，馬宇翰，孫昌璞,3

(1. 首都師范大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100048；2. 中國工程物理研究院 研究生院，北京 100193；3. 北京計算科學(xué)研究中心 ，北京 100193)

上世紀中后期，美國物理教育研究(Physics Education Research，PER)逐漸變成了物理學(xué)自身的一個研究領(lǐng)域. 它主要集中于概念轉(zhuǎn)變、問題解決、師生對物理教學(xué)的態(tài)度和信念、大學(xué)高級物理課程的教學(xué)研究以及物理學(xué)習(xí)的性別差異等方面的研究. 大量實證研究表明，根據(jù)一些物理教育研究成果開發(fā)的新的教學(xué)方法可以有效解決教學(xué)中存在的問題，從而提高物理教學(xué)質(zhì)量[1-4]. 從大學(xué)物理學(xué)習(xí)的角度來說，這些轉(zhuǎn)變能更好地引導(dǎo)學(xué)生建立正確的物理圖像，促進學(xué)生習(xí)得科學(xué)思想和科學(xué)方法，從而幫助部分學(xué)生實現(xiàn)從學(xué)習(xí)知識到創(chuàng)造知識的飛躍，對他們?nèi)蘸筮M入科研職業(yè)生涯有著奠基性的作用.

由于創(chuàng)造知識的標志之一通常表現(xiàn)為發(fā)表相關(guān)科研實踐學(xué)術(shù)論文，教學(xué)期刊是學(xué)生實踐創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，練習(xí)專業(yè)學(xué)術(shù)表達的一個中間平臺. 科學(xué)家們在進行科學(xué)研究時形成的新思想和新方法，應(yīng)當(dāng)以教學(xué)的方式總結(jié)出來，讓大學(xué)生學(xué)習(xí)、模仿，并內(nèi)化為習(xí)慣，以促進他們形成自身的獨立研究能力. 目前，已有大量研究報告探討如何在科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[5-9]， 旨在提高學(xué)生理解概念和解決復(fù)雜問題能力的同時，使學(xué)生創(chuàng)造知識的科學(xué)能力得到更好的發(fā)展. 在這個意義上，以更好的培養(yǎng)物理專業(yè)的學(xué)生為核心目標，物理教育研究不僅為物理學(xué)前沿科學(xué)研究積累了后備力量，且對一些觀念的深入探討和理解也促進了物理學(xué)前沿領(lǐng)域的進步. 相伴而生，相關(guān)的教育教學(xué)研究期刊也自然發(fā)展成為孕育物理學(xué)創(chuàng)新人才和創(chuàng)新思想的搖籃.

以下概述PER領(lǐng)域如何被確定為物理學(xué)自身的一個研究分支，并說明美國物理教學(xué)教育期刊如何發(fā)展成培養(yǎng)物理學(xué)創(chuàng)新人才、激發(fā)物理學(xué)思想創(chuàng)新的學(xué)術(shù)平臺.

1 美國物理教學(xué)教育期刊發(fā)展概況

20世紀以來，從事物理教學(xué)的學(xué)者們對如何讓學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和欣賞物理學(xué)展開了持續(xù)的研究. 美國物理教師協(xié)會(American Association of Physics Teacher，AAPT)在發(fā)展理念上受到了這方面研究的極大影響. 為了尋找在課堂和實驗室中實踐這些研究成果的有效方法，由AAPT主辦的美國物理教學(xué)類期刊應(yīng)運而生. 里克特邁耶(F. Richtmyer)在 1933 年第一期 《美國物理雜志》(American Journal of Physics, AJP)的開篇文章《物理就是物理》中指出：“教學(xué)是一門藝術(shù)，而不是一門科學(xué)……”[10]. 他強調(diào)教學(xué)的“藝術(shù)”取決于每個教師的個性、魅力和經(jīng)驗. 盡管里克特邁耶關(guān)于教學(xué)“藝術(shù)”的觀點在 21 世紀仍然對教師和學(xué)生有重要影響，但物理教學(xué)的“科學(xué)”特性現(xiàn)已成為一個更加關(guān)鍵的要素，并被視為物理學(xué)科自身發(fā)展的一部分. 除了其科學(xué)的研究方法和教學(xué)方法外，學(xué)者們逐漸意識到一些源于物理學(xué)本科教學(xué)問題的討論，可能激發(fā)出有意思乃至重要的科學(xué)思想和概念.

