物理革新教育原理

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從應試教育向素質教育轉變，是物理教育本性的回歸，是物理教育的正本清源問題。然而物理教育的“本質”是什么？物理教育的“源頭”在哪里？這些物理教育中最根本的問題，至今沒有得到明確的回答。原始物理問題教學理論的提出，使得我們能夠直接與物理現象相接觸，讓我們得以面對原汁原味的物理現象進行教學研究與探索，從而打開一扇塵封已久的物理教育領域之門，進入到一個物理教育研究的新天地。在一定意義上，原始物理問題的提出，是近30年來我國物理教育領域涌現出的能夠反映物理教育本質的教育理論，是物理教育理論的創新。

一、原始物理問題教學———物理教育的本原回歸

原始物理問題教學的教育思想與現象學理論的基本思想是一脈相承的。作為20世紀西方的一種哲學思潮，現象學的基本理念包括“回到事情本身”和“生活世界”。“回到事情本身”這一觀點表達了現象學研究最根本的準則。現象學認為，人們不應該在事物之外尋找事物的本源，事物向我們顯現的不僅僅是現象，現象就是事物本身，它意味著人可以用一種直覺的方式去把握事物。現象和本質之間沒有距離，本質不僅是可以認識的，而且現象和本質是不可分割的。“生活世界”的觀念來源于胡塞爾（E.Husser）l的《歐洲科學的危機與先驗現象學》。胡塞爾認為：“生活世界是一個始終在先被給予的、始終在先存在著的有效世界，但這種有效不是出于某個意圖、某個課題，不是根據某個普遍的目的。每個目的都以生活世界為前提，就連那種企圖在科學真實性中認識生活世界的普遍目的也以生活世界為前提。”[1]現象學的“生活世界”和“回到事情本身”的理念，改變了人們一直以來站在物理教育外部、遠離生活世界來對待物理教育的態度和方式。當用現象學的理念來重新審視物理教育時，我們發現，物理教育在本質上是實踐的，物理教育發生的起點應當是物理現象，活生生的生活世界是物理教育應該回歸的地方。這種理念使我們從抽象、晦澀的“題海戰術”中解脫出來，重新返回到物理教育發生著的地方———活生生的物理現象。

因此，當現象學融入物理教育之后，就啟發我們在物理教育活動中關注學生的體驗、強調物理教育實踐的重要性，追求物理教育意義的實現，重視師生間的主體交互性，注重物理教育反思，尋求對物理現象的理解，注重物理教育的情境性……因為，所有這一切都是在活生生的物理教育世界中發生著的。這樣，原始物理問題教學就成為“通達科學的教育和人生形式”，是物理教育價值實現的源泉。這種對生活世界和物理現象本身的關注，使得物理教育不再是枯燥的、抽象的，而是生動的、豐滿的；不是固定的、僵死的教條，而是一種活生生的物理教育世界的展現，是對學生物理知識、物理方法和思維品質的喚醒和觸動，是對物理教育價值與意義的追尋。

與現象學理論取向不同的是，“中國過去幾十年念物理的養成了念死書的習慣。整個社會環境、家長的態度、報紙的宣傳都一貫向這個方向引導。其結果是培養了許多非常努力、訓練得很好、知識非常扎實的學生，可是他們的知識是片面的，而且傾向于向死的方向走。這是很有害的”[2]408。出現這種現象的原因何在？楊振寧教授認為：“很多學生在物理學習中形成一種印象，以為物理學就是一些演算。演算是物理學的一部分，但不是最重要的部分，物理學最重要的部分是與現象有關的。絕大部分物理學是從現象中來的，現象是物理學的根源。一個人不與現象接觸不一定不能做重要的工作，但是他容易誤入形式主義的歧途；他對物理學的了解不會是切中要害的。”[2]469楊振寧教授“現象是物理學根源”的觀點與現象學“回到事情本身”的基本理念殊途同歸。然而，把這種物理教育觀點轉變為物理教育理論也并非是一件簡單的事情，這需要創造性的工作。受楊振寧教授“現象是物理學的根源”與現象學“回到事情本身”基本理念的啟發，筆者認為，由于物理教育是物理學的一個組成部分，因此，物理教育的根源同樣是物理現象。在物理教育中，與演算對應的具有可操作性的物理教育方式是物理習題教學，而與物理現象對應的具有可操作性的物理教育方式則應當是原始物理問題教學。簡言之，解決我國物理教育低效能的根本措施就是要在物理教育中打破習題教學一統天下的傳統局面，通過引進原始物理問題，從而達到提高物理教育效能的目的。[3]

