物理教學：應為學生的未來奠基＊——英國卡文迪許實驗室考察感悟

徐 杰

（江蘇省鎮江中學，江蘇 鎮江 212017）

教育需要先進的理念和宏觀的視野，否則，教學、人才培養將被窄化甚至異化.筆者對當下物理教學雖常有反省、隱憂，但從未深深刺痛和警醒，直到有下面這么一個機會出現.

2013年9月，筆者有幸參加了江蘇省“人才辦”舉辦的江蘇省第10期創新創業領軍人才英國高研班，培訓對象是江蘇省第4期“333高層次人才培養工程”第2層次培養對象.這次培訓的目的是為深入實施科教與人才強省戰略和創新驅動戰略，加快推進人才國際化進程，不斷提升本土人才國際化素質，進一步加強高層次人才隊伍的建設.培訓內容包括“開放式創新、高科技創業及高科技商業發展的軌跡、產業升級與戰略重組、西方國家科技創新的政策和管理、英國高校產學研管理理論與實踐、人才競爭與人才流動國際化”等主題.培訓期間考察了卡文迪許實驗室、劍橋科技園、圣約翰創新中心.其中，卡文迪許實驗室給筆者留下了極為深刻的印象.

1 卡文迪許實驗室概況

1.1 誕生

劍橋大學卡文迪許實驗室于187l年開始籌建，是當時劍橋大學校長、第7代德文郡公爵威廉·卡文迪許捐資6300英鎊興建的，他是18～19世紀對物理學和化學做出過巨大貢獻的科學家亨利·卡文迪許的遠親，事實上“卡文迪許”是家族的名字，所以，最后將這個實驗室取名為卡文迪許實驗室.［1］麥克斯韋被任命為首任卡文迪許實驗室教授（相當于實驗室主任），負責設計和裝備實驗室，1874年建成使用，隸屬于劍橋大學物理系.第2任至目前第9任實驗室主任分別是瑞利男爵、J·J·湯姆孫、盧瑟福、布拉格、莫特、派帕德、愛德華、弗倫德.

1.2 輝煌成就

130年來，在9任實驗室主任的領導下，卡文迪什實驗室在現代科學發展中發揮了特殊的重要作用，誕生了許多大家耳熟能詳的重要發現和發明，培養了29位諾貝爾獎獲得者（如表1所示）.這些重大發現不但打破了經典原子論的框架，改變了人類2000多年的物質觀，而且將觀念的變革擴大到生命物質的遺傳機理，奠定了電磁理論、氣體導電理論、物質電結構理論、X射線晶體物理學、原子物理學、核物理學、分子生物學、射電天文學、表面物理學和凝聚態物理學的基礎.

卡文迪什實驗室因此吸引了一代代優秀的青年學者和科學家“奔向劍橋”，她被譽為“培養人才的苗圃”、“世界物理學家的圣地”和“諾貝爾科學獎的孵化器”.可以說，卡文迪許實驗室見證了英國科學研究和科技創新的歷史與輝煌.

表1為卡文迪許實驗室的諾貝爾獎獲獎情況［2］.

表1

續表

1.3 研究領域

卡文迪許實驗室發展迅速，目前，實驗室的研究涉及4大前沿領域，即極端領域、材料領域、量子領域和生物學領域，［3］由這4大領域所屬分支及相互交叉學科構成了包括天體物理學（含宇宙物理學、粒子物理學等），高能物理學，光電子學，結構和動力學，表面、微觀結構和斷裂研究，薄膜磁性研究，科學計算，原子微觀光學物理，微電子學，納米光子學，量子物質，凝聚態物質理論，半導體物理學，超導探測器物理學，生物和軟系統部門，物理醫學等研究方向、項目和團隊.這使得卡文迪許實驗室的研究呈現出多學科交叉、多元化、技術化和商業化的特點.

2 英國科技領先的文化溯源

2.1 英國的科技實力

英國諾貝爾獎獲得人數僅次于美國，居世界第2.在世界最好的200所大學中，美國占據了75所，英國為32所，遠遠超過其他國家.對當今世界科技貢獻最大的20所大學中，美國占了17所，其他3所是英國的劍橋、牛津和帝國理工學院.

