物理課程思政教育的核心是科學認知能力培養

穆良柱

(北京大學物理學院,北京 100871)

本文將探討“有學科特色”的物理課程思政教育。筆者認為:物理課程思政教育的本質就是物理認知(科學認知)能力培養,包括物理認知模型的構建(如何思考)、物理方法的訓練(如何做事)和物理精神的養成(如何做人),實際上就是物理文化的傳承。只有具備了這種物理文化,學生才有可能獨立認知,形成獨立人格,理解西方思想體系產生的背景,不盲從西方思想體系,理解中國特色社會主義道路的必然性,理解社會主義核心價值觀,堅實走中國道路的自信。只有具備了有效認知能力,學生才有可能不僅照顧好自己和家人,還能立志報國,做好社會主義建設者和接班人。

1 從《高等學校課程思政建設指導綱要》看物理課程思政教育的基本內容

2020年5月28日,教育部印發了《高等學校課程思政建設指導綱要》(以下簡稱《綱要》)的通知[1],這是為了全面推進高校課程思政建設、深入貫徹落實習近平總書記關于教育的重要論述和全國教育大會精神的重要舉措[2]。其中特別指出,“《綱要》根據教育教學規律和人才培養規律,結合學科專業建設特點,對課程思政教學體系進行有針對性地設計”[2],“使各個專業教學院系、各位專業課教師都能在課程思政建設工作中找到自己的‘角色’、干出自己的‘特色’”[2],“要在課程教學中把馬克思主義立場觀點方法的教育與科學精神的培養結合起來,提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力”[1],“理學類專業課程,要注重科學思維方法的訓練和科學倫理的教育,培養學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感”[1]。

《綱要》中的指導意見基本明確了物理課程思政教育的基本內容。其中關于理科課程思政的幾個關鍵要素有(這里暫時只討論有物理學科特色的思政教育部分):馬克思主義立場觀點方法的教育,科學精神的培養,提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力,科學思維方法的訓練,科學倫理的教育,探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感。基于ETA 物理認知模型,可以清晰地分析清楚以上要素的內涵。

2 基于ETA物理認知模型的物理課程思政教育內涵

首先簡要回顧一下ETA 物理認知模型、物理方法、物理精神、物理文化,再以此為基礎分析物理課程思政教育的基本內涵。

2.1 什么是ETA物理認知模型

物理是人類在探索自然的過程中形成的認知,其中的關鍵是如何構建物理認知,也就是物理認知規律是什么。我們根據物理學家在實踐中的嘗試總結歸納出了一個認知模型[3-5],如圖1所示。

現實世界的物理現象是復雜的,為了研究清楚,先要挑出最簡單的研究對象,明確想研究的問題,然后用實驗的方法觀察其物理性質,并量化描述,之后再尋找這些物理性質之間的關系,即經驗性的實驗規律,這被稱為實驗物理認知,像盲人摸象一樣去得到一些片面的、零散的認知。

但物理學家希望得到的是整頭大象圖像,即希望類比三角幾何中公理化體系一樣的認知,來構建對一個研究對象的系統化理解。因為這種認知方式不僅能找到不同經驗規律之間的關聯,還能構造最簡化的理解,即只要承認幾個公理,剩下的都可以靠邏輯導出。這時需要構建理想模型,再構建公理化認知體系。然而這種系統化認知是否正確呢? 從邏輯上說,無法證實物理認知是正確的,這時發揚積極樂觀主義精神,退而求其次,用實驗來檢驗其是否錯誤,只要還沒錯,就可以認為是有效認知,可以暫時使用。這就要求物理的認知必須是可證偽的,錯誤的認知遲早會被檢驗出來扔掉,而較可靠的物理認知是經過實驗證偽檢驗的。這種構建有效公理化體系認知的過程稱為理論物理認知。

實驗物理認知和理論物理認知構成了科學探索的認知過程,其目標是對未知對象構建出有效認知。

一旦這個認知是有效的,就可以用它來解釋這個對象以前發生過的所有現象,預言將來可能發生的各種現象,并在當下和研究對象進行有效的互動,甚至有效地利用這個對象的性質來做各種發明創造。這個過程被稱為應用物理認知,對應的是技術應用。

圖1 ETA 物理認知模型由11個具體步驟構成,可以劃分為實驗物理認知、理論物理認知、應用物理認知三個認知階段。實驗物理認知和理論物理認知對應的是科學探索,應用物理認知則對應技術應用

