重新認識物理教學

潘小青

摘 要 物理教學要怎么做？ 首先要對物理學有基本的認識，然后對教學有基本的理解，再就是清楚作為教師的主要職責。本文受“人文的物理學”課程的啟發，認識到物理學是物理學家看待世界的方式，有著不可思議的美感。科學也是人文歷史的一部分，與人文有著不可分割的聯系。科學常攜帶科學家的個人情感和成見。作為物理教師在教學中要能不斷地提出啟發性問題，能用通俗的語言解讀復雜的物理問題。并且學會設計開放的作業和考題讓學生在練習中品位物理。作為高校教師能意識到教學不是給學生派任務，而是送禮。教師自身需要博覽群書，不斷提高自我修養才能踐行教書育人使命。

關鍵詞 物理教學;人文的物理學;科學;人文

大學物理課程是理工科學生必修的一門公共基礎課，在互聯網時代新工科建設的大背景下，物理教學需要作什么改變？ 我們教物理，到底希望學生學到什么？ 復旦大學金曉峰老師面向人文社科類本科生開設的通識課程“人文的物理學”，用30學時展示了力、熱、聲、光、電以及量子物理和相對論等物理學的基本內容，與理工類專業本科生的大學物理課程的差別僅在于對具體物理問題的數學處理不作要求，課程的重點是向學生展示物理學的思想史，從而彰顯出物理學內在的人文特質[1]。“人文的物理學”課程在復旦大學開設多年，并在網絡上廣為傳播，寇享學術平臺于2021年全程進行了課堂直播。本文從一個多年從事大學物理教學的老師的角度，在完整地看完這門課程的最新視頻后，談談對物理教學的重新認識。

1 對物理學的再認識

1.1 物理學是對自然的獨特理解

物理教學應該傳遞什么學科價值？ 著名物理學家費曼在他的物理學講義中寫著：“我最想做的是給出對于這個奇妙世界的一些欣賞，以及物理學家看待這個世界的方式，我相信這是現今時代里真正文化的主要部分。”[2]物理學家如何看待這個世界？ “人文的物理學”以歷史敘事的方式從物理學起源講起。亞里士多德通過日常可觀察的事實—月食的形狀、南方和北方所看到星星位置的變化等，應用邏輯推理令人信服地論證了地球是圓的;埃拉托色尼利用一根直桿在夏至正午時的投影角度和駱駝的腳力第一個測量出地球的周長;人們構建了天體運動模型解釋了四季的成因。充分印證了愛因斯坦所言：“關于自然最不可理解的事情就是，它居然可以被人理解。[3]”

物理規律提示了自然背后的秩序，加深了人類對世界的認識。物理原理不僅可以解釋已觀測的現象，還具有預言能力，著名的科學預言之一是由萬有引力定律預言哈雷彗星的到來。牛頓將蘋果落地與月亮繞地運行聯系起來，找到一統天地運動的萬有引力定律。牛頓用萬有引力定律不僅推出了開普勒行星運動三大定律，還與哈雷一起預言了一顆周期約75年的彗星將于1758年再現[4]。

當這顆彗星真的如期出現的時候，給人們帶來的不僅是視覺上的沖擊，更是思想上的強烈震撼！物理學的理論預言有時未必能很快得到實驗的驗證，愛因斯坦1909年建立廣義相對論理論預言直到十年后才于1919年得到實驗證實。而有關引力波的預言連愛因斯坦自己都沒有信心能觀察到。引力波信號直到百年后于2015年才被LIGO首次捕捉到，正如盧昌海書中所言：“當引力波離地球還剩50光年時，愛因斯坦的追隨者們剛剛開始嘗試引力波的探測;當引力波離地球還剩20光年時，LIGO 的兩個觀測臺剛剛開始建設;當引力波離地球只剩幾‘光日時，LIGO 剛剛展開高靈敏度的引力波探測…… 最終，當引力波經過十幾億年的漫長時光，完成了十幾億光年的漫長跋涉抵達地球時，恰好被 LIGO 探測到。”[5]

1.2 “科學是人文歷史的一部分”

對很多大物理學家而言，科學是人文歷史的一部分（溫伯格語）。薛定諤也說過：科學是歷史的產物，而不是邏輯之必然。偉大的科學創作往往與文學、繪畫、音樂創作一樣，需要想象和直覺。

