理想在事业中闪光

理想在事业中闪光


 


这里记述的是宁波效实中学的姜水根老师。他是一个幸运的人,从小成长环境顺利,在小学和中学受到了良好的教育,又进入了一个理想的大学。在孩提时代萌发的、在学校生活中不断得到强化的那个念头,自然地变为了一个单纯的理想:以后当一名科学家,立志要把科学作为自己的毕生的事业。


当文化大革命来临并持续地冲击高等学校的教学秩序的时候,当毕业分配的巨浪把文革前末代大学生一律充实中学教师队伍的时候,姜水根的童年梦想突然被中断了。随着在中学工作时间越来越长,这个当科学家的梦想对于他则越来越远。姜水根无奈地、也是平静地接受了命运的安排。姜水根没有消沉,走上中学讲坛的他,像青年学生一样保持着强烈的求知欲望和饱满的工作热情。在他的头脑中深深地铭记着郭沫若校长作的校歌:“迎接着永恒的东风,把红旗高举起来,插上科学的高峰......”逐渐地他把这个希望寄托在他的学生身上,把一切献给人民的教育事业,把自己旺盛的精力投入到培养高素质的学生的教学工作中。


一、热爱学生,实施素质教育


姜老师认为,教师的师德跟教学业务、教学水平实际上是统一的。师德要求教师首先要爱学生,教师的所有工作,包括教改实践、对学生进行素质教育就是爱学生的具体体现。


为了培养学生的优良素质、创造才能,姜老师很早就注重素质教育,启发、激励、同学生分享成功的欢乐。那是发生上个世纪八十年代的事情。


1980年教动量守恒时,当时的实验条件还比较差,他是在讲台上用两个大小不同的木块在弹簧夹子作用下弹开时滑动距离的不等来定性地演示验证动量守恒定律的,姜老师上课时的全身心投入也感染了学生。有一个同学回家重复了那个演示实验并独具匠心地计算了木块在弹开过程中系统的重心是不动的,进而作出了一个想象,他是这样进行描述的:在平静的湖面上有n个相同的船,排成正n边形,每个船上有质量相等的人,他们分别用绳拉别的船,不管他们怎么拉,最后这些船会达到一点,那就是正n边形的中心。


当姜老师看到学生有这样的创造性的思想,兴奋极了,就好像看到自己的孩子得了什么大奖一样高兴。他在教研组内介绍了这个情况,得到了同行老师们的肯定,他又想到怎样来激励并教育班里的其他学生呢?


他在全班同学中宣传了这个同学的想法,着重表扬两点:第一董明同学想到用重复实验来验证物理规律,老师在课堂上做过的实验,他要回家再做一遍,这个重复实验在科学上是很重要的。第二他在进一步进行的理论研究中运用了思想实验,推导得到了一个新的发现,为了表扬他的这种精神,姜老师就用学生的名字来命名这个研究成果,当时社会上流传歌德巴赫猜想,他就把它命名为“董明猜想”。全班同学的研究劲头一下子被激发起来了。


半个月之后,另一个名叫张颍的女同学,在董明猜想的启发下得到了又一个研究成果。她说:“董明研究的是静止的系统,我研究的是运动系统。”她先给出了一个情景:在x轴上两个质量分别为的小球分别以速度运动,然后她计算了两个小球的重心的坐标,然后逐个地经过相等的时间t,再计算它们的重心的坐标,得出结论是:不受外力的系统,不管其内部是否发生碰撞,其重心的位置是做匀速直线运动的,速度等于(她进行了比较繁琐的运算推导),她还指出,董明猜想是她的一个特殊情况。


姜老师看到张颖的研究比董明的更深刻,在研究方法上,她以别人的研究成果作为起点,运用数学方法进行演算论证,得出结论之后还注意到对静止系统的包容性。她的结论实际上是大学物理中的质心运动定理。作为一个中学生把它推导出来了,实在是难能可贵。姜老师在班级里介绍她的成果时把它命名为“张颖定理”。用学生的名字来命名学生的学习和研究成果,对学生本人和其他学生都是极大的鼓舞,大大激发了学生的内在动力,使他们的志趣持久而坚毅。


从这里我们可以看到,姜老师对待学生,就像一个大哥哥看到自己的弟弟妹妹在比赛中得了一个什么大奖,就像一个年轻的爸爸妈妈看到自己的孩子学会了走路那样兴奋啊!


他对学生的成果是发自内心喜欢,促使他把上一届学生的成果介绍给下一届的同学,使他们互相启发,互相激励。姜老师在1986年教高二物理时进行学生分组实验“电容器放电测电容”,有一个名叫董一鸿的同学测得的数据如下表:






t/s




0




5




10




15




20




25




30




35




40




50




60




100






I/uA




175




130




102




80




60




50




41




33




23




15




10




5






 


   


    经过作图计算,他测得了电容器的电容为1800。他在完成了实验任务之后又进行了深入的研究,他在实验报告中这样写道:“...我从上面的数据中看出,每隔15s,电流强度减一半,我又查了许多不同同学的数据,似乎也有这个规律,即每过相同的时间,电流强度减为原来的一半,这与原子核的半衰期非常相似。”我们可以看到,董一鸿的发现,其科学过程与科学家的发现在性质上是相同的。


