本科教育與科學啟蒙

摘 要：本科教育是我國高等教育的主體，在高等教育結構中居中心地位。它不同于以升學為目的的初等教育，也不同于以研究、創新為目標的研究生教育。長期以來，我國本科教育把基本知識、基本技能（簡稱“雙基”）的理解和掌握作為本科教學的中心內容，所有教學環節圍繞這個中心來進行。而科學啟蒙包括科學發現意識的覺醒、科學研究方法的掌握和科學鉆研精神的培養。從科學啟蒙的這個定義來說，顯然，目前的大學教育未能在大學生中完成科學啟蒙的教育任務。本文研究科學啟蒙教育融入本科教育中的必要性、緊迫性和可行性，并以“多普勒效應”一講為例介紹目前上海交通大學在“雙基”教育中進行科學啟蒙教育的實踐。

關鍵詞：本科教育；雙基；科學啟蒙；多普勒效應

本科教育屬于高等教育體系。它與以升學為目的的初等教育有本質的區別，與以研究為目的的研究生教育也有不同。本科教育具有承上啟下的作用，是我國高等教育的主體，在高等教育結構中居中心地位。按我國教育部的規定，高中畢業生經過升學考試（高考）達到一定的分數標準可以錄取為高等教育學校學生，接受本科教育。在本科教育階段，學生按照本科教育大綱與計劃學習有關的課程、進行實驗、教學實習和社會調查，接受某些學科的科研訓練，寫作畢業論文與完成畢業設計。學生學完依據教學計劃所規定的全部課程，考試合格者，準予畢業，發給本科畢業證書。高等院校在教育教學的具體執行中，大多數高校在四年本科教育中的前三年半進行“雙基”教育，最后半年實習，接受科學訓練，完成畢業論文；少數研究型大學激進的做法是讓“大一”學生就走進實驗室，跟著教師進行科學研究。筆者認為這兩者各有優缺點。第一種強調“雙基”的教育為我國培養了大量技術性人才，在我國跟上發達國家的技術發展中起到了巨大的作用。但進入21世紀后，我國對科學技術發展提出了新目標——期望在今后的科學技術發展中起到引領作用。顯然，目前強調“雙基”教育的本科教育是不能完成這個任務的。第二種把“大一”學生直接帶進實驗室的辦法則有些太過激進，學生“雙基”知識學習不踏實、掌握不牢固，科學研究就是在沙灘上起高樓，樓建不高也不穩。本文建議把科學啟蒙教育融于本科“雙基”教育中，這種兩者兼顧的教學方法或許是實現新時期新任務一種好的本科教育培養人才的模式。下面從三個方面闡述把科學啟蒙（啟迪學生的科學發現意識，讓學生熟悉科學研究方法，培養學生的科學鉆研精神）融于“雙基”教育中的必要性、緊迫性和可行性。并以“多普勒效應”為例介紹科學啟蒙教育在上海交通大學物理教學中的實踐，分享我們將科學啟蒙融于“雙基”教育中，讓學生在掌握基礎知識的同時獲得研究學問的智慧的教學理念。

一、中國本科教育與科學啟蒙的歷史回顧

我們首先從歷史發展的角度談談科學啟蒙融入本科教育中的必要性。歷史上，中國有幾次科學啟蒙運動。明末清初有過第一次比較系統地引進了當時西方剛剛發展起來的科學，但是很快失去了興趣，因為覺得科學對中國沒有用；清朝的先賢們認為技術才是拯救國家的法寶，發出“以夷制夷”的口號，因此有了著名的洋務運動。第二次是五四運動時期，又一次把科學——“賽先生”引入中國。1917年1月9日，蔡元培正式就職北大校長的就職演講中說：“大學不是換賣畢業文憑的機關，也不是灌輸固定知識的機關，而是研究學理的機關。大學生要以研究學術為天職，不當以大學為升官發財之階梯！”[1]可以看出，是北大校長蔡元培先生首次把科學啟蒙引進了大學本科教育中。在北京大學校長蔡元培、清華大學校長梅貽琦、南開大學校長張伯苓以及后來的西南聯合大學、交通大學、浙江大學等校長們的倡議下，民國時期的大學引進了一大批海外留學歸國學者，后來他們大多成為著名的科學家。他們是物理學家葉企孫、胡剛復、饒毓泰、薩本棟、吳有訓、嚴濟慈，化學家任鴻雋、曾昭掄、侯德榜、莊長恭，地質學家丁文江、翁文灝、朱家驊、李四光，生物學家胡先骕、陳楨、李繼桐、童第周，氣象學家竺可楨、趙九章，等等。民國時期也培養了一批科學家，物理學家有吳大猷、楊振寧、李政道、吳健雄、丁肇中、崔琦、高錕，化學家有李遠哲、錢永健等。但是，那時中華民族面臨的是生死存亡的問題，剛剛興起的科學還起不到多大作用，因此，很快又失敗了?！拔母铩苯Y束、改革開放以來，科學教育恢復發展。但中國剛剛開始由計劃經濟向市場經濟轉型，第一要務是解決溫飽問題，以至于錢學森先生臨終前留下了著名的“錢學森之問”。