受英國商業、創新和技能部（BIS）委托，愛思唯爾公司完成了《2011年英國科研現狀國際比較報告》（International Comparative Performance of the UK Research Base），將英國與其他7個研究密集型國家（加拿大、中國、法國、德國、意大利、日本和美國）進行了對比，報告顯示了英國科學與研究方面的實力在世界領先.［4］

從每年發表論文數量以及已發表論文的使用與引用率來看，英國都居世界領先地位，在2010年論文產出量居前5的美國、中國、英國、日本、德國等國中，根據論文的全球下載量，英國在科研人員的平均論文產出量、引用率和每篇署名論文使用率方面均高于其他國家，在世界上引用率最高的前1%的論文中，英國論文所占的比例達到了13.8%，僅次于美國.

同樣，盡管英國科研經費投入的絕對值遠低于美國、中國、日本和德國，但最新的趨勢表明，英國單位科研投入的產出正在高出以上4國，在研發總支出（GERD）方面，英國單位投入產出的引用率也明顯高于加拿大、中國、法國、德國、意大利、日本、英國和美國.

2.2 文化溯源

英國科技為何一直在全球領先？從文化的角度可以找到深層次的原因.

從歷史的維度考察，以牛頓、法拉第、道爾頓、麥克斯韋等為代表的一大批英國物理學家幾乎一直領導歐洲乃至世界的近代科學研究，英國一度成為世界科學研究的中心，卡文迪許實驗室的發展就是很好的例證.自然科學的發展及其成就，特別是牛頓的力學和數學，為機器的產生奠定了科學理論基礎，英國自然成為工業革命的發源地.英國人對科學實驗的興趣、對規律的探究、對知識的追求成為他們的文化基因，這也許是英國在相當長的時期內領跑世界的重要原由之一.

從現實的維度考察，由于大國紛紛崛起，英國“一枝獨秀”的格局被打破，國與國之間的競爭日趨激烈，英國毫不例外地明確了科技創新的戰略地位，意欲再創昔日的輝煌.在這種價值取向指導下，1994年英國政府首次公布了創新白皮書《實現我們的潛能——科學、工程和技術戰略》，此后陸續出臺了一系列清晰的政府文件，明確國家以創新為核心的新的科技發展戰略.2000年7月，英國政府發表了《卓越與機遇——面向21世紀的科學與創新政策》白皮書，希望通過領先的基礎科研和更加富有活力的技術創新，進一步提高科技進步對本國經濟和社會發展的貢獻.

3 卡文迪許實驗室考察感悟

作為一名基礎教育工作者，卡文迪許實驗室給我們帶來的震撼是無法形容的.教育究竟有何作用？卡文迪許實驗室給筆者的啟示是，物理教學必須基于更宏觀的視野，融入更先進的理念，物理教學能在提高學生的創新能力方面大有作為，可以為學生更美好的未來奠基.

3.1 構建創新文化環境，為學生未來奠基

英國的學者為世界科技發展和人類進步做出了許多原創性的巨大貢獻，如牛頓定律、生物進化論、蒸汽機、原子核、青霉素、國富論等等.這些成果的不斷涌現，與英國的濃厚的創新文化氛圍息息相關.劍橋大學的核心價值觀的第一條就是“思想與表達的自由”（freedom of thought and expression）［5］.

因此，我們應當在物理教學中積極構建良好的創新文化，不斷促進學生的創新意識生成、創新精神的樹立和創新能力的提高、發展.

3.1.1 構建知識本位的文化環境

中國傳統文化的奠基人大都為士人出身，他們不愿意從事繁重的體力勞動，提倡“學而優則仕”.這種情況今天仍存在，不管什么專業，大學畢業、研究生畢業甚至拿到博士學位，很多人的第1志愿都是選擇當公職人員，使迫切需要創新能力的科技領域嚴重缺乏高水平的人才，影響國家的科技創新.

