潘小青

摘 要 物理教學(xué)要怎么做？ 首先要對(duì)物理學(xué)有基本的認(rèn)識(shí)，然后對(duì)教學(xué)有基本的理解，再就是清楚作為教師的主要職責(zé)。本文受“人文的物理學(xué)”課程的啟發(fā)，認(rèn)識(shí)到物理學(xué)是物理學(xué)家看待世界的方式，有著不可思議的美感?？茖W(xué)也是人文歷史的一部分，與人文有著不可分割的聯(lián)系?？茖W(xué)常攜帶科學(xué)家的個(gè)人情感和成見。作為物理教師在教學(xué)中要能不斷地提出啟發(fā)性問題，能用通俗的語言解讀復(fù)雜的物理問題。并且學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)開放的作業(yè)和考題讓學(xué)生在練習(xí)中品位物理。作為高校教師能意識(shí)到教學(xué)不是給學(xué)生派任務(wù)，而是送禮。教師自身需要博覽群書，不斷提高自我修養(yǎng)才能踐行教書育人使命。

關(guān)鍵詞 物理教學(xué);人文的物理學(xué);科學(xué);人文

大學(xué)物理課程是理工科學(xué)生必修的一門公共基礎(chǔ)課，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新工科建設(shè)的大背景下，物理教學(xué)需要作什么改變？ 我們教物理，到底希望學(xué)生學(xué)到什么？ 復(fù)旦大學(xué)金曉峰老師面向人文社科類本科生開設(shè)的通識(shí)課程“人文的物理學(xué)”，用30學(xué)時(shí)展示了力、熱、聲、光、電以及量子物理和相對(duì)論等物理學(xué)的基本內(nèi)容，與理工類專業(yè)本科生的大學(xué)物理課程的差別僅在于對(duì)具體物理問題的數(shù)學(xué)處理不作要求，課程的重點(diǎn)是向?qū)W生展示物理學(xué)的思想史，從而彰顯出物理學(xué)內(nèi)在的人文特質(zhì)[1]。“人文的物理學(xué)”課程在復(fù)旦大學(xué)開設(shè)多年，并在網(wǎng)絡(luò)上廣為傳播，寇享學(xué)術(shù)平臺(tái)于2021年全程進(jìn)行了課堂直播。本文從一個(gè)多年從事大學(xué)物理教學(xué)的老師的角度，在完整地看完這門課程的最新視頻后，談?wù)剬?duì)物理教學(xué)的重新認(rèn)識(shí)。

1 對(duì)物理學(xué)的再認(rèn)識(shí)

1.1 物理學(xué)是對(duì)自然的獨(dú)特理解

物理教學(xué)應(yīng)該傳遞什么學(xué)科價(jià)值？ 著名物理學(xué)家費(fèi)曼在他的物理學(xué)講義中寫著：“我最想做的是給出對(duì)于這個(gè)奇妙世界的一些欣賞，以及物理學(xué)家看待這個(gè)世界的方式，我相信這是現(xiàn)今時(shí)代里真正文化的主要部分?！盵2]物理學(xué)家如何看待這個(gè)世界？ “人文的物理學(xué)”以歷史敘事的方式從物理學(xué)起源講起。亞里士多德通過日?？捎^察的事實(shí)—月食的形狀、南方和北方所看到星星位置的變化等，應(yīng)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(shí)的投影角度和駱駝的腳力第一個(gè)測(cè)量出地球的周長(zhǎng);人們構(gòu)建了天體運(yùn)動(dòng)模型解釋了四季的成因。充分印證了愛因斯坦所言：“關(guān)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(guī)律提示了自然背后的秩序，加深了人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)。物理原理不僅可以解釋已觀測(cè)的現(xiàn)象，還具有預(yù)言能力，著名的科學(xué)預(yù)言之一是由萬有引力定律預(yù)言哈雷彗星的到來。牛頓將蘋果落地與月亮繞地運(yùn)行聯(lián)系起來，找到一統(tǒng)天地運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)三大定律，還與哈雷一起預(yù)言了一顆周期約75年的彗星將于1758年再現(xiàn)[4]。