在20世紀70 年代到80年代，研究者對學(xué)生迷思概念(misconceptions)的興趣日益濃厚，促進了PER方向在這一時期的蓬勃發(fā)展，特別是在概念理解、認識論和解決問題方法等方面[11-17]. 近些年來，我國大學(xué)物理教育的改革主要集中在教師教學(xué)和教材改進方面，一定程度上忽視了對學(xué)生學(xué)習(xí)物理這一過程本身規(guī)律的深入研究. 這使得我國物理教育的目標似乎只是設(shè)法從教師側(cè)面將學(xué)生的成績提上來，而不是在學(xué)生側(cè)面進行創(chuàng)新能力的激發(fā). 而美國大學(xué)物理教育重點是教與學(xué)雙側(cè)并重，從認知心理學(xué)等多重維度對學(xué)生在解決復(fù)雜問題時遇到的困難進行了深入研究. 設(shè)計了多種解決策略和教學(xué)腳手架，即教師起引導(dǎo)作用，學(xué)生為學(xué)習(xí)的主體，著重培養(yǎng)學(xué)生的主觀能動性[18].

然而，美國PER類期刊的發(fā)展也并非一帆風(fēng)順. 早期物理學(xué)者一直在尋求公認且普遍的刊物來展示PER 方向的研究成果，雙側(cè)惠及教與學(xué). 作為面向本科物理教師的刊物，AAPT 主辦的 AJP 在滿足這一需求方面發(fā)揮了重要作用. 在1990年后，美國 PER 領(lǐng)域累積的研究成果提高了大學(xué)物理教師群體對物理教學(xué)和學(xué)習(xí)的理解，并促進了許多基于研究的高質(zhì)量教學(xué)策略的發(fā)展. 1999 年春季，美國物理學(xué)會 (American Physical Society,APS) 理事會通過了一項關(guān)于PER的聲明：將PER確定為物理學(xué)研究領(lǐng)域的一部分，并支持將 PER 納入高校物理系. 隨著該領(lǐng)域接受度的擴大，一個限制其發(fā)展的主要因素凸顯出來，即難以找到更多合適的期刊發(fā)表逐漸增多的PER研究工作. 有一些期刊發(fā)表了一些關(guān)于物理教學(xué)討論和學(xué)習(xí)類的文章，如《美國物理教師》(The Physics Teacher)等，但少有出版物以物理教育為主要關(guān)注點. 這增加了專注于PER 領(lǐng)域的研究人員發(fā)表成果的壓力. 同時，缺少交流研究成果的期刊平臺一定程度上也阻礙了這一方向研究者在職業(yè)生涯中的晉升和考核[17].

為了解決PER領(lǐng)域所遇到的發(fā)展瓶頸，美國物理學(xué)會理事、北卡羅萊納州州立大學(xué)的教授貝奇納(Beichner)向美國國家科學(xué)基金會 (National Science Foundation，NSF) 提議創(chuàng)建美國物理學(xué)會(American Physical Society，APS)期刊和PER Central. org 網(wǎng)站(https://www.per-central.org/). 除 NSF 的資金外，在APS和AAPT的支持下，《物理評論物理教育研究》(Physical Review Physics Education Research，PRPER)于2005 年開始出版，由貝奇納擔(dān)任創(chuàng)刊編輯. 該期刊涵蓋了與物理教學(xué)或?qū)W習(xí)相關(guān)的全部實證和理論研究，是同行評審的在線開源期刊. 與其他發(fā)表物理教育研究的期刊不同，PRPER 是唯一以物理教育研究人員為主要受眾的期刊. 目前已發(fā)展成為物理學(xué)教育研究領(lǐng)域的國際領(lǐng)先期刊之一.