西方發達國家之所以創新多，從文化學根源上講，西方文化奠基人的興趣就是追求知識.他們把人生使命看作求真求知，把能為人類知識寶庫增添多少新東西，看作是自己人生價值的象征，甚至把知識的多寡作為衡量人格高低的象征.在這種價值取向的影響下，西方不少知識分子對當官沒有興趣.提出“相對論”的大科學家愛因斯坦，深受猶太人擁戴.猶太復國后，很多猶太名人聯名寫信，吁請他回以色列當第2任總統，卻被愛因斯坦拒絕了.

因此，我們的物理教學應該在挖掘物理學史豐富的教育資源和現代科技發展趨勢的基礎上，構建濃厚的知識本位的教學環境，激發學生追求真理、探求知識、獻身科技的雄心壯志.

3.1.2 構建包容寬松的文化環境

在卡文迪許實驗室從事研究的人員，從不貶低別人，只要是自己感興趣的研究方向，總會受到鼓勵，學術權威在研究過程中是與其他人平等的.盧瑟福認為在自由民主的氣氛中，從事自己感興趣的研究，會有較大的成功機率.卡文迪許實驗室有兩個習慣，一是每2周1次的卡文迪許物理學會，二是每天下午的“喝茶時間”.人們不分職務、級別的高低，學術權力的大小，一律平等地交流.我國著名科學家張文裕先生于1935～1938年間在卡文迪許實驗室，并有幸成為盧瑟福的研究生，他深有感觸地說：“一個研究單位的好壞，不在于出一兩個人才，而在于建立一個優良的科學傳統和學術環境.”［6］

創新、探索、求真，這是一種創造性的精神勞作，它不同于體力勞動的地方就在于它不可能在高壓和威逼之下發揮到極至.包容寬松的學術氛圍完全可以在物理課堂上營造.物理教師如同導師，應竭力廢除“課堂霸主”的地位，創建愉快、寬松的教學環境，不斷提供不同觀點之間自由討論、爭辯、啟發的機會，使學生明白答案并不是唯一的，真理與謬誤總是相比較而存在，相斗爭而發展的.在中學就讓學生受到不同觀點之間的相互尊重，相互寬容的人文熏陶，這有利于學生激發靈感，形成專心致志、互相啟發、取長補短的學術精神.

3.1.3 構建寬容失敗的文化環境

在卡文迪許實驗室里，D NA結構模型的研究歷經多次失敗，中子的發現過程歷經坎坷，類似這樣的例子很多.縱觀人類的創新史，任何創新都是一個極其艱苦的過程，都要經歷艱難曲折的探索甚至磨難，不可避免地伴隨挫折和失敗.而且，探索過程的挫折和失敗的次數總是要遠遠多于成功次數.卡文迪許實驗室正是具有包容寬松的環境，才形成了寬容失敗的研究氛圍，最終沃森、克里克和威爾金斯因發現D NA雙螺旋結構模型獲得了1962年諾貝爾醫學和生理學獎，查德威克因發現中子而榮獲了1935年的諾貝爾物理學獎.

據了解，國際科技界人士都有一個共識：“允許失敗”.他們相信大多數科技人員都具有良好的職業精神，失敗都不是主觀不努力造成的.這種理念極大地保護了科技創新人才的積極性，為其不斷創新構筑了廣泛的空間.

因此，物理教學應該大力提倡學生大膽探究、大膽表達、不怕錯誤和失敗的良好學風，努力構建寬容失敗的課堂文化，這對于學生今后的科學研究和創新具有深遠的意義.

3.2 培養動手實驗能力，為學生未來奠基

眾所周知，物理學帶動了科學和技術的發展，同時推動了文化、經濟和社會的發展.物理學既然有如此巨大的作用和影響，那么，學習物理應當是一件充滿智慧、挑戰，令人激動和幸福的事，但是，有多少學生熱愛物理、親近物理？物理學是一門以實驗為基礎的自然科學，但是，物理實驗是否都能開設到位？學生能否得到充分的實驗訓練和實驗研究機會？當前物理實驗對提高學生的科學探究能力和創新實踐能力，究竟發揮著怎樣的作用？這些問題的回答不容樂觀.卡文迪許實驗室的做法和成就能給我們啟迪.

