关于理科教学和研究的思考

目前在国内关于素质教育的研究和讨论越来越深入, 很多教育学家、老师、家长都提出了素质教育的内容和方法等。我们之所以掀起素质教育的大讨论, 是因为我们觉得我们的教育有问题。例如从小的方面讲, 我们的学生的学习压力很大, 往往陷入书山题海中, 对学生的成长造成了很大的负面影响。从大的方面讲, 我们从“五四”开始就高举科学大旗, 中国的教育学家和知识分子也是前赴后继、孜孜不倦地教书育人, 培养了大批祖国的建设者, 但是总有一个问题萦绕在所有中国人的心头, 那就是:作为创造和传承了五千年文明史的中华民族, 我们拥有那么多优秀的人才, 学习和研究西方的科学技术也已经长达一个多世纪了, 但是为什么没有自己培养出一个真正意义上的世界级的科学大师呢?当然, 这个问题是一个非常大的课题, 笔者在这里没有能力做深入系统地研究和论述, 但是在长期的工作和学习中, 还是总结和体会了一些方法和观念, 希望能够给读者朋友起到一点抛砖引玉的作用。

1 理科教学的内容与形式

在研究探讨素质教育的时候, 很多人会觉得, 如果要进行素质教育就不能仅仅教授学生语、数、外、理、化等主课, 还应该增加音乐、美术、体育等课程内容。这种想法在本质上没什么问题, 但是如果我们以为只要增加这些非主课的教授内容就实现了素质教育, 那就不对了。对素质教育的理解, 不应该单纯为多教授学生一些新的知识、技能和课程, 这样的认识很容易造成新的非素质教育。例如现在的学校为了实现素质教育, 大大减少了学生在学校的主课学习内容和作业, 但是作为家长却望子成龙, 在周末、假期为学生安排了大量课外辅导和课程, 钢琴、芭蕾、游泳、围棋等等不一而足, 学生过个假期往往比上学还累。笔者并不是想否定通过培养学生多方面的兴趣来提高素质的方法, 但是如果认为, 单纯想让学生多学一些东西而不考虑学生的实际情况和素质教育的规律, 其结果往往会事半功倍、适得其反。如果说素质教育不仅仅是课程多少的问题, 那么数理化等理科课程也就有如何进行素质教育的问题。

首先, 在理科教学中, 理科知识和理论的教授是不可缺少的, 并且由于理科知识理论的复杂、深奥, 由老师来主导课堂是合适的。有的老师尝试在课堂上让同学们自学, 但是如果自学的课堂太多, 可能会造成放羊的状态, 而且自学的效率和成果一般会很低, 自学了一天甚至没有老师的几句话深刻全面, 因此自学方法不宜在理科教学中大面推广。美国的教学时兴课外调研, 老师布置一个题目, 学生们通过调研得出自己的结论, 并在课堂上讨论。或许这对某些文科的教学有积极意义, 因为其结论可能不是唯一的, 有助于学生开拓思路。但是对于理科教学, 这种方法就很难应用, 因为理科的知识和结论是确定唯一的, 而所学习的知识和理论也是常识性和基础性的, 没多少可以调研的空间。也就是说, 素质教育在每门课里都应该有自己的规律, 那么理科的素质教育应该是怎样的呢?笔者认为理科的素质教育在本质上应该是一种感性教育, 而应试教育则背离了感性教育。

在理科中的感性是什么呢?让我们看图1的例子, 这是高中物理的一个普通题目。在解这个题目的时候, 我们首先对小球的物理运动过程会有一个认识, 即小球会沿着斜面从A运动到B, 然后小球会沿着圆形轨道运动到C乃至D。这种认识就是一种感性认识, 这种感性直接来源于日常生活的观察总结。我们解决和研究这个问题的时候, 就是讲所学的物理理论和公式与感性认识相结合, 将感性的东西通过数学的形式描述出来。如果没有这种感性认识, 尽管学习记忆了很多物理理论公式, 遇到具体问题还是不知道该怎样应用, 这是很多人在学习中遇到困难的根本症结。这种感性认识很大程度上是一种直觉, 例如这个题目在还没有列公式求解之前就能大体想象出小球的运动情况, 如果A点过低, 小球可能运动不到C点, A点高一点, 小球过A点后在某点会脱离轨道, A点位置再高, 小球会一直运动到D点, 如果小球与轨道有摩擦, 什么情况是静止摩擦, 什么情况是滑动摩擦, 只有有了这些感性认识, 数学公式才能写出来。所以说, 数学是描述物理过程的一个工具, 如果没有对物理过程的感性认识, 数学的工具也必然不会应用, 感性认识是进行理科学习的基础。

