北京大學 趙凱華
物理學是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。本文從物理學的重要作用出發闡述了對中學物理教師的要求。
國際純粹物理和應用物理聯合會第23屆代表大會(1999美國亞特蘭大市)透過決議，呼籲社會正視物理學的重要性。對物理學的作用，大會的口號是“探索自然，驅動技術，拯救生命”。決議指出：“物理學——研究物質、能量和它們相互作用的學科——是一項國際事業，它對人類未來的進步起著關鍵的作用。對物理教育的支援和研究，對所有國家都是重要的。”
中等教育階段，是一個人從少年步入青年的時期，是身心成長趨於成型的時期，是在知識上和能力上為今後的工作和學習打基礎、作準備的時期，有著特殊的重要意義。在中學的各門課程中，物理課在提高學生的科學素質方面起著無可替代的作用。對於這個問題，我想從20世紀科技發展大的背景談起。
1、物理學推動了20世紀科學技術的高速發展
20世紀，是科學技術空前高速發展的世紀。在此世紀內，人類社會在科技進步上經歷了一個又一個劃時代的變革。這個世紀之初，無論在動力和資訊交流方面，人類社會就全面地進入了“電氣化時代”。這是19世紀安培、法拉第、麥克斯韋等一批物理學家和愛迪生等發明家努力的結果。從上個世紀之交放射性的發現，經過近半個世紀原子物理、核物理的研究，40年代物理學使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會帶進了“原子時代”。今天核技術的應用遠不止於為社會提供長久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫學上的診斷與治療作用，已為人所共知。這個成果是和盧瑟福、玻爾、愛因斯坦、居裡夫人和她的女婿和女兒約裡奧-居裡夫婦、海森伯、費米、哈恩等一大串光輝的名字分不開的。到了50、60年代，物理學家又發明了雷射，它的理論基礎是愛因斯坦1916年提出的光的受激發射過程。今天雷射技術已廣泛應於尖端科學研究、工業、農業、醫學、通訊、計算、軍事和日常生活，成為幾十億、上百億的巨大產業。炙
20世紀科學技術給人類社會帶來的最大的衝擊，莫過於以現代電腦為基礎發展起來的資訊技術。號稱“資訊時代”的到來被譽為“第二次產業革命”。的確，電腦給人類社會帶來如此廣泛而深刻的變化，是二三十年前任何有遠見的科學家都不可能預見到的。現代電腦的硬體核心是半導體集成電路，PN結是基礎。半個多世紀前，巴丁、肖克萊、布賴頓等三位物理學家發明了晶體管，標誌著資訊時代的誕生。從我們物理學家的眼光看來，這個嬰兒在娘胎裡至少孕育了20年。這就是說，20年代建立量子力學之後，物理學家發展了費米-狄拉克統計、能帶論，從此有了電子和空穴的概念。爾後用摻雜的辦法產生了N型和P型的半導體，這才為晶體管的發明打下基礎。
以上成果又是和一連串物理學家光輝的名字——薛定諤、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索末菲等聯絡在一起的。自從40年代末晶體管問世以來，60年代製成了集成電路，從70年代後期起，發展成為大規模集成電路，而後是超大規模集成電路，集成度以每10年1000倍的速度增長著。在有的人看來，物理學對高技術的貢獻屬於過去，今天我國發展高技術的關鍵在於新材料、新工藝。殊不知，微電子加工和分析手段本身，如離子註入、雷射退火、盧瑟福背景散射譜、俄歇電子譜、X射線發光光譜、二次發射離子質譜，以及高分辨的電子刻蝕、同步輻射光刻，哪一樣不是從物理學各分隻的實驗室裡移植到工業上去的！現在教育界大談素質教育和培養學生的創新精神，我想，20世紀高科技發展的事實證明，重大的創造來源於新的物理思想，否則只是“小打小鬧”，成不了大氣候。
2、物理學和其它自然科學的關係
談了物理學對高技術的推動之後，我們再談談物理學和其它自然科學的關係。
物理學和天文學由來已久的血緣關係，是有目共睹的。當今物理學的研究領域裡有兩個尖端，一個是高能或粒子物理，另一個是天體物理。前者在最小的尺度上探索物質更深層次的結構，後者在最大的尺度上追尋宇宙的演化和起源。可是近幾十年的進展表明，這兩個極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對密不可分的姊妹學科。