近年來，隨著物理教育研究的深入和發(fā)展，PER與其他領(lǐng)域進行交叉研究，包括教育心理學(xué)、腦與認知科學(xué)、測量與統(tǒng)計學(xué)等. 相關(guān)研究成果經(jīng)常出現(xiàn)在與這些領(lǐng)域相關(guān)的雜志上，例如：《認知與教學(xué)》(Cognition and Instruction)、《學(xué)與教》(Learning and Instruction)、《學(xué)習(xí)科學(xué)雜志》(Journal of the Learning Sciences)、《科學(xué)教學(xué)研究雜志》(Journal of Research in Science Teaching)等[18].

目前，僅在前面提及過的《美國物理雜志》《美國物理教師》以及《物理評論物理教育研究》三種雜志上每年就有超過300篇物理教育研究和教學(xué)討論的文章發(fā)表. 這些文章能夠持續(xù)輸出對大中學(xué)階段物理教學(xué)有正面影響的研究成果，標志著物理教育領(lǐng)域已成為物理學(xué)自身一個成熟的分支.

2 教育教學(xué)期刊與專業(yè)科學(xué)研究

以《美國物理雜志》和我國《大學(xué)物理》為代表的物理教育類期刊發(fā)表的內(nèi)容可分為三大類：1) 關(guān)于教育思想、教育理念和教學(xué)方法的一般性探討；2) 從教師的角度，探討怎么很好地把內(nèi)容概念(包括科學(xué)研究新進展)教給學(xué)生；3) 從學(xué)習(xí)的角度，怎么更好地理解物理概念和規(guī)律. 為了把一些重要的物理概念向?qū)W生講清楚，需要更簡單、更直接、更明確的表達方式；為了學(xué)懂基本的物理思想，學(xué)生也需要通過具體例子去理解艱深的思想和概念. 正是在這些教學(xué)相長的實踐中，以“寧拙毋巧”方式，將一些看似簡短、實為原創(chuàng)的研究工作在物理教育專業(yè)期刊上發(fā)表.

下面，筆者以發(fā)表在《美國物理雜志》上的典型文章為例，闡述發(fā)表在教學(xué)刊物上的文章所體現(xiàn)的科研原始創(chuàng)新，以及它們對物理前沿研究發(fā)展的推動.

2.1 量子芝諾效應(yīng)

芝諾悖論是古希臘數(shù)學(xué)家芝諾提出的一個關(guān)于運動的不可分性的哲學(xué)悖論. 在量子力學(xué)建立之后，人們將這一問題推廣到量子物理. 量子系統(tǒng)被不停地多次測量，以探究它是否待在原來的狀態(tài)上. 如果測量過于頻繁，系統(tǒng)會趨向于不發(fā)生躍遷，被“凍結(jié)”在初態(tài). 早期，量子芝諾效應(yīng)總是被與哥本哈根詮釋中的波包塌縮假設(shè)聯(lián)系在一起.

1980年，以色列量子物理學(xué)家佩雷斯 (A. Peres)在AJP上發(fā)表了《量子理論中的芝諾悖論》[19]一文(圖1)，用簡單的討論和例子指出并非只有波包塌縮能推導(dǎo)出量子芝諾效應(yīng). 佩雷斯將測量過程視為“測量儀器”和“被測系統(tǒng)”耦合進行幺正演化，推導(dǎo)出的結(jié)果與波包塌縮假設(shè)一致，即同樣可以看到系統(tǒng)的躍遷變慢甚至被“凍結(jié)”. 這其實就是量子測量的退相干詮釋：將“測量”理解成儀器不停地改變“被測系統(tǒng)”的相位而導(dǎo)致的相干性消失. 這篇文章導(dǎo)致了一個深刻的結(jié)論：發(fā)生量子芝諾效應(yīng)不能成為波包塌縮假設(shè)的證據(jù). 受這篇文章和相關(guān)研究工作的啟發(fā)，筆者之一(孫昌璞)的課題組多年研究量子芝諾問題，預(yù)言了波包塌縮詮釋不能預(yù)言的臨界測量時間效應(yīng)，并得到實驗證實[20,21].