在理科教学的过程中, 除了培养学生的这种感性认识以及感性与理性的关联关系, 另外的一个重要任务就是将理性固化为感性。这就是将前人的知识和理论研究成果感性化, 不能将教学变成死板的照本宣科, 还要把理论产生的背景和应用场合讲清楚。

例如讲授牛顿第二定律, 就要首先告诉学生这个定律是研究物体的运动规律的, 研究物体运动与其所受到的力的关系。如果不讲这些话而直接把公式搬出来, 很容易把学生搞得云里雾里。此外, 数学是非常抽象的学科, 如果不能感性化, 就会非常深奥难懂, 不知道公式的目的和意义。比如微分, 如果将其定义的公式与物体运动的瞬时速度联系起来讲, 那么就会易懂、生动, 印象也深刻。其实微分就是牛顿在研究物体运动的时候创立的, 数学是用于描述物理过程的一个工具, 没有合适的工具, 牛顿就自己创造了这个工具。所以, 尽管数学问题更抽象, 但这种抽象还是源自实际的问题, 也完全可以实现感性化地教授。

一旦将理性和知识固化为感性认识, 在遇到与其相关的题目和问题时, 会很自然地想到用那些理论和知识来解决, 解决起来就会得心应手、游刃有余。比如遇到图1类似运动学问题, 就会自然想到牛顿运动定律和能量守恒定律等。

随着计算机的普及发展, 多媒体教学得到了广泛地推广。多媒体是对理科知识和理论感性化展示的一个非常有利的工具, 但是有了多媒体并不意味着感性化教学就能自动实现。例如, 如果没有将微分与速度或其它感性的东西联系起来, 多媒体所播放的内容可能与之前的教学在本质上没有多大差别。这里面的关键是把理科的知识和理论与感性的结合点抓住。

2 理科研究的方法和原则

笔者之所以看重感性化在教学中的作用, 是觉得感性是学习的内在动力。人总是愿意生活在感性世界里, 在感性世界里才有诗情画意, 才有喜怒哀乐。虽然人的生活离不开理性, 但是如果一个人只是生活在理性世界里, 无论什么事情都要问个前因后果, 做个理性分析, 甚至连吃饭、走路他也要想想人为什么和怎样做, 这样的生活不仅很累, 而且无趣, 甚至使人呆滞、发疯。

作为理科研究也应该遵循感性与理性的结合, 只有真正结合好了, 才能体味其中的乐趣。因此, 笔者认为感性是兴趣的重要源泉之一, 而我们知道, 没有兴趣是不可能很好地完成一项工作的。

牛顿曾经将他的成功归结为99%的努力加1%的灵感。在宗教里, 灵感或许可以解释为神灵感应, 但是在科研过程里, 笔者更愿意解释为灵敏的感觉和感性, 也可以说是一种直觉。在我们的教育方法和体系里, 我们往往非常注重99%的努力, 因为在牛顿的格言里其比重太大, 而往往忽视甚至有意忽略1%的灵感。如果1%的灵感真的可以忽略不要, 那么是否就意味着人人只要付出100%的努力就可成为牛顿了呢?所以这种灵感是至关重要的, 它决定着我们科研工作的方向。尽管这种灵感和直觉经常是错误的, 但是这总比没有方向好。科研的过程就是一个证伪的过程, 如果在这个过程中证明直觉是错误的, 那么反向思考往往可以得到一个正确的结论, 这在科技史上屡试不爽。胡适也曾经说过, 大胆假设, 小心求证, 也包含这个意思, 没有灵感或直觉的大胆假设只能是胡乱假设, 再怎么小心求证也不会有什么结果。