當(dāng)這顆彗星真的如期出現(xiàn)的時(shí)候，給人們帶來的不僅是視覺上的沖擊，更是思想上的強(qiáng)烈震撼！物理學(xué)的理論預(yù)言有時(shí)未必能很快得到實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，愛因斯坦1909年建立廣義相對(duì)論理論預(yù)言直到十年后才于1919年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。而有關(guān)引力波的預(yù)言連愛因斯坦自己都沒有信心能觀察到。引力波信號(hào)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(dāng)引力波離地球還剩50光年時(shí)，愛因斯坦的追隨者們剛剛開始嘗試引力波的探測(cè);當(dāng)引力波離地球還剩20光年時(shí)，LIGO 的兩個(gè)觀測(cè)臺(tái)剛剛開始建設(shè);當(dāng)引力波離地球只剩幾‘光日時(shí)，LIGO 剛剛展開高靈敏度的引力波探測(cè)…… 最終，當(dāng)引力波經(jīng)過十幾億年的漫長(zhǎng)時(shí)光，完成了十幾億光年的漫長(zhǎng)跋涉抵達(dá)地球時(shí)，恰好被 LIGO 探測(cè)到?！盵5]

1.2 “科學(xué)是人文歷史的一部分”

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

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

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

神秘主義的一派篤信數(shù)字是通往宇宙的鑰匙，音樂與數(shù)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(shù)學(xué)定律和比例是音樂音程和天體及行星的基礎(chǔ)，天體彼此之間的距離，它們的運(yùn)動(dòng)與特定的音符、音程和音階相對(duì)應(yīng)。正是基于這樣的信念，開普勒鍥而不舍地尋找行星運(yùn)動(dòng)各量之間的簡(jiǎn)單比例關(guān)系，得到行星運(yùn)動(dòng)的三大定律。開普勒的例子印證了科學(xué)與人文不可分割的聯(lián)系[7]。

同樣地，相對(duì)論讓我們理解了時(shí)間和空間相互關(guān)聯(lián)，時(shí)空是四維的。而有意思的是普魯斯特的小說—“追憶逝去的時(shí)光”以及科幻小說“時(shí)間機(jī)器”中，都有將時(shí)間作為三維空間之上的第四維的描寫，再次印證科學(xué)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(zhuǎn)即可產(chǎn)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(xiàn)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(xué)是對(duì)世界秩序的個(gè)人眼光

對(duì)于科學(xué)人們大多與朱光潛持相近的觀點(diǎn)，認(rèn)為科學(xué)是純粹客觀的，不帶任何個(gè)人的成見和情感。實(shí)際上科學(xué)家卻并不這么認(rèn)為，溫伯格就說：科學(xué)研究是由人而不是天使來從事的……不僅科學(xué)家會(huì)承繼常人的劣根性， 最佳狀態(tài)下的科學(xué)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(gè)典型的例子[4]。

我們?cè)賮砜纯赐侵锢韺W(xué)家，同樣作出了偉大科學(xué)貢獻(xiàn)的兩位科學(xué)巨擘麥克斯韋與玻爾茲曼，他們是如何看待對(duì)方的研究的。麥克斯韋說自己研究玻爾茲曼的文章發(fā)現(xiàn)完全讀不懂，原因是文章太長(zhǎng)很難理解。同樣的，玻爾茲曼也因?yàn)辂溈怂鬼f的論文太短而讀不懂他?？梢娢锢韺W(xué)家在探索世界的秩序時(shí)，帶著鮮明的個(gè)人風(fēng)格，有時(shí)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(gè)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(dòng)，無論如何不惜任何代價(jià)也要得到正確的結(jié)果?！倍鴲垡蛩固箓饔涀髡吲伤挂苍跀⑹鐾炅孔诱撜Q生后，寫下這樣的話：普朗克有著根深蒂固的19世紀(jì)的思維和偏見，做出了革命性的概念突破，使得20世紀(jì)的物理學(xué)與它之前的時(shí)代大不一樣，變得如此的不連續(xù)[8]。

物理學(xué)讓我們認(rèn)識(shí)到隱藏在自然背后的秩序和規(guī)律，帶著物理學(xué)家獨(dú)特的個(gè)人眼光，具有人文性質(zhì)，將這些觀念滲透到物理教學(xué)內(nèi)容中，可以顯現(xiàn)物理學(xué)的文化特質(zhì)。

2 對(duì)教學(xué)的再認(rèn)識(shí)

2.1 教學(xué)需要提出好問題

大多數(shù)課堂教學(xué)對(duì)課程內(nèi)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(xué)”每一堂課的教學(xué)邏輯都非常清晰，每一小節(jié)提出一個(gè)問題，從問題的引入，觀點(diǎn)的說明，后續(xù)的論證，層層推進(jìn)，直到問題的解決。