現在，溫飽問題已解決，大多數國人在奔小康了，我國也成為世界第二大經濟體。下一階段，經濟如果要再上一層樓，需要有顛覆性的創新，這個難度會非常大。這一定需要中國未來的科學研究、科學發現的支持。因此，目前在我國本科教育中引入科學啟蒙教育應該是最好的時期，也是必須下決心做的一件事。

二、中國本科教育中科學啟蒙教育的現狀

實際上，在歐美國家科學啟蒙從小學就開始了，他們的小學生作業就充滿各種讀書報告、調研論文。美國不太重視“基礎知識”的學習，但卻極其看重學生“創造力”的培養，因而才會有美國白領不會算“10減6等于幾”貌似“可笑”的事情發生，他們覺得要趁孩子年齡小時抓緊培養創造性思維；而中國教育特別重視所謂的“雙基”，重在練“基本功”，不重視對學生創造力和思維能力的培養。中國的升學選拔制度強化了“雙基”教育。我們的中學教育體系沒有進行嚴格意義上的科學啟蒙，主要是給學生灌輸科學知識（有人認為有了科學知識就完成了科學啟蒙，科學知識教育就是科學啟蒙教育。這顯然不符合我們對科學啟蒙的定義，本文不討論這個話題）。這是因為現在的升學考試需要考生在2到3小時內完成一定數量的習題，質量上越接近標準答案考分越高，所以，學生只能靠平時多做各種類型的習題，考試時做到看到考題就有條件反射地想到在哪里見過，然后馬上寫出來才能做完做好相關考題。這種應試考試實際上考的是學生的記憶能力，至于這個學生是否理解、是否有思想新意、是否能把學到的知識融入生活、生產實踐中一概無法在考試中檢驗出來。由此一來中國的學生高分低能就是自然而然的事了。這也造成中國的科學啟蒙教育只能在大學本科教育中進行了。

目前中國的大學本科教育怎樣呢？以上海交通大學為例，2015年以前上海交通大學“高等數學”教學大綱如下：本課程是以極限為工具，研究函數的微分和積分的一門學科，其主要內容包括極限、連續、一元微積分及導數的應用等。通過對本課程的學習，使學生了解“高等數學”的知識體系，理解“高等數學”的基本概念和基本理論，掌握微積分的基本運算技能，進而提高學生的數學素養及運用數學方法分析問題和解決問題的能力。2015年以前上海交通大學“大學物理”課程教學大綱如下：通過本課程的教學，應使學生對物理學所研究的各種運動形式以及它們之間聯系，有比較全面和系統的認識；對本課程中的基本理論、基本知識和基本技能能夠正確地理解，并具有初步應用的能力。在本課程的各個教學環節中，應注意對學生進行嚴肅的科學態度、嚴格的科學作風和科學思維方法的培養和訓練，應重視對學生能力的培養。（1）要求學生對某些知識透徹理解、牢固掌握，并能推導出相關定理；（2）要求學生對某些知識理解并能掌握，對定理的推導不作要求，但要求會用它們分析、計算有關簡單問題。