3.2.1 鼓勵學生自制實驗儀器

按照麥克斯韋的主張，物理教學在系統講授的同時，還配以表演實驗，并要求學生自己動手.表演實驗要求結構簡單，學生易于掌握.麥克斯韋說過：“這些實驗的教育價值，往往與儀器的復雜性成反比，學生用自制儀器，雖然經常出毛病，但他們卻會比用仔細調整好的儀器，學到更多的東西.學生用仔細調整好的儀器易產生依賴而不敢拆成零件.”［7］

實驗中所用的關鍵性實驗裝置都是由實驗人員自己設計和制造.因此，許多非常有價值的物理實驗用的儀器和設備都出自這里.例如，J·J·湯姆孫的陰極射線管、F·W·阿斯頓的質譜儀、C·T·R.威耳孫的云室、J·D·考克饒夫和E·T·S·瓦耳頓的高壓倍加器等，至今還保留在卡文迪許實驗室的博物館里.日本現代物理的奠基人長崗半太郎在參觀卡文迪許實驗室后感慨地說道：“我被你們所用儀器的簡單性和取得的光輝成就所震驚！”

縱覽當下的物理教學，還有多少教師鼓勵、組織學生自制實驗器材？學生學習物理幾乎只做一件事——解題.這種單一、枯燥的教學盡管能在高考中取得一點效益，但對學生的終身發展來說，我們可能丟掉了物理教學最寶貴的價值——科學素養的提高.

3.2.2 加強實驗教學

卡文迪許實驗室十分重視實驗研究，放手讓學生去思考和實驗.究其原因，首任實驗室主任麥克斯韋功不可沒.他對當時大學里普遍存在著的粉筆教學進行了尖銳的批評.他說：“習慣的用具——鋼筆，墨水和紙張——將是不夠的了，我們需要比教室更大的空間，需要比黑板更大的面積."他提出了自制簡單儀器和讓學生自己動手實驗的規則，這個規則后來成為實驗室的許多傳統.

盧瑟福在培養研究生時，凡屬重要的實驗，特別在發現新的現象時，他總是要親自做一遍，以弄清楚真實情況.每當學生陷入錯誤的理論或對實驗情況說不清楚時，盧瑟福就讓他”回到實驗室去重做實驗”，盧瑟福告誡學生“搞實驗和理論，首要的是實驗結果的可靠性”，要學生一定要拿出可靠的結果來.［8］

無論是物理課程性質還是課程目標都明確指出，物理實驗對提高學生科學素養、提高科學探究能力，進而提高學生的創新精神和實踐能力，都具有非同一般的重要作用.我們千萬不能把實驗教學這一物理學科的本質特征給丟掉.江蘇省鎮江中學建設了包含10個不同層級的新型物理實驗室在內的物理科學與技術實驗課程基地，目的就是強化學生動手實驗能力的培養，為提高學生的創新能力打好基礎.

3.3 開展創新創業教育，為學生未來奠基

李克強總理在12屆全國人大2次會議上所作政府工作報告指出，“神舟10號”遨游太空，“嫦娥3號”成功登月，“蛟龍”深潛再創紀錄，這表明中國人民完全有能力、有智慧實現建成創新型國家的目標.創新是經濟結構調整的原動力，要把創新擺在國家發展全局的核心位置，促進科技與經濟社會發展緊密結合，推動我國產業向全球價值鏈高端躍升.卡文迪許實驗室的創新創業價值導向或許對我們有啟發、借鑒意義.

3.3.1 開展創新教育

卡文迪許實驗室十分重視創新，使實驗室永遠處于科學發展的前沿，不斷開拓重大的新領域.盧瑟福特別重視對學生創造能力的培養，反對學生跟著他的思想亦步亦趨.他領導和管理科研集體的成功經驗之一是出好科研題目，鼓勵助手和學生千方百計地進行創造性研究，保證他們在1-2年內作出成績.他要求研究集體的每個成員必須有自己的新思想、新發現、新見解.久而久之，推動了研究集體的成員人人注意新發現，以新的觀點審視過去的一切，培養了他們的獨創能力.