圖1 以色列量子物理學(xué)家佩雷斯 (Asher Peres)在AJP上發(fā)表的“量子理論中的芝諾悖論”(Peres A.Am.J.Phys.1980，48,931)題目及摘要

2.2 熱力學(xué)循環(huán)中功率-效率優(yōu)化

熱機是熱力學(xué)中用于討論能量轉(zhuǎn)化的基本模型，在實際生產(chǎn)中也具有重要意義. 以瓦特(J. Watt)所改良的蒸汽機為代表的實際熱機，是第一次工業(yè)革命中引起生產(chǎn)力變革的核心. 典型的熱機在熱力學(xué)循環(huán)中周期性地運行，從溫度為Th的高溫?zé)嵩次鼰岵ν庾龉?，將剩余部分能量放熱至溫度為Tc的低溫?zé)嵩?作為熱機熱功轉(zhuǎn)化效率的上限，卡諾效率ηC=1-Tc/Th需要在準靜態(tài)的可逆循環(huán)中實現(xiàn).然而，由于準靜態(tài)所要求的趨于無窮的循環(huán)時間，卡諾熱機輸出功率為0，不具有任何實際價值.

圖2 加拿大物理學(xué)家柯曾(F. Curzon)和艾爾邦(B. Ahlborn)在AJP發(fā)表的“卡諾熱機在最大輸出功率的效率”(Curzon F, Ahlborn B. Am. J. Phys. 1975，43, 22)題目及摘要

值得一提的是，早在上世紀五十年代，法國學(xué)者伊馮(J.Yvon)、尚巴達爾(P.Chambadal)以及蘇聯(lián)核動力工程專家諾維科夫(I.I.Novikov)也基于同樣的動機各自獨立地研究過這一問題[23-25]，且得到的結(jié)論與柯曾和艾爾邦的結(jié)果一致. 但由于柯曾和艾爾邦所討論模型的一般性以及寫作風(fēng)格的簡潔直觀，這一發(fā)表在教學(xué)雜志的工作一枝獨秀，引起了更加廣泛的注意，至今已有近2600次的引用(Google學(xué)術(shù)檢索). 眾多物理學(xué)家和工程師從這一工作中提煉了討論有限時間內(nèi)熱力學(xué)循環(huán)優(yōu)化的主要精神，一起推動了近半個世紀有限時間熱力學(xué)這一領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展. 這一領(lǐng)域的思想方法對非平衡熱力學(xué)和工程熱力學(xué)產(chǎn)生了深遠影響，在基礎(chǔ)和應(yīng)用層面都有重要價值[26]. 這個工作也啟發(fā)了筆者在有限系統(tǒng)熱力學(xué)領(lǐng)域的系列研究工作[26-30].

2.3 不擴散波包問題

對不擴散波包的探索是量子力學(xué)中的一個基本問題. 薛定諤最早證明在諧振子勢阱中，相干態(tài)波包(與勢阱寬度相匹配的高斯波包)不擴散. 那是否存在此外的例子呢？1979年，在“不擴散波包”一文中[31](圖3)，貝里(M.V.Berry)和巴拉茲(N.L.Balazs)研究了一維薛定諤方程在以艾里(Airy) 函數(shù)作為初始條件時的嚴格解——艾里波包. 他們的工作表明，艾里波包具有完全不衍射(無擴散無形變)、無外力自加速等新奇的特征. 貝里和巴拉茲還證明艾里波包是一維含時薛定諤方程唯一無衍射的非平凡解.

