物理革新教育原理

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从应试教育向素质教育转变，是物理教育本性的回归，是物理教育的正本清源问题。然而物理教育的“本质”是什么？物理教育的“源头”在哪里？这些物理教育中最根本的问题，至今没有得到明确的回答。原始物理问题教学理论的提出，使得我们能够直接与物理现象相接触，让我们得以面对原汁原味的物理现象进行教学研究与探索，从而打开一扇尘封已久的物理教育领域之门，进入到一个物理教育研究的新天地。在一定意义上，原始物理问题的提出，是近30年来我国物理教育领域涌现出的能够反映物理教育本质的教育理论，是物理教育理论的创新。

一、原始物理问题教学———物理教育的本原回归

原始物理问题教学的教育思想与现象学理论的基本思想是一脉相承的。作为20世纪西方的一种哲学思潮，现象学的基本理念包括“回到事情本身”和“生活世界”。“回到事情本身”这一观点表达了现象学研究最根本的准则。现象学认为，人们不应该在事物之外寻找事物的本源，事物向我们显现的不仅仅是现象，现象就是事物本身，它意味着人可以用一种直觉的方式去把握事物。现象和本质之间没有距离，本质不仅是可以认识的，而且现象和本质是不可分割的。“生活世界”的观念来源于胡塞尔（E.Husser）l的《欧洲科学的危机与先验现象学》。胡塞尔认为：“生活世界是一个始终在先被给予的、始终在先存在着的有效世界，但这种有效不是出于某个意图、某个课题，不是根据某个普遍的目的。每个目的都以生活世界为前提，就连那种企图在科学真实性中认识生活世界的普遍目的也以生活世界为前提。”[1]现象学的“生活世界”和“回到事情本身”的理念，改变了人们一直以来站在物理教育外部、远离生活世界来对待物理教育的态度和方式。当用现象学的理念来重新审视物理教育时，我们发现，物理教育在本质上是实践的，物理教育发生的起点应当是物理现象，活生生的生活世界是物理教育应该回归的地方。这种理念使我们从抽象、晦涩的“题海战术”中解脱出来，重新返回到物理教育发生着的地方———活生生的物理现象。

因此，当现象学融入物理教育之后，就启发我们在物理教育活动中关注学生的体验、强调物理教育实践的重要性，追求物理教育意义的实现，重视师生间的主体交互性，注重物理教育反思，寻求对物理现象的理解，注重物理教育的情境性……因为，所有这一切都是在活生生的物理教育世界中发生着的。这样，原始物理问题教学就成为“通达科学的教育和人生形式”，是物理教育价值实现的源泉。这种对生活世界和物理现象本身的关注，使得物理教育不再是枯燥的、抽象的，而是生动的、丰满的；不是固定的、僵死的教条，而是一种活生生的物理教育世界的展现，是对学生物理知识、物理方法和思维品质的唤醒和触动，是对物理教育价值与意义的追寻。

与现象学理论取向不同的是，“中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯。整个社会环境、家长的态度、报纸的宣传都一贯向这个方向引导。其结果是培养了许多非常努力、训练得很好、知识非常扎实的学生，可是他们的知识是片面的，而且倾向于向死的方向走。这是很有害的”[2]408。出现这种现象的原因何在？杨振宁教授认为：“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是他容易误入形式主义的歧途；他对物理学的了解不会是切中要害的。”[2]469杨振宁教授“现象是物理学根源”的观点与现象学“回到事情本身”的基本理念殊途同归。然而，把这种物理教育观点转变为物理教育理论也并非是一件简单的事情，这需要创造性的工作。受杨振宁教授“现象是物理学的根源”与现象学“回到事情本身”基本理念的启发，笔者认为，由于物理教育是物理学的一个组成部分，因此，物理教育的根源同样是物理现象。在物理教育中，与演算对应的具有可操作性的物理教育方式是物理习题教学，而与物理现象对应的具有可操作性的物理教育方式则应当是原始物理问题教学。简言之，解决我国物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破习题教学一统天下的传统局面，通过引进原始物理问题，从而达到提高物理教育效能的目的。[3]

总之，原始物理问题教学使物理教育从纯粹的知识传授模式中走出来，进入到物理知识传授与应用相结合的新阶段，这使得物理教育更加符合其培养目标。它拓展了人们的物理教育视野，拓宽了物理教育的范畴，进一步增进了人们对于物理教育本质的理解与认识，从而有助于真正实现物理教育目的。