實驗認知為構建理論認知提供了線索,并用來剔除錯誤理論,實驗認知的結果也可以直接拿來應用。理論認知可以指導實驗認知進行有針對性的探索,并解釋實驗認知,有效的理論認知才可以用到應用認知中。而應用認知中若發明了新的認知工具,或發現新的問題,又會反過來拓展實驗認知和理論認知。這樣實驗認知、理論認知、應用認知就形成了既獨立又交織的相互促進的循環,這種復雜的相互關系是導致我們很晚才發現物理認知規律的一個主要原因。

為了方便記憶,用實驗物理(Experimental Physics)認知、理論物理(Theoretical Physics)認知、應用物理(Applying Physics)認知的英文首字母將物理認知模型命名為ETA 物理認知模型。這個模型實際上就是物理認知的規律,也就是關于“物理認知”的認知。

從實驗認知到理論認知,再到應用認知,ETA物理認知模型提供了一個導航圖,不再是漫無目的的盲目探索。

2.2 什么是物理方法

物理方法就是物理學家認知的方法,簡單說就是物理學家怎么“做事”[6]。物理學家們在認知世界的過程中采用和發明了大量的有效方法,不同認知階段采用的方法不同,從猜想到嚴格的數理邏輯都有成功的案例,甚至可以說物理學家“不擇手段”地使用各種方法,之所以可以這么做,是因為有實驗證偽保證錯誤的認知會被剔除掉。圖2列出了與認知過程相對應的部分物理方法,詳細的分析請參考文獻[6]。

理解了物理的認知方法及其產生的背景,我們就應該明白物理方法的訓練一定是結合認知過程展開的。不遵循這個規律,就會產生許多問題,舍本求末。

圖2 與認知流程對應的“不擇手段”的物理方法

需要注意的是,物理的認知方法,有的被反復地使用,具有普適性,稱為常規方法。有些方法只有特定的人采用,或者適用特定的研究對象,稱為非常規方法。常規方法是可以通過物理教育訓練的,非常規方法需要做物理認知的人自我訓練和不斷發展新的有效方法。所以在物理教育中,既要通過大班教學、小班討論等方式訓練常規物理方法,同時又要給學生充分自由的環境發展其特有的非常規方法。

理解了物理認知過程中的物理方法,就能明白物理教育的重要性,一方面物理方法比數學的抽象邏輯方法更靈活,另一方面物理認知比一般學科的認知更完整,所以物理教育事實上能訓練人的全面而系統的認知方法,也就是常說的科學方法。

2.3 什么是物理精神

物理精神就是物理學家在認知過程中形成的獨立人格精神,簡單說就是物理學家如何“做人”[7]。物理學家們在認知世界的過程中發明了大量有效的方法,形成了物理方法,利用這些物理方法,物理學家構建了對世界的認知,而認知的過程和結果又深刻影響了物理學家自身的行為和思想,認知者會反省自身,形成對自身的約束和要求,形成了物理精神。需要注意的是,物理精神伴隨在每一步的認知目標中,不像物理方法是針對不同認知階段的。

關于物理精神可以列舉出許多,然而這些精神并不是孤立存在的,是有關聯、有層次的。物理精神的建立都是圍繞如何更好地建立物理認知而發展起來的,而隨著認知的不斷深入,物理精神也衍生出了層級結構。

圖3給出了一個關于物理精神的示意圖,追求真理、積極樂觀、協作精神是在認知過程中隨著認知的發展而逐漸建立起來的第一層級的精神,而每一種精神又會繼續衍生出新的精神,詳細分析參考文獻[7]。

需要注意的是以上列出的是相對普適性較強的物理精神,學生可以通過接受物理教育而具備這些精神,而有些精神則取決于特定的文化背景和個人特質。這就是為什么我們可以培養物理學工作者,但是不能直接培養出一個愛因斯坦的原因。

2.4 什么是物理文化

圖3 物理精神的示意圖

從物理認知的起點出發,以ETA 物理認知模型為導航,就能理解物理認知是如何建立的,物理方法、物理精神是如何在認知過程中形成的,即物理學家是如何做事、做人的。而ETA 物理認知模型加上物理方法和物理精神就構成了物理文化的核心[5]。