從這兩個教學大綱中可以看出，“大學數學”教學和“大學物理”教學強調的是讓學生掌握“基本知識”，學會“基本技能”，即所謂的“雙基”教育。這種教育培養了千千萬萬的技術管理人才，在將我國從文盲率90%的貧窮落后國家提升到世界第二大經濟體中發揮了巨大的作用。明顯的例子是，日本有東芝彩色電視后，我們研制出長虹、康佳；美國有蘋果手機，我們也研制出華為、中興手機；歐美有波音、空客客機，我們有C919，等等。現在，我們在很多行業技術上基本追上了發達國家。但是，這種教育的缺陷也是明顯的，它使得我們學生的創新能力還比較欠缺，原創理論還很少。更為嚴重的是，在目前的高等教育知識體系中，部分學生感到在數學課上學到一大堆不知有何用也不會用的公式；物理課上又講一些繞口的基本理論、基本知識。無論是數學教學中還是物理教學中，教師沒有幫學生把這些東西很好地串聯起來，使學生在這種分裂式的教育中成為犧牲品。比如，我在教學中發現學生在“高等數學”課程中學習了微積分，僅知道把給定的積分式按要求寫出結果，卻不知道里面的被積函數代表什么，積分微元又是什么意義，怎樣選取積分微元等等。物理課上這些都要重新教，否則，學生還是糊涂的。這也導致學生在出國留學等進一步的學習中感到前所未有的迷茫，需要一到兩年的重新學習和適應歐美發達國家的教學環境。一名清華大學電機系96級學生在美國加州伯克利大學攻讀博士研究生時寫道：Preliminary是伯克利的博士生入門資格考試，在這場考試中，一個密封的教室中坐著三位教授，每人給考生出一個大問題，各20分鐘，共計1個小時。要求考生在臺上當場思考，在白板上畫圖分析，用英語講解和回答問題。拿著問題直接建立數學模型，然后用數學參數、物理公式解題的中國學生大多被教授直接拒掉。教授的答復是這類學生采用了技工的思維方式而不具備一個工程師的基本素養。更為嚴重的是，目前的本科教育還導致在中國產生了千千萬萬的高分低能畢業生，而且還在繼續不斷涌現。

我們本科教育的問題出在哪兒呢？我們老師不是常年都是這樣教學生的嗎？——教導學生看到問題，思考該問題與哪個公式接近就套用哪個公式就把問題解決了。我們的考試就是針對各種公式、定理挖坑、繞彎，看學生怎樣爬出教師設的坑，繞過教師設的彎彎找到合適的公式解決問題。我們的本科教育還有哪些不足呢？在美國教授思維體系里一個合格的工程師的基本素養是什么？要知道自己的差距，可以先從歐美發達國家的教育入手，看看他們是怎樣學習、怎樣對待教授的問題的。由于美國學生從小學教育就強調Presentation（展示）的訓練，練的就是站在講臺上侃侃而談的本事。他們說到與自己專業有關的知識就神采飛揚，滔滔不絕，如數家珍。在回答教授問題時他們中的大多數能有效地將未知的問題簡化成熟悉的形式，然后一針見血地指出問題的關鍵所在，猜出初步答案。諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧在與諾貝爾文學獎獲得者莫言的對話中，楊振寧說：“科學是一個猜想的學問”。美國學生的“猜”答案，竟然與物理學家楊振寧對科學研究的觀點驚人地吻合！這個“猜”是隨意的嗎？是任何人都可以完成得很好的嗎？我想不是。我暫且把楊先生的“猜想”理解為某人對某個事件、某種現象的直覺反應，這種直覺反應來自于人們長時間思考某個現象、某個事件后一種豁然醒悟。我們的教育雖然不能直接教學生怎么“猜”，但我們可以培養學生遇到新現象或者新事物的時候快速思索、得出一個初步結論的能力。我們現在的教育過程就缺少了這一個環節。所以，無論從新時期新需要出發，還是從發展學生的自身的創新能力出發，改革我們的本科教育勢在必行，而且也是非常緊迫的任務。

三、在本科教育開創科學啟蒙教育的嘗試

我國經濟的改革開放進行了近40年了，我國的教育改革也一直在進行，但與世界尤其是美國、歐洲、日本教育的差距還很大。為了順應時代的要求，2017年，上海交通大學物理與天文學院，重新擬定了工科“大學物理”的教學大綱。中心內容如下：本課程是為工科低年級學生學習科學的思想方法和研究問題的方法，較系統地打好必要的物理基礎而準備的。在培養科學思維方式與科學素養、工程能力與工程素養方面起到引領性作用。它不僅對在校學生的學習十分重要，而且對學生畢業后的工作和進—步學習新理論、新技術都將產生深遠的影響。通過課程的學習，要達到以下目標——使學生對物理學的概念、模型、規律的建立過程有明晰、正確的理解，由此熟悉并掌握物理學的思維方法，對物理學研究的各種運動形式以及它們之間聯系，有比較全面和系統的認識；掌握本課程介紹的基本理論、基本知識和基本技能，具有初步應用的能力。使學生逐步認識到物理學是一套獲得、組織、運用和探求知識的有效步驟和方法。在注重知識體系完整的同時，提高學生的興趣，讓其主動參與實際探究過程，實現工程人才的知識、能力、科學素養的一體化培養。