圖3 貝里(M.V.Berry)和巴拉茲(N.L.Balazs)發(fā)表在AJP的“不擴散波包”(Berry M,Balazs N.Am.J.Phys.1979，47,264.) 一文題目及摘要

這一文章的寫作簡潔明了，目的明確，僅討論艾里波包不擴散和自加速這兩個特點. 全文沒有關(guān)于這一特殊波包潛在應(yīng)用的展望，這與作者在這篇文章的總結(jié)中所提到的，他們寫作——“認為艾里波包的奇特性質(zhì)值得在基礎(chǔ)量子力學(xué)課程中介紹”——的初衷一致. 然而，“無心插柳柳成蔭”，這篇文章后來在光學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了重要的影響. 2007年，西維洛格魯(G.A.Siviloglou)等人在實驗上觀測到艾里光束[32]. 此后，艾里光束在微粒操縱、顯微成像和材料加工等方面展現(xiàn)出重要的實用意義[33].

筆者認為，這三篇文章題目開門見山，摘要精簡地直接切入問題. 這種寫作方式是其能夠成為流傳廣泛的經(jīng)典和引起讀者興趣的基本要素. 從行文風(fēng)格來看，它們展現(xiàn)了《美國物理雜志》中教學(xué)文章的一般特點：問題明確、物理圖像清晰、寫作簡潔易讀、沒有過度包裝. 其實，這樣的文風(fēng)雖然鮮見于今天的專業(yè)期刊，但與上世紀早期很多經(jīng)典論文的淳樸風(fēng)格是一致的. 這提醒我們，原始創(chuàng)新的科學(xué)思想不必伴隨著看似“高大上”動機的包裝，皆可源于樸素或簡單問題的啟發(fā). 撰寫科學(xué)論文，應(yīng)當(dāng)返璞歸真，回到問題本質(zhì)，力求“秋水文章不染塵”.以簡明語言去描述問題，闡明解決方案，以讀者理解問題為首要出發(fā)點.

3 評述與建議

總的來說，物理教育和教學(xué)研究期刊對物理學(xué)科前沿研究具有實實在在的推動作用. 其體現(xiàn)有兩點：一是直面問題的討論可以引發(fā)新思想；二是通過物理教育研究及改革，培養(yǎng)科學(xué)觀念正確的人才，推動物理學(xué)發(fā)展. 當(dāng)然，目前物理學(xué)前沿研究領(lǐng)域有相當(dāng)成熟的期刊可以承載專業(yè)研究成果的發(fā)表，而物理教學(xué)刊物的關(guān)注重點還應(yīng)當(dāng)是教學(xué)問題本身. 圖4中列出了本科生如何成長為科學(xué)家的重要階段，其中教學(xué)類刊物可以成為傳播學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識、助推學(xué)生孕育創(chuàng)新思想進而創(chuàng)造知識的搖籃.

圖4 教學(xué)類期刊可以成為創(chuàng)造知識的搖籃

國內(nèi)以《大學(xué)物理》為代表的物理教學(xué)類期刊應(yīng)當(dāng)大力宣傳和發(fā)表物理教育理論的研究工作，呼吁大、中學(xué)教師乃至大學(xué)生去關(guān)注教學(xué)實踐的研究成果和概念創(chuàng)新，通過人才培養(yǎng)推動國家的科技發(fā)展. 受美國物理教學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)展的啟發(fā)，筆者對物理教育和教學(xué)研究期刊的發(fā)展提出如下建議：