科學與人文是相通的，只要從歷史的角度來進行講授，你就可以賦予任何學科以人文價值。從物理學的起源我們知道哲學最開始實際上就是物理學，是古希臘哲人探索自然的一種方式，哲學與物理學同根同源[6]。

從古希臘哲學的兩種傳統我們可以理解物理何關人文。東邊愛奧尼亞以阿那克西曼得為代表的科學傳統，深藏著想要通過理解世界來把握它的沖動，朝著構建有關現實的完美清晰的概念模型的方向發展，以原子論的提出達到頂峰;西邊意大利南部以畢達哥拉斯為代表的神秘主義傳統，相信神性和靈魂的天定，但同樣認定世界是理性的，試圖用理智證明信仰的正當性[7]。

神秘主義的一派篤信數字是通往宇宙的鑰匙，音樂與數字不可分割，因而音樂是宇宙秩序的一種反映。開普勒就是屬于神秘主義的一派，他相信數學定律和比例是音樂音程和天體及行星的基礎，天體彼此之間的距離，它們的運動與特定的音符、音程和音階相對應。正是基于這樣的信念，開普勒鍥而不舍地尋找行星運動各量之間的簡單比例關系，得到行星運動的三大定律。開普勒的例子印證了科學與人文不可分割的聯系[7]。

同樣地，相對論讓我們理解了時間和空間相互關聯，時空是四維的。而有意思的是普魯斯特的小說—“追憶逝去的時光”以及科幻小說“時間機器”中，都有將時間作為三維空間之上的第四維的描寫，再次印證科學與人文的相通之處。再比如，麥克斯韋利用三原色理論，用基本的色盤以不同速度旋轉即可產生視覺上不同的顏色，從而做出第一張彩色照片。印象派繪畫正好出現在這之后，如莫納所言：捕捉光線將它直接投影到畫布上[8]。

1.3 科學是對世界秩序的個人眼光

對于科學人們大多與朱光潛持相近的觀點，認為科學是純粹客觀的，不帶任何個人的成見和情感。實際上科學家卻并不這么認為，溫伯格就說：科學研究是由人而不是天使來從事的……不僅科學家會承繼常人的劣根性， 最佳狀態下的科學界也有賴于非常人性化的偏見和先入之見。他自己就是一個典型的例子[4]。

我們再來看看同是著名物理學家，同樣作出了偉大科學貢獻的兩位科學巨擘麥克斯韋與玻爾茲曼，他們是如何看待對方的研究的。麥克斯韋說自己研究玻爾茲曼的文章發現完全讀不懂，原因是文章太長很難理解。同樣的，玻爾茲曼也因為麥克斯韋的論文太短而讀不懂他。可見物理學家在探索世界的秩序時，帶著鮮明的個人風格，有時彼此并非容易相互理解。[9]普朗克黑體輻射公式的誕生和量子論的提出，其中摻雜很多個性化的因素，并非全然符合邏輯。在量子論建立31年后回顧其量子論的建立過程，普朗克坦言：“這是一次絕望的舉動，無論如何不惜任何代價也要得到正確的結果。”而愛因斯坦傳記作者派斯也在敘述完量子論誕生后，寫下這樣的話：普朗克有著根深蒂固的19世紀的思維和偏見，做出了革命性的概念突破，使得20世紀的物理學與它之前的時代大不一樣，變得如此的不連續[8]。

物理學讓我們認識到隱藏在自然背后的秩序和規律，帶著物理學家獨特的個人眼光，具有人文性質，將這些觀念滲透到物理教學內容中，可以顯現物理學的文化特質。

2 對教學的再認識

2.1 教學需要提出好問題

大多數課堂教學對課程內容往往以平鋪直敘為主，很少能在整堂課圍繞問題步步深入地講解。

而“人文的物理學”每一堂課的教學邏輯都非常清晰，每一小節提出一個問題，從問題的引入，觀點的說明，后續的論證，層層推進，直到問題的解決。

比如在講音樂中的物理時，課程設計了循序漸進、邏輯清晰的9個基本問題：（1）聲音是什么？人耳如何聽聲？ （2）唱歌與說話不同在哪？ （3）弦樂的樂音是如何產生的？ （4）管樂的樂音是怎么來的？ （5）樂器的聲音是哪來的？ （6）什么是音色？ （7）不諧和音、諧和音、和弦與和聲（8）音階與十二平均律;（9）調式、大調與小調。在講十二平均律時，提出要用幾個音來構造音樂，用哪幾個音組合？[9]這些問題或許我們平時也會有，但在教學中要如何提出最基礎的問題，如何由淺入深地一一解讀，確實需要精心的構思。從這個角度講，教學也是一門藝術。