這份教學大綱首次把培養學生科學發現意識、科學思維方法和科學素養（科學啟蒙）置于重要位置，理順了“雙基”教育與培養科學思維能力的關系，把科學啟蒙融于本科“雙基”教學過程。下面以本課程中的第二十二講“多普勒效應”為例來分析怎樣引導在大學物理教育中開啟學生的科學啟蒙教育[2]。

1.多普勒效應的研究背景——用歷史故事引出知識點

奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）誕生于1803年。當時的人們都普遍認為，無論聲源和觀察者做著怎樣的運動，頻率總是一定的。即通俗地說，兩個前進速度不同的人邊走路邊說話，聽到的聲音的高低，與他們停下來說話的聲音頻率是相同的。然而多普勒推翻了人們的這一結論。1842年的某一天，多普勒正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發現火車從遠而近時汽笛聲音變響，音調變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。他對這個物理現象產生了極大興趣，并進行了研究，發現這是由于振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現象。后來，人們把這個現象稱為“多普勒效應”。

這件事情多數人都可能遇見過，但為什么直到1842年才由多普勒提出來呢？或許一些人聽得不仔細，沒有發現什么不同；或許一些人對該現象司空見慣，不感興趣，放過了身邊的機會。故事告訴我們遇事多聽聽，多看看，而且要保持好奇的心態。愛因斯坦說，自然往往只給我們露出那么一點點可觀察的現象，只有仔細聆聽它的人才有可能抓住這個現象，發現隱藏在現象背后原因。 做一個保持好奇心的學者，一個仔細聆聽自然的人是科學啟蒙的第一步。

2.多普勒效應的實驗驗證

多普勒只是觀察到了這一現象，但沒有給出理論上的解釋，也沒有通過實驗來證實這一現象。在多普勒時代，實驗條件還比較落后，不可能通過計算機記錄波形，然后通過比較幾幅波形圖，計算出波的頻率。所以許多人并不認同他的觀點，他們的理由是多普勒的假說缺乏足夠的實驗數據支持，也沒有得到有力的理論證明。直到1845年，荷蘭氣象學家拜斯·巴洛特（Buys Ballot）通過一個實驗驗證了它在聲學上的正確性，多普勒效應才得到人們的認可。實驗中，巴洛特請了很多吹小號的大師在一節平穩車廂上奏樂作為聲源。當火車快速行駛過來時，由一些專業的音樂家判斷音調的變化，然后將小號手與音樂家的位置對換，重新進行測量。進行多次反復實驗，巴洛特最終成功地驗證了多普勒效應在聲學上的正確性，使多普勒效應得到大家的認可?，F代科學實驗中已開發出多種型號的多普勒效應綜合實驗儀來測量聲頻的多普勒效應。

這個故事說明真理往往掌握在少數人手里，多數人都是或者習慣于當前的環境，懶得思考，或者跳不出自身思維的框架發現不了新事物。只有勇敢、睿智的人才有希望摘取自然饋贈的明珠。實驗驗證是科學研究諸多方法中的一種，這個故事也讓學生明白實驗驗證在科學研究中的重要性。

3.多普勒效應的數學描述及物理解析

由于多普勒效應是指當波源與觀察者有相對運動時，觀察者實際接收的頻率與波源發出波的振動頻率不一致的現象，我們研究這個問題的目的就是要明確這兩者之間的定量關系。如果我們用v0表示波源的頻率，vR表示觀察者接收的頻率，波在介質中的傳播速度為u。在波源靜止，觀察者以速度uR接近（或者遠離）波源運動，則波相對于觀察者的速度為u±uR（接近取“+”，遠離取“-”）。進一步，在波源靜止情形下，波長不變。根據頻率、波長、波速三者之間的關系，我們得到接收器接收到的頻率為

從式（1）可以看出，觀察者向著波源運動時，接收頻率大于波源發出的頻率；當觀察者遠離波源運動時，接收頻率小于波源發出的頻率。

現在假設波源以uS的速度運動，觀察者靜止，則波相對于觀察者的速度為一常數。如下圖所示，波源運動導致兩相鄰相差2π相位的空間點距離發生變化，也就是波長發生變化，即，（波源接近觀察者運動取“-”，遠離取“+”），這樣觀察者接收到的頻率為