實際上各種物理知識,及其應用產生的各種發明創造,都是物理學家采用物理認知模型,利用物理方法,秉持物理精神,去和客觀世界打交道的過程中逐步發展出來的。

物理學家們正是在認同ETA 物理認知模型、物理方法、物理精神的基礎上組成了物理社區,形成了物理學家的共同體,這種共同體甚至是跨越國界的。

關于物理的學習、教育、研究、評價、政策等相關的問題,原則上都應從這個核心出發去思考。

物理文化實際上代表了自然科學文化,物理認知模型其實就是科學認知模型,物理方法其實也是科學方法,物理精神也是科學精神。盡管我們不能通過教育直接塑造一個愛因斯坦這樣的大師,但是一旦有了適合物理文化的環境,愛因斯坦們、諾貝爾獎獲得者們會自己成長起來。

2.5 物理課程思政教育內涵分析

下面基于ETA 物理認知模型、物理方法、物理精神、物理文化的背景來逐一分析物理課程思政教育的基本內涵。

馬克思主義立場觀點就是始終站在人民大眾的立場上。從ETA 物理認知模型可以看出,物理認知最早就是在人民大眾與自然界客觀物體互動的實踐中建立起來的,而且現在物理認知的結果都是公開發表,作為全人類共同的知識財富,所以物理認知者本身的立場觀點和馬克思主義立場觀點是一致的,一切為了人民大眾更好地認知這個世界。

科學精神一般是泛指,包括了哲學、數學、物理等學科中的做人準則,原則上真正的科學精神應該是所有這些學科共同遵守的做人準則,但物理教育中,我們只能具體到物理精神層面,所以科學精神的培養就是物理精神的培養。而之前的研究和分析已經說明[7],物理精神是為了完成ETA物理認知而采用的做人的要求,主要有哪些要求都是已經分析清楚的,而不是僅僅停留在概念層面。

而關于如何提高學生正確認識問題、分析問題和解決問題的能力,ETA 物理認知模型給出了詳細的導航圖,并針對每一步的認知給出了有效的常規方法,相當于非常明確地教會學生如何提出問題、分析問題、解決問題,而不是自己盲目探索,這樣就可以提高探索效率。

科學思維方法其實就是ETA 物理認知模型和物理方法的代指。思維方法通常指的就是如何思考,之所以用思維方法這個模糊的詞語,是因為以前無法清楚地說明其內涵。而有了ETA 模型之后,可以清楚地給出思考的導航路徑,并且對實現每一步的思考都給出了參考的常規有效方法。

科學倫理中針對的造假、剽竊等不道德行為,其實就是對做人的要求。基于ETA 認知模型,我們知道物理學家做人的要求中就有實事求是、公正等精神。之所以不能造假,必須實事求是,就是因為物理認知面對的是客觀世界,造假遲早會被實驗證偽。而之所以不能剽竊,是因為現代物理研究基本都需要團隊合作完成,物理學工作者們已經形成了一個共同體社區,而在團隊合作中,一個人如果不能公正地評價和對待他人,那么沒人愿意再和他合作,尤其是涉及剽竊他人工作成果的,會直接被“社會性死亡”。

探索未知、追求真理、勇攀科學高峰其實說的都是一個意思。因為追求真理的過程就是探索未知,是對未知的研究對象構建出所謂的“真理”(我們能做到的其實是構建有效認知,并不是大家通常理解的正確不變的真理)。而勇攀科學高峰就是針對未知研究對象不斷實現還沒完成的認知目標,也就是完成追求“真理”的過程。這其實就是ETA 物理認知模型對做人的最基本要求,沒有探求真理的需求,就不會有物理認知了。

而責任感和使命感涉及的是物理認知驅動力問題。物理認知需要投入足夠多的時間和精力,是很漫長的過程,沒有足夠的驅動力,實際上無法堅持下來。驅動力可以有很多,可以是亞里士多德式的好奇心驅動,也可以是國家民族危亡時挺身而出的愛國責任心驅動,還可以是關鍵技術被卡脖子時的民族自尊心驅動。這些驅動力的本質其實都是生存需求,也就是人作為生命的個體或者整體,想要學會和自然界打交道,從而生存下來的一個自發需求。這實際上是人類認知的起點,也是ETA 物理認知模型產生的源頭。