2.2 教學要用通俗的語言解釋復雜的問題

物理學的概念規律都有嚴格的科學表述，教學中如何能讓學生明白？ 這需要教師在清晰透徹地理解后再用通俗的語言進行解讀。比如聲音的強度何以要用分貝來表示？ 恐怕很多人不明白深層原因。聽完這個課后才理解原來是人耳對聲音響度的感受跨越了12個數量級，所以需要用取對數的方法來平均分配響度。

同樣的道理，由于人耳對頻率的感知跳躍3個數量級，因此要用等比級數來作平均分配，所以音樂頻譜需要十二平均律。作為類比，可用不同收入人群的稅收要用百分數來交，而不是所有人都交相同的稅，這對人文社科的學生就顯得通俗易懂。用學生熟悉的事物解釋抽象的物理概念是教師需要訓練的基本功。

2.3 作業與考核中品味物理

作為教物理的老師通常布置的作業都是各種公式推導和應用的習題，很難激起學生寫作業的欲望，對學生往往是艱難的任務。為了既讓學生深入理解課程內容，又能心情愉快地完成作業，金老師在課上設計了既有助于理解課程內容又十分有趣的開放式作業。

如講完四季的產生后，要求學生在同一地點拍攝不同時期的日出或日落，比較它們的位置的不同。作為可選作業，讓學生查看不同日子墨跡天氣中標出的日出日落時間，找到白天和晚上時長相同的那一天。又比如要求學生在學校的日晷處拍攝時間和留影，讓學生通過自己的親身體驗來觀察和探索周圍的世界，從而產生對自然的好奇。

在“音樂中的物理”講完十二平均律，課后作業就是根據A4的頻率標準440Hz，按十二平均律產生其他幾個音的頻率。可以預料的是，學生完成這樣的作業后對音樂會產生更深入的認識和理解，并學會更好地欣賞音樂。

每一次的課程考試之后，金老師都會將考題分享到朋友圈。仔細看完考題，我們會發現所有的問題都只能是基于理解才能寫出來。這些問題是無法通過僅僅記住一些話就能作答的，但是只要是在課堂上認真聽講并心領神會過，就一定能大略回答正確。畢竟課程主要的目的是想讓學生學會欣賞物理，而不是死記硬背一些物理知識。

這門課程學生的感受如何呢？ 金老師不同學期的課程都有學生寫過精彩的學習感悟，讓我們見識了何謂“great teacher inspires”。在“人文的物理學”課程考完后，其視頻網站有復旦學生這樣的留言：“這門課就算給我D我也要給每個人都推薦！ 上課內容太難忘了，在交卷的那一剎那滿懷感動，眼淚嘩嘩地淌。”[11]據了解，那個學期的課，所有學生全部通過！一門好課不僅要優質的內容，同樣需要恰當的教學呈現，讓學習者不僅是學習知識，更能受到學科思想的熏陶。

3 對教師的再認識

3.1 “教學是送禮，而不是派任務”

多少年以來，絕大多數老師教學都是給學生布置各種的學習任務，而教師也往往以完成教學任務為目標。第一次課上金老師引用愛因斯坦的這句名言作為他對教學的理解，并用美國教育家Amos Alcott的話告訴學生：“真正的教師不會讓學生被自己的個人影響所左右。他激勵自我反思。他引導他們從他自己轉向更為崇高的精神。

他不會有信徒。”[1]正是基于這樣的教學理念，金老師將課程定位為“科學欣賞”課。讓大家帶著好的心情來，帶著好的心情離開，希望同學們不用太花精力在這門課上。這是第一次聽到有老師說不希望學生多花時間在自己的課程上，結果卻反而讓學生專心于每一次課堂學習。