物理學和化學從來就是並肩前進的。自從伽利略、牛頓以來，物理學與天文學已是精密的理論科學，然而長期以來，包括化學在內的其它自然科學卻一直是經驗性科學。1998年的諾貝爾化學獎頒給了W.Kohn和J.A.Pople，以表彰他們在量子化學方面所做的開創性貢獻。頒獎的公報說，量子化學將化學帶入一個新的時代，化學不再是純實驗科學了。化學是研究分子的學科。此前，如果說物理化學還是物理學和化學在較唯象層次上的結合，則量子化學已深入到化學現象的微觀機理。近年來，量子化學、雷射化學、分子反應動力學、固體表面催化和功能材料等物理學與化學間的交叉學科，取得了長足的進展，今後兩學科之間的合作將更為興旺發達。
物理學研究的是物質世界普遍而基本的規律，這些規律對有機界和無機界同樣適用。物理學構成所有自然科學的理論基礎，其中包括生物學在內。物理學和生物學的相互滲透，前途是不可估量的。早在40年代，量子力學的創始人之一薛定諤在《生命是什麼？》一書裡預言：“生命的物質載體是非週期性晶體，遺傳基因分子正是這種有大量原子秩序井然地結合起來的非週期性晶體；這種非週期性晶體的結構，可以有無限可能的排列，不同樣式的排列相當於遺傳的微型密碼；……”他所說的這種“非週期性晶體”，就是存在於細胞核染色體中的DNA分子。1953年沃森(J.D.Watson，年青的細菌遺傳學博士)和克裡克(F.H.C.Crick，一位二戰前受過傳統物理學訓練的人，戰後轉為生物物理學研究生)共同發現DNA分子的雙螺旋結構。核物理學家伽莫夫(G.Gamow，大爆炸宇宙論的創始人)用資訊論的方法推測，DNA的遺傳密碼中，每個“單字”都是用三個“字母”組成的。這些推測相繼得到實驗證實，20世紀60年代三聯密碼逐一被破譯。薛定諤在《生命是什麼？》一書中還有另一段名言：“生命之所以能存在，就在於從環境中不斷得到‘負熵’”。作者還說：“有機體是依賴負熵為生的”。這就是生命的熱力學基礎。60年代比利時科學家普裡高津(I.Prigogine)的耗散結構理論，證實了薛定諤的預言。當前生命科學中分子生物學、量子生物學、遺傳資訊學、蛋白質結構等新興學科的研究正方興未艾。人們說21世紀是生命科學的世紀，一位物理學家則說，21世紀是物理科學全面介入生命科學的世紀。
1997年諾貝爾經濟學獎授予的項目，是一個對全球金融產生巨大影響的期權定價模型—BlackScholes公式。公式的主要創建人F.S.Black的學歷背景如下：1959年畢業於哈佛大學物理系，1964年獲該校應用數學系博士，1971年任芝加哥大學經濟系教授。可惜他於1995年去世，未能享受諾貝爾獎的殊榮。當前出身數理的人躋身於經濟學界的大有人在。
翻閱一下現在物理學的許多重要期刊，或看看許多國際物理學術會議的日程，就會發現，諸如蛋白質折疊、免疫網路、化學鍵斷裂、水土流失、交通堵塞等，大量本不屬於物理學內容的標題，赫然入目。人們不禁要問：“什麼是物理學？”的確，今天再從研究對象來回答這個問題已很困難。我們的看法是，不管什麼問題，當物理學家用物理學的方法去研究它時，就把它變成了物理問題。物理學，是一門理論和實驗高度結合的精確科學。物理學中有一套最全面最有效的科學方法。我們說，在對學生的科學素質教育中，物理課有著無可替代的重要作用，依就在於此。
3、對中學物理教師的要求
我認為，作一名優秀的中學教師，除了良好的師德之外，最重要的是兩條：一是先進的教育思想，二是較高的學術水平。
3．1 轉變教育思想
先談教育思想。過去比較重視知識傳授，現在提倡素質教育，其實兩者不應是對立的。學校的功能是傳授知識，脫離了科學知識的背景，科學素質教育是空的。在傳授知識的同時，應注意培養學生的科學素質。但絕不能把素質異化為知識，灌輸給學生。
科學素質教育中很重要的一點，是培養學生的創新精神。關於這個問題，我想借 楊振寧 先生的話來發揮。下表是 楊 先生為中、美教育所作的比較：
中 美
嚴格、堅實的訓練 不規範的訓練
謙虛和循規蹈矩 自大並充滿活力
小心謹慎、缺乏自信 勇敢、自信
興趣集中於相對較窄的領域 隨心涉足廣闊領域、興趣廣泛
被動 主動進攻