1) 加強對物理教育研究的經(jīng)費支持

美國物理教育研究領(lǐng)域在過去幾十年中迅速發(fā)展，主要得益于包括美國國家科學(xué)基金在內(nèi)的政府研究基金的大力資助. 這期間，在關(guān)于如何提高物理教學(xué)質(zhì)量等方面所積累的豐富研究成果，有效地推動了美國的大學(xué)物理教學(xué)改革[34]. 在美國，一般一個物理教學(xué)研究項目資助金額在幾十萬到上百萬美元，項目執(zhí)行期為2～4年，且沒有必須發(fā)表論文和出版專著等硬性指標要求[35]. 然而，在我國資助的大學(xué)物理研究經(jīng)費上，物理教育領(lǐng)域的選題幾乎得不到國家科學(xué)基金的資助[35]. 因此，筆者建議我國有關(guān)部門也應(yīng)當(dāng)把PER作為物理學(xué)研究的一個重要分支加以支持. 以學(xué)科建設(shè)來帶動物理教學(xué)，提高教學(xué)質(zhì)量，走一條激發(fā)物理學(xué)原始創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展之路.

2) 物理教育研究成果評價體系的改進

美國高等學(xué)校中常有由于從事PER而回歸科研隊伍的教師，更有頂級的物理學(xué)研究者后來專注物理教育，如美國物理學(xué)家、1982年度的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者威爾遜(K.G. Wilson). 與此相反，近年來我國許多高等學(xué)校物理學(xué)院(系)教師隊伍中被分離出來了所謂“純教學(xué)型”教師. 這些教師承擔(dān)教改項目、編寫教材、進行教學(xué)研究工作，也有一些教師開始進入 PER 研究的行列[35]. 但是，由于很難得到高級別的職位和充足的研究經(jīng)費，物理教學(xué)和教育的研究工作難以得到廣泛的學(xué)術(shù)認可. 若能針對物理教育研究調(diào)整相關(guān)的職稱評定機制，強調(diào)物理教學(xué)類期刊的學(xué)術(shù)平權(quán)，讓大學(xué)教師平衡科研與教學(xué)，或許可以更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才.

3) 強調(diào)物理教學(xué)研究成果的應(yīng)用

在《大學(xué)物理》等期刊上已發(fā)表的教學(xué)文章中，研究者對理論探討較多，經(jīng)驗交流較多. 然而，實際教學(xué)中將別人的研究付諸實踐還存在很多困難，特殊經(jīng)驗難以移植. 建議期刊今后能夠鼓勵研究者發(fā)表和分享基于自己實踐經(jīng)驗的研究成果，多一些應(yīng)用實踐、量化研究，使得理論與實踐有更緊密的關(guān)聯(lián). 此外，作為專業(yè)的物理教育期刊，《大學(xué)物理》對科學(xué)前沿的介紹不必只是跟從熱點潮流， 可以多增設(shè)面向新知識的教學(xué)研討板塊，從更基本的角度客觀地介紹科學(xué)前沿發(fā)展. 這能助力學(xué)生正確理解前沿物理概念，從學(xué)生時代開始培育科學(xué)精神和學(xué)術(shù)作風(fēng).

4) 鼓勵大學(xué)生源自課程學(xué)習(xí)的問題研究

本科階段是學(xué)生進入科學(xué)職業(yè)生涯前累積知識和形成科學(xué)思維的關(guān)鍵時期. 就筆者自身的經(jīng)驗而言[36-41]，本科時期對一些源自課程學(xué)習(xí)的學(xué)術(shù)問題的深入思考與探索，有助于早期形成科研興趣、孕育學(xué)術(shù)品格. 因此，《大學(xué)物理》等教學(xué)刊物應(yīng)當(dāng)加大力度鼓勵本科生發(fā)表相關(guān)研究工作[42]. 這會使得《大學(xué)物理》發(fā)展成為孕育創(chuàng)新萌芽思想的托舉平臺，助力年輕一代完成從學(xué)習(xí)知識到創(chuàng)造知識的飛躍.

致謝：感謝復(fù)旦大學(xué)張楠同學(xué)、中物院研究生院翟若迅同學(xué)及北京計算科學(xué)研究中心劉瑞辰同學(xué)對文字部分提出的建議，感謝中物院研究生院袁紅同學(xué)協(xié)助校對本文.