二、原始物理问题测试———高考物理命题改革的方向

当前，高考物理命题的指导思想主要表现为对习题的推崇。高考物理命题委员会认为：“做题是非常重要的。我们主张要做题，但并不赞成搞题海战。因为题海战盲目追求解题的数量，不重视解题的质量，使学生根本来不及对习题以及与习题有关的问题进行思考。”[4]90众所周知，习题具有许多优点。然而，随着物理教育研究的深入，习题固有的缺陷即人为性也日益暴露出来。由于从物理现象到习题的抽象过程已经被习题编撰人员完成，因而习题使物理教育情境的真实性受到破坏，使学生解答习题的认知心理及行为表现与解决实际问题相去甚远。这样，即使“重视解题质量”，也难以有效培养学生的物理能力。长期以来，我国物理教育一直存在着“题海战术”现象，这种情况到目前为止基本上没有多大改变。虽然许多教师在教育实践中努力纠正这一现象，然而，由于高考物理命题委员会对习题的推崇所导致的“题海战术”倾向，至今未能得到很好的解决。应当说，对于原始物理问题，高考物理命题委员会也有一定程度的认识。例如，1984年的高考题“估算地球大气层的总重量”就是一道很好的原始问题，1994年进行的第二次测试也包含了许多类原始问题。对于这种试题，高考物理命题委员会认为：“这类试题可以测出学生较高层次的能力水平，如想象能力、独立分析和解决问题的能力、数学能力、语言表达能力等，对学生的学习潜质有较好的预测作用，有利于选拔学生。但如果用得不恰当，则会带来一些困难。与这种试题类似的题目在高考中应用要十分慎重。到底怎样做才恰当？很值得进一步探讨和研究。”[4]91由此可见，对于如何应用原始物理问题，高考物理命题委员会表现出了投鼠忌器的心态，一方面充分肯定原始问题“可以测出学生较高层次的能力水平，有较好的预测作用，有利于选拔学生，很值得进一步探讨和研究”，另一方面又担心“会使平均成绩下降，对中学物理教学的现状造成冲击”，最终得出“高考目前只能以习题式的考题考查学生能力”的结论。[4]92

高考物理命题的习题化导向，使得目前的高考不仅未能将学生的物理能力有效地考查出来，而且在一定程度上导致我国物理教育长期存在着低效能状况。鉴于此，我们尝试进行了运用原始问题考查中学生物理能力的研究。测试题目之一为：轮船减摇———《中国青年报》1990年12月25日报道了我国前往南极的科学考察船“极地号”上发来的专电《极地号启动减摇装置慢速航行》。报道称：“随着西风带的离去，船体摇动愈发剧烈，……为了减小船体摇动，船上采取了新的减摇措施，为此轮船降低了航速并且改变了航向。”请推导出一个表达式，说明改变轮船的航向和航速，就能达到使轮船摇摆减轻的目的。显然，上述原始问题与物理现象发生了直接联系。与习题不同的是，这里解决问题所需要的物理量都没有给出，需要学生自己设置。原始问题的呈现没有对物理现象进行抽象。比如，轮船的长、宽、高是否需要考虑？轮船的质量是否需要考虑？甚至这个原始问题属于什么方面的问题，需要应用什么物理定理或定律等都需要学生自己去深入思考。因此，正是通过这一过程，原始问题真正有效地考查了学生的物理能力。[5]“轮船减摇”实际上是一个多普勒效应问题。

通过改变轮船的航向和速度，来改变轮船接收到的波浪冲击的频率。当然，也可以采用机械波的频率、波长、波速三者之间关系的公式f=v/λ来解决。由于轮船的速度与波浪的速度有一定夹角，因此，需要把波速向船速投影，再应用公式f=v/λ就能使问题得到解决。学生解决问题的表现见表1。上表中的数据表明，当学生被置于原始的物理现象中时，他们的物理能力水平便真实地表现出来了（41.25%的学生完全不能解决问题）。同时，他们所学的知识和科学方法也往往不能有效地运用（30.00%的学生不能正确地使用公式和方法），这表明学生运用物理知识和科学方法的能力较差。如果单纯进行知识（f=v/λ）和方法（速度分解）测验几乎每个学生都能正确回答。全部学生中仅有20.00%能正确地解决问题，说明学生的物理能力总体处于较低水平。笔者认为，高考物理命题改革的方向就是要逐渐在试题中渗透原始问题。这不仅能将学生的真实能力考查出来，从而区分不同能力的学生，而且能真正发挥高考对中学物理教学的引导作用。高考既有选拔功能，又具有引导功能。在这个意义上，高考是中学教学的“指挥棒”。在肯定高考积极作用的同时，实事求是地评价高考物理命题导向存在的问题，不仅有助于高考物理命题的改进，而且有助于扭转中学物理教育中的“题海战术”现象，这显然具有重要的现实意义和深远的历史意义。