通過以上分析,我們就能清楚地看到,有“學科專業建設特點”的物理課程思政教育,其實質就是物理文化傳承。其核心就是學會物理認知,也就是科學認知,具體的就是ETA 物理認知模型的構建,以及相配套的物理方法訓練和物理精神養成。做到了物理認知能力培養,物理課程思政教育的主要目的就達到了。

3 如何做好物理課程思政教育

理解了物理思政教育的核心,結合ETA 物理認知模型,就立刻能理解如何完成物理課程思政教育。那么如何做好物理課程思政教育呢? 其實就是按照物理認知規律教學,即ETA 物理教學法[8]。也就是將物理知識整理成一個一個的ETA 物理認知案例,讓學生在與研究對象互動中掌握認知模型、認知方法、認知精神。完整掌握了物理認知能力,學會了做人做事,《綱要》里的課程思政教育要點就自然完成了。

例如,在文獻[8]中就以牛頓第一定律為例,介紹了如何對最簡單的勻速直線運動進行認知。在整個案例中可以看到,利用分類法、簡化法可以挑選出不受外力的小球作為研究對象,利用極端條件法推測從斜面下落小球在不受力的極限下做勻速直線運動,從而完成實驗物理認知。還可以看到牛頓用還原法將小球簡化成質點模型,并將慣性運動作為公理來解釋勻速直線運動的實驗現象,而我們采取懷疑的積極探索態度用特例法發現,質點在球面彎曲空間中慣性運動不走直線,不遵守牛頓第一定律的一般表述,從而發現第一定律的認知邊界是在平直時空內,而不適用于彎曲空間,從而完成理論物理認知。一旦有了有效理論認知,又可以用質點勻速直線運動組合出任何物體的勻速直線運動,還可以將質點的任何運動用微小的勻速直線運動疊加,就可以完成應用物理認知。通過以上的按照ETA 物理認知模型導航完成的認知嘗試,馬上就讓我們理解到牛頓第一定律的本質其實是用一個實驗定律來說明時空是平直的,這和傳統的理解顯然不同。而對于平直空間外的彎曲空間,物質運動規律則需要重新構造,這就是廣義相對論要解決的問題。顯然這個案例中,需要學生理解認知模型,學會一定的物理方法,體會物理精神。利用好認知規律,才能構建出自己的理解,這時才能不盲從他人,不再會簡單地認為第一定律是第二定律的特例,或者認為第一定律是為了引入慣性概念。

ETA 物理教學法在思政教育上的另一重要價值在于:一旦學生具有了物理認知能力,就可以對世界進行有效認知,形成世界觀;對人生進行有效認知,形成人生觀;對什么是重要的進行有效認知,形成價值觀。從而形成自己的獨立三觀。學生一旦有了獨立的認知,就不再會輕信他人,會了解自己想做什么,能做什么,會獨立選擇該做什么,不該做什么,只有這樣才能被稱為有獨立人格。然而沒有認知能力,不可能奢談人格。因為這些認知能力,人才具備了基本尊嚴。為什么要用物理的認知能力? 因為這是迄今為止,人類最有效的認知方式。

這正是北大蔡元培先生說的“人格”教育,也是思政教育的重要內容。因為只有具備科學認知能力和獨立人格,學生才不會盲從西方道路,才能深刻理解在黨的領導下走中國特色社會主義道路的必然性、以及社會主義核心價值觀,才能真正堅持“四個自信”。

有趣的是,ETA 物理教學法提出過程本身就是一個獨立認知的案例。實際上ETA 物理認知模型就是對力學、熱學、電磁學、量子力學等學科的認知過程進行觀察研究,進而總結歸納上升為公理的模型。為了證偽檢驗,筆者用這個模型做指導,在教學、科研、研發中都做了嘗試,都取得了不錯的結果。ETA 物理教學法實際上就是ETA物理認知模型在教學中的應用推論。這個教學法不是照搬國外的教學法,也不是基于片面的認知心理學規律,而是基于普適的物理認知規律,是中國人自己獨立提出的物理教學方法,有著可靠的理論基礎。這個教學法在北京大學經過了教學實踐檢驗,受到學生的歡迎,滿足《綱要》里對課程思政教育的要求。適合自己的才是最好的。

4 物理課程思政教育的現實意義

4.1 大學生“空心病”的原因

現在大學生中經常出現抑郁的心理問題,也經常出現對生命意義的質疑,甚至出現人生觀、價值觀的偏差,這些被形容為“空心病”,這也是為什么國家強調思政教育的部分原因。從根本上說,這是因為學生認知模式出了問題。