物理教師開展創新教育，并非要求人人對學生進行系統的、理論的創新認知教育，而是充分利用好每一節課，創設良好的探究情境，激發學生的探究興趣，強化學生的思維訓練，鼓勵學生提出新思路，激勵學生根據愛好鉆研課題.有了這樣的認識和行動，學生的創新能力將會逐步提高，為今后的發展奠定良好的基礎.

3.3.2 適當開展創業教育

盧瑟福對學生的創業教育非常關注，表現在他竭盡全力地鼓勵青年科學家的自由創造，幫助學生確定研究領域.卡文迪許實驗室是以研究核物理為中心的，但他卻鼓勵有才能的卡皮查去研究強電磁場、低溫物理，讓初露頭角的阿普頓去研究大氣電現象.正是由于他善于引導和發揮青年科學家的創造性，開辟新領域，搶占制高點，盡快實現科學轉移，從而保證了科研集體的勃勃生機和活力.因此，20世紀初許多重要的物理發現都誕生于卡文迪許實驗室就不足為怪了.

現在，卡文迪許實驗室重視與企業的合作，合作項目有劍橋核能源中心、計算放射治療的合作、與“日立”合作、與韓國科學技術院合作、與東芝合作等.［9］產業合作者和衍生公司相當廣泛，例如天體物理學方面有劍橋定位系統；生物和軟系統方面有聯合利華，利弗休姆，ICI，飛利浦，雀巢公司，斯倫貝謝；半導體物理方面有東芝，卡文迪許動力，Teraview公司；固體物理和化學方面有防御評估研究機構，AWE，皮爾金頓，BAE系統公司；光電和微電子方面有精工愛普生，日立，劍橋顯示技術，Plastic Logic公司；量子物質方面有Dryogenic公司；凝聚態理論方面有日立，朗訊，IBM分子模擬；粒子物理學方面有激光掃描，Camtology（數據處理）等.

可見，卡文迪許實驗室秉承劍橋大學的使命“通過從事國際最高水平的教學和研究對社會做出貢獻”.［5］既注重創新，也重視研發，為更多的科學家和學生提供創業的機會和途徑，從而將科研成果更好地為人類和社會服務.

據了解，美國是較早在學校中進行創業教育的國家，從小學、初中、高中、大學乃至研究生，都普遍開設就業與創業教育課程.在日本，從1998年起，文部省就和通產省合作在小學開始實施“就業與創業教育”.法國一些地區近年來開展了諸如“在中學里辦企業”、“教中學生辦企業”等活動.

我們由此獲得的啟發是，物理教師應當適度開展創業教育，讓學生了解創業的基本內涵和自主創業的意義及價值，明確創業者應具備的素質以及做好創業的準備.培養觀察、體驗、參與社會公共生活的能力，培養適應未來職業生活的競爭與創業能力.我們應當告訴學生怎樣學會學習、學會生存、學會發展并建立相應的支持平臺.告訴學生未來幾年后將面臨什么選擇、如何選擇——尤其是大學畢業后的創新創業.這樣，我們給學生提供的教育服務可能更加豐富、更加優質、更具戰略性，也才能真正為學生的未來奠基.

1 The Old Cavendish-“The First Ten Years”［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／history／old.

2 Nobel Laureates［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／history／nobel.

3 Staff by Research Group［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／directory／research-groups.

4 范英杰，魯榮凱編譯.2011年英國科研現狀國際比較報告要覽［EB／OL］.http：／／www.nsfc.gov.cn／publish／portal0／tab110／info19517.htm，2011-11-24.

5 The University＇s mission and core values［EB／OL］.http：／／www.cam.ac.uk／about-the-university／how-the-universityand-colleges-work／the-universitys-mission-and-core-values.

6 吳廣宇.卡文迪許實驗室為何成為諾貝爾科學獎的“孵化器”［J］.長江大學學報（社會科學版），2006（4）：129-130.

7 劉茂峰.世界著名實驗室——卡文迪許實驗室［J］.現代物理知識，2008（4）：54.

8 王榮德.卡文迪許實驗室與諾貝爾獎獲得者［J］.高等工程教育研究，1999（2）：77.

9 Collaborative rogrammes［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／research／collaborative-programmes.