比如在講音樂中的物理時(shí)，課程設(shè)計(jì)了循序漸進(jìn)、邏輯清晰的9個(gè)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(chǎn)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(diào)式、大調(diào)與小調(diào)。在講十二平均律時(shí)，提出要用幾個(gè)音來構(gòu)造音樂，用哪幾個(gè)音組合？[9]這些問題或許我們平時(shí)也會(huì)有，但在教學(xué)中要如何提出最基礎(chǔ)的問題，如何由淺入深地一一解讀，確實(shí)需要精心的構(gòu)思。從這個(gè)角度講，教學(xué)也是一門藝術(shù)。

2.2 教學(xué)要用通俗的語言解釋復(fù)雜的問題

物理學(xué)的概念規(guī)律都有嚴(yán)格的科學(xué)表述，教學(xué)中如何能讓學(xué)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(jìn)行解讀。比如聲音的強(qiáng)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(gè)課后才理解原來是人耳對(duì)聲音響度的感受跨越了12個(gè)數(shù)量級(jí)，所以需要用取對(duì)數(shù)的方法來平均分配響度。

同樣的道理，由于人耳對(duì)頻率的感知跳躍3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此要用等比級(jí)數(shù)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?jǐn)?shù)來交，而不是所有人都交相同的稅，這對(duì)人文社科的學(xué)生就顯得通俗易懂。用學(xué)生熟悉的事物解釋抽象的物理概念是教師需要訓(xùn)練的基本功。

2.3 作業(yè)與考核中品味物理

作為教物理的老師通常布置的作業(yè)都是各種公式推導(dǎo)和應(yīng)用的習(xí)題，很難激起學(xué)生寫作業(yè)的欲望，對(duì)學(xué)生往往是艱難的任務(wù)。為了既讓學(xué)生深入理解課程內(nèi)容，又能心情愉快地完成作業(yè)，金老師在課上設(shè)計(jì)了既有助于理解課程內(nèi)容又十分有趣的開放式作業(yè)。

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

在“音樂中的物理”講完十二平均律，課后作業(yè)就是根據(jù)A4的頻率標(biāo)準(zhǔn)440Hz，按十二平均律產(chǎn)生其他幾個(gè)音的頻率。可以預(yù)料的是，學(xué)生完成這樣的作業(yè)后對(duì)音樂會(huì)產(chǎn)生更深入的認(rèn)識(shí)和理解，并學(xué)會(huì)更好地欣賞音樂。

每一次的課程考試之后，金老師都會(huì)將考題分享到朋友圈。仔細(xì)看完考題，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)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(rèn)真聽講并心領(lǐng)神會(huì)過，就一定能大略回答正確。畢竟課程主要的目的是想讓學(xué)生學(xué)會(huì)欣賞物理，而不是死記硬背一些物理知識(shí)。

這門課程學(xué)生的感受如何呢？ 金老師不同學(xué)期的課程都有學(xué)生寫過精彩的學(xué)習(xí)感悟，讓我們見識(shí)了何謂“great teacher inspires”。在“人文的物理學(xué)”課程考完后，其視頻網(wǎng)站有復(fù)旦學(xué)生這樣的留言：“這門課就算給我D我也要給每個(gè)人都推薦！ 上課內(nèi)容太難忘了，在交卷的那一剎那滿懷感動(dòng)，眼淚嘩嘩地淌?！盵11]據(jù)了解，那個(gè)學(xué)期的課，所有學(xué)生全部通過！一門好課不僅要優(yōu)質(zhì)的內(nèi)容，同樣需要恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)呈現(xiàn)，讓學(xué)習(xí)者不僅是學(xué)習(xí)知識(shí)，更能受到學(xué)科思想的熏陶。

3 對(duì)教師的再認(rèn)識(shí)

3.1 “教學(xué)是送禮，而不是派任務(wù)”

多少年以來，絕大多數(shù)老師教學(xué)都是給學(xué)生布置各種的學(xué)習(xí)任務(wù)，而教師也往往以完成教學(xué)任務(wù)為目標(biāo)。第一次課上金老師引用愛因斯坦的這句名言作為他對(duì)教學(xué)的理解，并用美國(guó)教育家Amos Alcott的話告訴學(xué)生：“真正的教師不會(huì)讓學(xué)生被自己的個(gè)人影響所左右。他激勵(lì)自我反思。他引導(dǎo)他們從他自己轉(zhuǎn)向更為崇高的精神。