從式（2）式可以看出，波源向著觀察者運動時，接收頻率大于波源頻率；當觀察者遠離波源運動時，接收頻率小于波源頻率。

當波源和觀察者都在運動時，綜合上面兩種情況，觀察者接收到的波的頻率與發射源發射的頻率有如下關系

我們注意到，波源發出的頻率是固定不變的，它不隨物體運動狀態的改變而改變。而接收者接收到的頻率是變化的，是因為觀察者和波源之間存在相對運動，并不能認為僅僅是因為接收者在運動。如果波源和接收者以相同的速率朝同一方向運動，即相對速度為0，此時觀察到的頻率即為波源發出的頻率。另外，多普勒效應只發生在波源與觀察者連線方向，垂直方向沒有多普勒效應，所以多普勒效應發生時接受波的頻率的一般表達式為

式（4）中θ1，θ2分別為觀察者運動方向和波源運動方向與波源與觀察者連線之間的夾角。

這一節綜合運用學生已經學習的波長、頻率、波速這些概念來深入理解隱藏在多普勒效應背后的原因，發現現象中蘊藏的普遍原理，這是科學啟蒙意識培養的關鍵環節。

4.多普勒效應的拓展——光的多普勒效應

多普勒效應不僅適用于聲波，而且還適用于光波。由于光具有波動性，光的頻率也會隨光源運動速度或者觀察者運動速度變化而變化。光的多普勒效應被稱為“多普勒-斐索效應”。1848年，法國物理學家斐索（Hippolyte Fizeau，1819—1896年）獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，探索出利用多普勒效應測量恒星相對速度的辦法。光波頻率的變化使人感覺到的是顏色變化。當恒星遠離我們遠去時，光的譜線向紅光方向移動，稱為紅移；當恒星向我們運動時，光的譜線向紫光方向移動，稱為藍移。這一發現在天文學上具有重大的作用，通過分析接收光的頻譜，人們可以研究距地球任意遠的天體的運動。1868年，英國天文學家W.哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度。

這個小節擴展了學生的視野，讓學生從古老文明走向現代文明；更重要的是這小節是一個開放性的話題，學生可以在這一節盡情發揮，各抒己見，各展所長。

5.多普勒效應的物理意義及對人類生活的影響

由多普勒效應，愛德文·哈勃（Edwin Hubble）得出了宇宙正在膨脹的結論。早在19世紀下半葉，天文學家也已經能夠通過多普勒效應來測量恒星的視向速度。多普勒效應在生活中也具有廣泛的應用。超聲波的多普勒效應已經用于醫學的診斷，醫院用的彩色超聲波（彩超）原理就是超聲波的多普勒效應。彩超既具有二維超聲結構圖像的優點，又同時提供了血流動動力學的豐富信息，它受到了醫生們的重視和歡迎。在臨床上彩超被譽為“非創傷性血管造影”。當然，聲波的多普勒效應還可以用來檢測車輛是否超速。向行進中的車輛發射一束信號，通過計算返回信號與原信號頻率的差值（拍頻），就可以判斷車輛是否超速。此外，它還可以用于氣象預警、衛星通信、軍用雷達等方面。

這個內容讓學生明白科學與技術的聯系。這是我國教育中欠缺的，以致我們大多數人分不清什么是科學、什么是技術。搭一座科學與技術聯系的橋梁是科學啟蒙教育的較后環節，但也是必需的。如我的學生王裕杰同學在他完成了仔細研讀“多普勒效應”一講后寫道：“第一次接觸到這個知識是在高中的物理課本上，當時老師僅僅是一筆帶過了，自己也沒有多大的印象，覺得只需要記住一個公式就行了。然而在我讀了這一講后，發現多普勒效應作用如此之大。它在我們的生活中幾乎無處不在。我深深感受到了多普勒效應的魅力所在，同時也認識到沒有哪個物理知識是沒用的，一個物理知識的實現與應用只是時間問題。”

綜上所述，我們在“多普勒效應”這個知識點講解中用五個步驟中的前四個，把科學啟蒙的幾個關鍵環節——聆聽自然、發現問題的意識，研究科學的一般方法，鉆研科學的精神清清楚楚地展現在學習者的面前，通過最后一個步驟把該科學知識在現代工業、醫學、國防中的應用情形介紹給學生，并通過提問、回答問題環節賦予學生提出新問題的機會。這樣，科學啟蒙教育自然而然地在扎實的“雙基”教育中完成了。所以，我認為科學啟蒙教育是必要的、緊迫的，也是完全可以融入現在的本科“雙基”教育中的。

參考文獻：

[1] 崔志海. 蔡元培傳[M]. 北京：紅旗出版社，2009.

[2] 李翠蓮. 大學物理精講與典型難題詳解[M]. 上海：上海交通大學出版社，2017.

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