中國早期科技比較落后,所以那時最有效的認知模式是應用認知模式,也就是學會先進的科技知識,然后應用。為了滿足這種需求,物理教育對應的變成了應試教育,這種教育非常成功,一大批能快速學習新知識的人才脫穎而出,幫助中國快速趕上了發達國家。但同時也帶來了相應的副作用,即面對未知對象的創新能力不足,也就是錢學森之問提出的問題。

應試教育下,學生認知模式單一,只會線性邏輯思維,這種方式在中學可以很成功,因為面對的問題都是事先設計好的可解決的問題。但在面對大學學習的問題,甚至人生的問題時,這種認知方式就顯得無效了。因為這些問題都有一定的未知性,需要的是探索性的實驗物理認知與理論物理認知模式。而一旦認知無效,學生就會失去自信,開始焦慮、壓抑,質疑生命的意義,甚至失去分辨能力,易被極端宗教、西方輿論等灌輸錯誤思想,出現人生觀、價值觀的偏差,部分還會出現抑郁癥等精神疾病。

為了有效解決學生中的這些問題,最有效的方式就是教會學生物理認知的能力,轉變認知模式,有效應對探索性的難題,形成適合自己的有效獨立認知。只有具備了有效認知能力,學生才有可能不僅照顧好自己和家人,還能立志報國,做好社會主義建設者和接班人。

4.2 培養面向未來的學生

目前中國科技已經從改革開放之初的模仿追趕模式進入了創新模式,而國際競爭壓力的加大使得一些領域已經開始切斷中西方先進科技的交流,這就需要新時代的中國科技人才具備對未知領域的獨立科學探索能力。從ETA 模型中馬上就可以看出,這就需要在實驗物理認知能力和理論物理認知能力上加強對學生的培養,因為這兩種能力對應的就是科學探索能力。這恰恰是物理教育最擅長的,所以國家對物理認知能力的教育需求越來越急迫,因此培養面向未來的學生就是物理教育最應該擔負起的責任。

實際上,物理課程思政教育的提出也是這種需求的體現,也就是對能引領未來的創新型社會主義建設人才的渴求。現有的應用認知教育模式顯然不能滿足這種需求,只有分析清楚物理認知的本質,由此快速調整物理教育模式,發展面向未來的物理教育,也就是將實驗物理認知模式、理論物理認知模式、應用物理認知模式并重,才能培養出真正適應未來、引領未來的社會主義建設者與接班人。

我們之前近20年積累的關于物理認知規律的研究恰好已經為未來物理教育做好了理論準備。由此提出的ETA 物理教學法,不僅能全面培養學生物理認知的能力,特別是彌補和加強科學探索能力的培養,滿足國家對創新型人才的需求,而且將學生學習、教師授課、應對考試、研究生涯等過程全部統一,有效解決了成績好的學生不會做研究、研究好的教師不會做教學(或者反過來)、素質教育與應試教育對立不兼容等各種問題。

5 結語

綜上,我們看到,基于ETA 物理認知模型,可以發展出物理方法、物理精神,形成物理文化。基于此背景對“有學科特色”的物理課程思政教育進行分析,可以發現,物理課程思政教育的本質就是物理認知(科學認知)能力培養,包括物理認知模型的構建(如何思考)、物理方法的訓練(如何做事)和物理精神的養成(如何做人),實際上就是物理文化的傳承。

只有物理教育做到了物理文化的傳承,學生才有可能具備科學認知能力,進行獨立認知,構建出世界觀、人生觀、價值觀,進而形成獨立人格。只有具備了獨立人格,才能辨別是非,獨立選擇,理解西方思想體系產生的背景,不盲從西方思想體系,理解中國特色社會主義道路的必然性,理解社會主義核心價值觀,堅定中國道路的自信。只有具備了有效認知能力,學生才有可能不僅照顧好自己和家人,還能立志報國,做好社會主義建設者和接班人。這和中國傳統文化中,格物、致知、誠意、正心、修身、齊家、治國、平天下的人生成長道路是一致的。

希望能有更多的人理解物理文化,從而在物理教育中傳遞物理文化,在物理研究中發展物理文化,在政策制定中保護物理文化,在國民大眾中普及物理文化。通過物理文化的育人作用形成更加健全的人格,最終將物理文化,也就是科學文化,融入中國文化。