三、原始物理问题解决———促进学生认知状态的改变

长期以来，我国学生的认知状态大部分处于被组织状态，只有少部分是自组织状态，不能实现自发的转变。对此，美国华盛顿大学饶毅教授从中西方比较教育的角度评价道：“到国外留学的研究生，很多在创新能力方面有明显不足，常常是只能在别人指导下做研究而不能独立工作或领导一个实验室开创自己的方向和领域。也就是说，由中国中小学教育提倡、培养和选拔出来的‘好学生’的心态、思维习惯和行为模式到进入科学研究前沿时，就暴露出很大问题。”[6]显然，“不能独立工作”说明这些留学生的认知状态大部分处于被组织状态。因此，促进学生认知状态的转变就成为当前物理教育课程与教学改革的重要任务。所谓认知状态，是指问题解决者的大脑对问题的组织状态，或者称为问题解决者大脑的“相”。如何在物理教育中促进学生的认知状态从被组织向自组织转变？笔者认为，原始物理问题教学是达成这一目标的有效途径。这是因为物理知识只有在原始物理问题中才有生命力，才能显示出其内涵、色彩、格调，才能显示出其内在的理由、作用和功能，学生学习过的物理概念和规律才能真正活起来，这样才能提高学生学习的效率。通过一定数量的原始物理问题训练，当学生解决实际物理问题时，各种各样解决问题的策略就能够迅速地检索而无须搜肠刮肚地对照做过的题型，才有可能在处理前一个步骤时就能在大脑中预感下一个步骤，即使学生在进行创造性活动时，也能凭物理直觉而非经验去探索到正确的解决途径。正是在这个意义上，原始物理问题训练不仅能使学生学到物理知识，而且也能很好地促进学生物理认知状态的发展。为了验证这一观点，笔者运用原始物理问题测验工具[7]，采用随机抽样方法，选取了320位高三学生，对中学生解决原始物理问题进行了研究，结果见图1。

学生成绩直方图不是正态分布（或正偏态和负偏态分布），而是呈现协同学的典型双峰分布，它与人们长期以来通常认为的正态分布传统观点有所不同，对物理教育有新的启示。根据协同学理论，双峰分布可以解释为：大部分学生的物理认知处于较低状态（左侧高峰），即被组织状态；小部分学生的物理认知处于较高状态（右侧低峰），即自组织状态；少部分学生处于从较低物理认知向较高物理认知转变的状态（中间低谷），即临界状态。也就是说，中学生解决原始物理问题的认知状态存在临界区域。不能跨越临界区域的学生其物理认知状态表现为被组织状态，而跨越临界区域的学生则表现为自组织状态。由于种种原因，我国物理教育较少重视学生认知状态的转变，在促进学生的认知发展上，通常沿用维果茨基的“最近发展区”理论。该理论所阐述的两种认知发展水平只有量的变化而没有质的区别，它所强调的是认知水平而不是认知状态。水平有高低之分而无质的区别，而状态无高低之分却有性质差异。从这个角度来审视认知发展，认知状态可以较好地解释认知发展的情况。例如，在物理教育中，初中阶段通常存在着初二的“分化”现象，高中阶段通常存在着高一的“台阶”现象。对这些现象的解释，往往是经验性的。而根据双峰分布就可以解释为，这部分学生的物理认知状态处于被组织状态，这是“分化”现象和“台阶”现象产生的根本原因。进一步，我们提出，通过原始物理问题教学，促使双峰分布中处于认知被组织状态（左侧高峰）的学生向认知自组织状态（右侧低峰）转变，是物理教育的重要任务。综上所述，原始物理问题既是一种新的物理教育理念、一种新的物理教育方式，又是一种新的物理学习方式、一种新的物理教育评价。因此，原始物理问题教学是一种创新的物理教育理论。