總之，原始物理問題教學使物理教育從純粹的知識傳授模式中走出來，進入到物理知識傳授與應用相結合的新階段，這使得物理教育更加符合其培養目標。它拓展了人們的物理教育視野，拓寬了物理教育的范疇，進一步增進了人們對于物理教育本質的理解與認識，從而有助于真正實現物理教育目的。

二、原始物理問題測試———高考物理命題改革的方向

當前，高考物理命題的指導思想主要表現為對習題的推崇。高考物理命題委員會認為：“做題是非常重要的。我們主張要做題，但并不贊成搞題海戰。因為題海戰盲目追求解題的數量，不重視解題的質量，使學生根本來不及對習題以及與習題有關的問題進行思考。”[4]90眾所周知，習題具有許多優點。然而，隨著物理教育研究的深入，習題固有的缺陷即人為性也日益暴露出來。由于從物理現象到習題的抽象過程已經被習題編撰人員完成，因而習題使物理教育情境的真實性受到破壞，使學生解答習題的認知心理及行為表現與解決實際問題相去甚遠。這樣，即使“重視解題質量”，也難以有效培養學生的物理能力。長期以來，我國物理教育一直存在著“題海戰術”現象，這種情況到目前為止基本上沒有多大改變。雖然許多教師在教育實踐中努力糾正這一現象，然而，由于高考物理命題委員會對習題的推崇所導致的“題海戰術”傾向，至今未能得到很好的解決。應當說，對于原始物理問題，高考物理命題委員會也有一定程度的認識。例如，1984年的高考題“估算地球大氣層的總重量”就是一道很好的原始問題，1994年進行的第二次測試也包含了許多類原始問題。對于這種試題，高考物理命題委員會認為：“這類試題可以測出學生較高層次的能力水平，如想象能力、獨立分析和解決問題的能力、數學能力、語言表達能力等，對學生的學習潛質有較好的預測作用，有利于選拔學生。但如果用得不恰當，則會帶來一些困難。與這種試題類似的題目在高考中應用要十分慎重。到底怎樣做才恰當？很值得進一步探討和研究。”[4]91由此可見，對于如何應用原始物理問題，高考物理命題委員會表現出了投鼠忌器的心態，一方面充分肯定原始問題“可以測出學生較高層次的能力水平，有較好的預測作用，有利于選拔學生，很值得進一步探討和研究”，另一方面又擔心“會使平均成績下降，對中學物理教學的現狀造成沖擊”，最終得出“高考目前只能以習題式的考題考查學生能力”的結論。[4]92

高考物理命題的習題化導向，使得目前的高考不僅未能將學生的物理能力有效地考查出來，而且在一定程度上導致我國物理教育長期存在著低效能狀況。鑒于此，我們嘗試進行了運用原始問題考查中學生物理能力的研究。測試題目之一為：輪船減搖———《中國青年報》1990年12月25日報道了我國前往南極的科學考察船“極地號”上發來的專電《極地號啟動減搖裝置慢速航行》。報道稱：“隨著西風帶的離去，船體搖動愈發劇烈，……為了減小船體搖動，船上采取了新的減搖措施，為此輪船降低了航速并且改變了航向。”請推導出一個表達式，說明改變輪船的航向和航速，就能達到使輪船搖擺減輕的目的。顯然，上述原始問題與物理現象發生了直接聯系。與習題不同的是，這里解決問題所需要的物理量都沒有給出，需要學生自己設置。原始問題的呈現沒有對物理現象進行抽象。比如，輪船的長、寬、高是否需要考慮？輪船的質量是否需要考慮？甚至這個原始問題屬于什么方面的問題，需要應用什么物理定理或定律等都需要學生自己去深入思考。因此，正是通過這一過程，原始問題真正有效地考查了學生的物理能力。[5]“輪船減搖”實際上是一個多普勒效應問題。

通過改變輪船的航向和速度，來改變輪船接收到的波浪沖擊的頻率。當然，也可以采用機械波的頻率、波長、波速三者之間關系的公式f=v/λ來解決。由于輪船的速度與波浪的速度有一定夾角，因此，需要把波速向船速投影，再應用公式f=v/λ就能使問題得到解決。學生解決問題的表現見表1。上表中的數據表明，當學生被置于原始的物理現象中時，他們的物理能力水平便真實地表現出來了（41.25%的學生完全不能解決問題）。同時，他們所學的知識和科學方法也往往不能有效地運用（30.00%的學生不能正確地使用公式和方法），這表明學生運用物理知識和科學方法的能力較差。如果單純進行知識（f=v/λ）和方法（速度分解）測驗幾乎每個學生都能正確回答。全部學生中僅有20.00%能正確地解決問題，說明學生的物理能力總體處于較低水平。筆者認為，高考物理命題改革的方向就是要逐漸在試題中滲透原始問題。這不僅能將學生的真實能力考查出來，從而區分不同能力的學生，而且能真正發揮高考對中學物理教學的引導作用。高考既有選拔功能，又具有引導功能。在這個意義上，高考是中學教學的“指揮棒”。在肯定高考積極作用的同時，實事求是地評價高考物理命題導向存在的問題，不僅有助于高考物理命題的改進，而且有助于扭轉中學物理教育中的“題海戰術”現象，這顯然具有重要的現實意義和深遠的歷史意義。