上表中的詞句是褒是貶，和我們中國教育的傳統看法恐怕有些出入。事物往往不那麼絕對，說褒貶參半也許更為恰當，不過這裡包含了中西教育思想上的重大差別。 楊 先生認為：“中國傳統教育提倡按部就班的教學方法，認真的學習態度，這有利於學生打下扎實的基礎，但相對來說，缺少創新意識；美國提倡‘滲透式’的教育方法，其特點是學生在學習的時候，對所學的內容往往還不太清楚，然而就在這過程中已經一點一滴地學到了許多東西，這是一種‘體會式’的學習方法，培養出來的學生有較強的獨立思考和創造能力。易於很快地進入科學發展的前沿，但不如前者具有扎實的根基。中美兩種教育方式各具特色，長短互補，若能將兩者的優點和諧地統一起來，在教育方法上無疑是一個突破。”
在我國，有一種普遍的提法:作為一名好教師應當“課堂上解決問題”，把所教的內容都“講深講透”，不給學生課後留下疑難，讓學生課後提不出問題。所以我國的教師都習慣於把知識組織得井井有條，對課程內容的每個細節作詳盡的解說，對學生可能發生的誤解一一予以告誡。我粗略地估計，同樣的內容，在我國現在課上所用的學時，至少比西方多50～100%。現代物理學中的新事物，怕不能講透而引起麻煩的，在課堂上寧可只字不提。這就是我國細嚼慢咽的講授風格，封閉式的教學方法。
著名理論物理學家和物理教育家韋斯科夫(V.F.Weisskopf)說：“科學不是死記硬背的知識、公式、名詞。科學是好奇，是不斷發現事物和不斷詢問‘為什麼，為什麼它是這樣的？’科學的目的是發問，問如何和問為什麼。它主要是詢問的過程，而不是知識的獲得（很可惜多數人認為是後者，而且是這樣教的)。”所以好的老師不是講得學生沒問題可問，而是啟發學生提出深刻的問題。長期以來在我國有種提法，即“培養學生分析問題、解決問題的能力”。我認為這個提法沒有說到點子上。“啟發學生提出問題的能力”才是科學素質教育的關鍵。偉大的科學家之所以偉大，往往就在這一條上。有一次記者問玻爾：“您可是那位知道科學中大部分問題答案的人？”玻爾回答說：“啊，不，不過也許我比別人多知道一點問題。”
國際物理教育委員會前主席焦塞姆(L.E.Jossem)說：“最好的老師，是讓學生知道他們自己是自己最好的老師。”亦即，老師的責任是教會學生自己去取得知識，老師教的目的是讓學生以後不需要老師。
以上是我們教育思想最需要轉變的方面。
教好物理學，關鍵是教思路，教方法，啟發學生“勤於思考，悟物窮理”，自覺地努力鍛煉自己自學的能力。鼓勵勤於思考，就要讓學生對新的概念、定義、公式中的符號和公式本身的含義，用自己的語言陳述出來。對於定理的證明、公式的推導，最好在瞭解了基本思路之後，讓學生自己背著書本演算出來。這樣學生才能對它們成立的條件、關鍵的步驟、推演的技巧等有深刻的理解。倡導悟物窮理，就要啟發學生多向自己提問：哪些是事實？哪些是推論？推論是怎樣得來的？我為什麼相信它？
3．2 提高學術水平
現在談中學教師的學術水平問題。
在教學中提高學生的素質，需要老師有較高的素質。提高教學水平的關鍵是師資的學術水平。學術水平高，教學水平不一定高；但學術水平不高，教學水平最多達到一定程度就飽和了，不可能太高。中學教師的學術水平怎樣才算高？至少應該是大學本科畢業。師範還是理科？我們的看法，師範物理系與理科物理系在學術水準上不應有區別。如果說要體現師範性，那就是在基礎物理方面對師範生的要求更高。
培養學生創新意識，更需要老師自己有過創新的經歷。從長遠看，中學教師應達到碩士水平，我指的是物理學碩士，因為在研究生階段才有真正從事創造性工作的經歷。現在許多中學為了對付高考，都在高中拿出一年的時間進行“題海操練”，學生沒有心思顧及與高考無關的問題。這種情況大大傷害了學生創造性的思維。這是一個社會性問題，我們已有另文評論，不在此地多說。正常的教育環境下，中學生思想應該很活躍，能給這樣的學生有效的指導，對教師的要求是很高的。就物理教師而言，真正理解中學物理的課程內容，要求對大學物理有較透澈的理解；能給學生一些啟發，教師要對物理學和其它科學的當代發展比較熟悉。
為了提高中小學教師隊伍整體素質，教育部提出中小學教師繼續教育的規定。《大學物理》本是針對大學物理教學的，從這個角度看，它正好能對中學物理教師的繼續教育發揮自己的作用。所以我們特開闢“中學物理教師繼續教育”這一欄目，以便在這方面作出我們的貢獻。
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