金老師不僅奉獻了精彩的課程給學生，也真的將復旦校友的著作送給學生作實際的禮物。再有在講完哥白尼的日心說和伽利略用望遠鏡觀察星空，為日心說提供了一錘定音的證據后，讓學生去親身體驗觀察星空。這樣美妙的學習經歷，于學生而言自然是不可多得的禮物。

3.2 教師最需要博覽群書，教書育人

每次聽金老師的演講，最突出的感受就是一個報告中通常引經據典地采用數十種文獻書籍中的觀點來印證所講內容。據不完全統計，整個15講的課程中，總計引用文獻數量超過140種，每一講引用的文獻至少10種，其中最多的一講引用了23篇文獻。在引證文獻書籍的同時，金老師也推薦了很多經典著作讓學生閱讀，還不忘談自己的閱讀感受。例如在讀到麥克斯韋1864得到電磁波傳播速度就等于光速后，斷定光（輻射熱和任何形式的輻射）就是電磁波。對于為何在那個年代的科學家認為輻射熱與光是一回事，金老師坦言自己也是直到去年才知道并且講清楚，借此說明學習是一件終身的事情。

很多的大學課程基本是以傳授知識為主，極少能在課程中傳遞價值。但在人文的物理學課程中，你會在不知不覺中受到思想的沖擊。比如在回答物理何關我們（特指在座人文社科的學生）時，引述了美國物理學會首任會長的演講中對中國人的負面評價，及民國著名學者有關科學的論述，說明科學過去不是我們的文化。金老師懷著讓科學成為未來中國的文化基因的美好理想，寄希望于學生，讓他們明白自己的責任和使命。

金老師教學中獨具特色的另一點是將內容與個人親歷或體驗相融合。比如在講哈雷彗星的故事時，引述拉朗德在1759年哈雷彗星第一次如約而至時的描寫，提及馬克.吐溫在1835年與哈雷彗星同來，1910年與哈雷彗星同去的驚人巧合。

找到謝希德先生發表在“新民晚報”上的文章[3]，談到中國古代從先秦以來到1910年總共29次記錄“拖尾巴的星”[4]，為我國的歷史感到自豪。另一方面我們沒有總結出這顆彗星的運行規律，又感到遺憾。寄語今天的同學在下一次2061年哈雷彗星再次出現時記得要去見證這一天文奇觀。

金曉峰老師的“人文的物理學”課程講述了物理學史中杰出人物的故事和思想，貫穿著中西文化，詮釋了物理學的人文價值，對各類物理教學深具啟發性。在物理課程內容的教學中，讓學生反復去領會“關于自然，最不可理解的是，它竟然是可以理解的！”與此同時，盡可能從科學史視角展示物理思想，讓學生體驗物理學家在理解自然過程中一方面求真求美，另一方面不可避免地伴隨著個人眼光和偏見。作為教師不僅要通過自身的終身學習提高學術素養，也需要吸收先進的教育理念，讓學生能夠欣賞物理而不是畏懼它。要達到這樣的教學目標，當然需要精心的教學設計，包括教學中引疑設問的水平和作業習題的布置，尤其是用學生易于理解的事物去說明全新的物理內容，將新知識與學生原有知識建立有效的連接。

致謝： 本人有幸聆聽了金曉峰老師不同版本的“人文的物理學”課程視頻，在金老師的耐心指導下，面向本校開出了三期同樣的課程，并且在大學物理教學中引入了相關物理學史案例，使課程更受學生歡迎。特借此文向金老師表達敬意和感謝！

參 考 文 獻

[1] https：//www.koushare.com/video/videodetail/15893.

[2] 關洪.觀光，還是探險？ ———從<費曼物理學講義>誕生談起[J].大學物理，1998，（6）：1-5.

[3] https：//www.koushare.com/video/videodetail/15893.

[4] https：//www.koushare.com/video/videodetail/16359.

[5] 盧昌海.時空的樂章—引力波百年漫談[M].北京：高等教育出版社，2019.

[6] https：//www.koushare.com/video/videodetail/16300.

[7] https：//www.koushare.com/video/videodetail/16173.

[8] https：//www.koushare.com/video/videodetail/18765.

[9] https：//www.koushare.com/video/videodetail/17254.

[10] https：//www.koushare.com/video/videodetail/16689.

[11] https：//www.bilibili.com/video/BV1o4411M7i6？ from=search&seid=12432681569871886172&spm_id_from=333.337.0.0.