凯库勒发现苯环的故事就是科技史上关于灵感的最好广告。当时的化学家对苯的分子结构百思不得其解, 凯库勒梦里梦到了一条蛇首位相连, 醒来后豁然开朗, 经过计算分析就推出苯的分子结构是环形的。凯库勒如果没有这个关于蛇的灵感, 就不能提出苯分子的环形结构, 也就无从求证了, 可见灵感在研究中的作用有多么重要。

学习过程是理性固化为感性的过程, 与之相反, 研究过程是将灵感、直觉等感性的东西理性化的过程。比如还是图1的问题, 如果我们没有牛顿运动定律和能量守恒定律等知识, 要解决这个问题就是一个研究的过程。在实验观察中, 可以获得小球运动的感性认识, 将这些认识用数学公式描述出来, 精炼为更广适用范围的理论, 这个过程就是理性化的过程。数学工具的作用是将规律性的东西量化, 而理论的描述语言是将规律系统化。灵感的产生只是研究工作的开始, 而大量的工作是怎样将规律量化和系统化, 所以才有1%和99%的关系。

科技史上, 灵感在很多理论的理性化过程中没有在苯环的发明过程中那么灵活鲜明, 但是灵感在研究中的点火作用应该是勿庸置疑的, 可能是很多人没有意识到它的存在或是没有讲出来而已。

笔者并不想否认99%的那部分工作的重要性, 有太多的人对其中的方法进行研究、介绍和强调, 就没有必要在此重复了。

3 理科教学和研究的关系

很多时候我们会认为, 只要把知识和理论系统、全面甚至深入地传授给学生, 再教授一些研究的方法, 学生就可以进行研究了。然而实际情况往往并非如此, 正如上述的灵感在研究中的重要作用, 如果没有灵感的点火, 研究工作很难真正深入地展开。

所谓的灵感不是什么不可琢磨的东西, 本质上, 它不是什么神灵感应, 而是来自对自然界的仔细观察和深刻体悟, 这种观察和体悟是可以通过后天感性化教育来培养的。因此, 如果以研究为目标的教育应该是感性化的教育, 而感性化的教育必须建立在现有的知识和理论的基础上, 没有继承前人成果的研究是无源之水, 所以知识和理论的教授是非常必要的。

如果按照感性化方式进行教学和研究, 是否就一定可以产生大师呢?笔者仍然觉得未必, 但是不这样做, 产生的可能会更低。教育的目标应该是传承知识技能和培养研究的土壤, 大师所具备的某些必须的素质和特点不是教育所能赋予的, 有些是先天具备的, 有些是生长环境和经历造就的。但是教育毕竟可以提供大师生长的土壤, 有了这些土壤, 再加上自己的努力, 种子自然会长成参天大树。如果这个种子不是大树的种子, 再怎样人为培养它也长不成大树。所以, 笔者认为素质教育应该是因材施教, 而不是以家长的意志或未竟的理想为教育方向, 向学生强力灌输他不喜欢的东西, 如果是树种子就按树的方法培养, 如果是草种子就按草的方法培养。所以, 素质教育的根本不在于学多少东西, 而在于怎么教和学。

然而, 感性化的教育不可能排除必要的死记硬背和训练, 因为99%的努力是成功的条件。前人的研究成功和经验, 很多不是可以一步到位地进行感性体悟的, 而是需要死记之后进行慢慢体悟, 随着时间和经历的积累, 体悟就越深刻。例如中国的传统文化就是一种感性的、诗意的文化, 对涉世未深的孩童, 无论用什么教育方法也是很难体悟出其中的美妙和诗意, 而只能是先死记硬背之后, 再用时间慢慢体味其中的感性和诗意。

4 结语

从上面的讨论可知, 感性教育在教学和科研中的地位和作用是非常显著的, 是否进行感性教育是判断素质教育的主要标准之一, 如果没有很好的感性教育, 最终还会陷入应试教育的怪圈。感性教育不仅能培养合格的工程技术人员, 还能为科研人员的产生成长提供肥沃的土壤。

摘要：理科教学的质量关系到培养的工程技术和研究人员的素质, 而感性教育在理科教学和科研中有着非常重要的作用。感性教育是理科教学中的着眼点, 感性认识在科研中起到点火的作用, 因此, 除了理性以外, 感性教学与科研的另外一个非常重要的连接点。

关键词：素质教育,感性教育,理科教学,教学方法,科研方法

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