三、原始物理問題解決———促進學生認知狀態的改變

長期以來，我國學生的認知狀態大部分處于被組織狀態，只有少部分是自組織狀態，不能實現自發的轉變。對此，美國華盛頓大學饒毅教授從中西方比較教育的角度評價道：“到國外留學的研究生，很多在創新能力方面有明顯不足，常常是只能在別人指導下做研究而不能獨立工作或領導一個實驗室開創自己的方向和領域。也就是說，由中國中小學教育提倡、培養和選拔出來的‘好學生’的心態、思維習慣和行為模式到進入科學研究前沿時，就暴露出很大問題。”[6]顯然，“不能獨立工作”說明這些留學生的認知狀態大部分處于被組織狀態。因此，促進學生認知狀態的轉變就成為當前物理教育課程與教學改革的重要任務。所謂認知狀態，是指問題解決者的大腦對問題的組織狀態，或者稱為問題解決者大腦的“相”。如何在物理教育中促進學生的認知狀態從被組織向自組織轉變？筆者認為，原始物理問題教學是達成這一目標的有效途徑。這是因為物理知識只有在原始物理問題中才有生命力，才能顯示出其內涵、色彩、格調，才能顯示出其內在的理由、作用和功能，學生學習過的物理概念和規律才能真正活起來，這樣才能提高學生學習的效率。通過一定數量的原始物理問題訓練，當學生解決實際物理問題時，各種各樣解決問題的策略就能夠迅速地檢索而無須搜腸刮肚地對照做過的題型，才有可能在處理前一個步驟時就能在大腦中預感下一個步驟，即使學生在進行創造性活動時，也能憑物理直覺而非經驗去探索到正確的解決途徑。正是在這個意義上，原始物理問題訓練不僅能使學生學到物理知識，而且也能很好地促進學生物理認知狀態的發展。為了驗證這一觀點，筆者運用原始物理問題測驗工具[7]，采用隨機抽樣方法，選取了320位高三學生，對中學生解決原始物理問題進行了研究，結果見圖1。

學生成績直方圖不是正態分布（或正偏態和負偏態分布），而是呈現協同學的典型雙峰分布，它與人們長期以來通常認為的正態分布傳統觀點有所不同，對物理教育有新的啟示。根據協同學理論，雙峰分布可以解釋為：大部分學生的物理認知處于較低狀態（左側高峰），即被組織狀態；小部分學生的物理認知處于較高狀態（右側低峰），即自組織狀態；少部分學生處于從較低物理認知向較高物理認知轉變的狀態（中間低谷），即臨界狀態。也就是說，中學生解決原始物理問題的認知狀態存在臨界區域。不能跨越臨界區域的學生其物理認知狀態表現為被組織狀態，而跨越臨界區域的學生則表現為自組織狀態。由于種種原因，我國物理教育較少重視學生認知狀態的轉變，在促進學生的認知發展上，通常沿用維果茨基的“最近發展區”理論。該理論所闡述的兩種認知發展水平只有量的變化而沒有質的區別，它所強調的是認知水平而不是認知狀態。水平有高低之分而無質的區別，而狀態無高低之分卻有性質差異。從這個角度來審視認知發展，認知狀態可以較好地解釋認知發展的情況。例如，在物理教育中，初中階段通常存在著初二的“分化”現象，高中階段通常存在著高一的“臺階”現象。對這些現象的解釋，往往是經驗性的。而根據雙峰分布就可以解釋為，這部分學生的物理認知狀態處于被組織狀態，這是“分化”現象和“臺階”現象產生的根本原因。進一步，我們提出，通過原始物理問題教學，促使雙峰分布中處于認知被組織狀態（左側高峰）的學生向認知自組織狀態（右側低峰）轉變，是物理教育的重要任務。綜上所述，原始物理問題既是一種新的物理教育理念、一種新的物理教育方式，又是一種新的物理學習方式、一種新的物理教育評價。因此，原始物理問題教學是一種創新的物理教育理論。