他不會(huì)有信徒?！盵1]正是基于這樣的教學(xué)理念，金老師將課程定位為“科學(xué)欣賞”課。讓大家?guī)е玫男那閬?，帶著好的心情離開，希望同學(xué)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(xué)生多花時(shí)間在自己的課程上，結(jié)果卻反而讓學(xué)生專心于每一次課堂學(xué)習(xí)。

金老師不僅奉獻(xiàn)了精彩的課程給學(xué)生，也真的將復(fù)旦校友的著作送給學(xué)生作實(shí)際的禮物。再有在講完哥白尼的日心說和伽利略用望遠(yuǎn)鏡觀察星空，為日心說提供了一錘定音的證據(jù)后，讓學(xué)生去親身體驗(yàn)觀察星空。這樣美妙的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，于學(xué)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(gè)報(bào)告中通常引經(jīng)據(jù)典地采用數(shù)十種文獻(xiàn)書籍中的觀點(diǎn)來印證所講內(nèi)容。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，整個(gè)15講的課程中，總計(jì)引用文獻(xiàn)數(shù)量超過140種，每一講引用的文獻(xiàn)至少10種，其中最多的一講引用了23篇文獻(xiàn)。在引證文獻(xiàn)書籍的同時(shí)，金老師也推薦了很多經(jīng)典著作讓學(xué)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(duì)于為何在那個(gè)年代的科學(xué)家認(rèn)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(xué)習(xí)是一件終身的事情。

很多的大學(xué)課程基本是以傳授知識(shí)為主，極少能在課程中傳遞價(jià)值。但在人文的物理學(xué)課程中，你會(huì)在不知不覺中受到思想的沖擊。比如在回答物理何關(guān)我們（特指在座人文社科的學(xué)生）時(shí)，引述了美國(guó)物理學(xué)會(huì)首任會(huì)長(zhǎng)的演講中對(duì)中國(guó)人的負(fù)面評(píng)價(jià)，及民國(guó)著名學(xué)者有關(guān)科學(xué)的論述，說明科學(xué)過去不是我們的文化。金老師懷著讓科學(xué)成為未來中國(guó)的文化基因的美好理想，寄希望于學(xué)生，讓他們明白自己的責(zé)任和使命。

金老師教學(xué)中獨(dú)具特色的另一點(diǎn)是將內(nèi)容與個(gè)人親歷或體驗(yàn)相融合。比如在講哈雷彗星的故事時(shí)，引述拉朗德在1759年哈雷彗星第一次如約而至?xí)r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(fā)表在“新民晚報(bào)”上的文章[3]，談到中國(guó)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(guó)的歷史感到自豪。另一方面我們沒有總結(jié)出這顆彗星的運(yùn)行規(guī)律，又感到遺憾。寄語今天的同學(xué)在下一次2061年哈雷彗星再次出現(xiàn)時(shí)記得要去見證這一天文奇觀。

金曉峰老師的“人文的物理學(xué)”課程講述了物理學(xué)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(xué)的人文價(jià)值，對(duì)各類物理教學(xué)深具啟發(fā)性。在物理課程內(nèi)容的教學(xué)中，讓學(xué)生反復(fù)去領(lǐng)會(huì)“關(guān)于自然，最不可理解的是，它竟然是可以理解的！”與此同時(shí)，盡可能從科學(xué)史視角展示物理思想，讓學(xué)生體驗(yàn)物理學(xué)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(gè)人眼光和偏見。作為教師不僅要通過自身的終身學(xué)習(xí)提高學(xué)術(shù)素養(yǎng)，也需要吸收先進(jìn)的教育理念，讓學(xué)生能夠欣賞物理而不是畏懼它。要達(dá)到這樣的教學(xué)目標(biāo)，當(dāng)然需要精心的教學(xué)設(shè)計(jì)，包括教學(xué)中引疑設(shè)問的水平和作業(yè)習(xí)題的布置，尤其是用學(xué)生易于理解的事物去說明全新的物理內(nèi)容，將新知識(shí)與學(xué)生原有知識(shí)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(xué)”課程視頻，在金老師的耐心指導(dǎo)下，面向本校開出了三期同樣的課程，并且在大學(xué)物理教學(xué)中引入了相關(guān)物理學(xué)史案例，使課程更受學(xué)生歡迎。特借此文向金老師表達(dá)敬意和感謝！

參 考 文 獻(xiàn)

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

[2] 關(guān)洪.觀光，還是探險(xiǎn)？ ———從<費(fèi)曼物理學(xué)講義>誕生談起[J].大學(xué)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(shí)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.