    姜水根查看了放电电阻是12,解了放电的指数衰减微分方程确证董一鸿实验无误。为了教育其他同学,他专门增加了一堂实验报告分析课。他在课堂上把这条规律命名为“董一鸿放电定律”,并着重指出董一鸿取得成果的原因有三条:(1)他实验态度认真,测量数据准确;(2)他学习基础好,知识面广,在分析数据时抓住主要方面;(3)他的机遇好,他实验用的电阻与电容值分别为12和1800,正好使电流的半衰期为15s(论证从略),使数据的规律可以恰能在表格上被观察到。科学家的成功往往有这三个因素。他告诉同学们,机会总是留给勤奋的、有准备的人。


姜老师把上面两个阶段的素质教育的阶段性成果写成论文《热情加认真培养学生的创造性才能》、《沿着科学家的足迹》分别在浙师大“中学物理教学和研究”杂志1987年第4期、哈师大“中学物理”杂志1987年第4期发表。


启发、激励学生进行研究性学习在宁波效实中学成为风气,产生了像黄志奇最速降线、沈晓冬恒星模型等成果,姜老师把它们编入了《关于物理文化对话》一书中(科学出版社2002年9月第一版,沈克琦教授主审)。


    姜老师逐渐体会到,失去了童年的当科学家的梦想,而去从事基础教育事业,自己的理想不能实现,但是可以让自己的学生实现当科学家的梦,希望寄托在他们身上。


二、教研相长,提升教学水平


姜老师认为,仅仅是努力地进行教学是不够的,而是应当不断地在教学中进行研究,教学和研究相长,不断提升教学水平才是真正对学生负责。姜老师是这样倡导的,也是这样身体力行的。


在上世纪80年代的上半叶,姜老师的研究重点主要是在课堂教学上,比如盖·吕萨克定律的教学、牛顿第一定律的表述分析、反电动势复习课的上法、练习分析实验数据的教学、在电场中移动电荷做功的教学等。就以在电场中移动电荷做功为例,教材在处理电场力移送电荷经过任意路径的时候求做功量,是把一条任意曲线进行微元分割成平行于电场和垂直于电场的锯齿形割线来无限逼近曲线。实际上这种逼近在科学上是有问题的,因为当曲线上的点取得无限多,即当锯齿形无限小的时候,锯齿形割线并没有逼近曲线。因为在微分的条件下,锯齿形割线与原来的曲线是同阶无穷小,而不是等价无穷小。这种逼近法实际上用在求变速运动的位移上是对的,那是曲边梯形定积分求面积的问题。而电场中电荷运动的任意路径的这种逼近是曲线积分的问题,应该在曲线上取点,并把这些点直接连接起来,用折线来逼近曲线。当曲线上的点取得无限多,即当每段折线无限短的时候,折线跟曲线是等价无穷小,这才是真正的逼近。然后再把电场力移送电荷沿折线做功的计算分析得到沿电场方向做功,这样才是严密的。姜老师在浙师大“中学物理教学与研究”杂志1982年第1期发表了《在电场中移动电荷做功的教学探讨》又在哈师大“中学物理”杂志1984年第1期发表了《两种逼近法》。就是今天,他的意见对于现行教材的修订完善也有参考价值。


80年代的下半叶到90年代,姜老师参加了浙江省教研室李国倩老师组织的研究小组,开始进行高中物理教育目标和方法教育的研究。在这个过程中认识了徐承楠、夏蒙森、吴家澍、郑青岳等老师。这一段的研究经历给姜水根的思想打下了很好的基础,使姜老师树立了教研相长的思想:搞教学必须研究,不研究不能进行高水平的教学;搞研究必须教学,没有教学实践就没有高水平的研究成果。在李国倩老师的领导下,这个研究小组对整个高中物理每个章节都进行教学目标和科学方法上的剖析,这个期间,姜老师思考了理想化方法、模型思想、科学史教学、科学方法的哲学原理等问题。对这些问题的思考,使姜老师对于高中物理教学的规律,尤其是内部规律有了更加深刻的认识。


教育的外部规律是指教育跟社会(政治、经济)、文化的关系问题,对于我们在课堂教学第一线的教师来说,更加关注的是教育的内部规律。高中物理教学的内部规律是物理教师、学生、物理教材三者的关系问题。姜老师的这些思考带着中学上课教师的深深的烙印。以万有引力这个章节怎么上课的问题为例,就涉及怎样处理牛顿的苹果落地故事问题,牛顿发现这个规律的必然性和偶然性的关系问题,牛顿的时空观、决定论思想等。这里不仅有教师课堂教学行为的研究,还有对教材的研究以及对学生的研究。经过深入思考的教师会对诸多的教学现象有深刻的认识。姜老师曾经说过,科学故事中再也没有苹果落地的故事那样脍炙人口了,物理公式中再也没有万有引力公式那样受人尊崇的。但是学生理解了吗?一个很简单的问题:一个质量为m的人站在地面上,地球质量为M,半径为R。这个人受到的地球对他的引力为,为什么可以这样运用公式呢?即使在最优秀的中学生中至少有百分之九十是不知其所以然的。万有引力公式可以运用于两个质点或者相距很远的物体。而人站在地球表面是什么情况呢?作为细长个子的人与看上去一马平川的地球的关系既不是相距很远(已经碰在一起)的两物,又不是两个圆球。要应用这个公式经过了两个处理:(一)均匀球体(把地球视为密度均匀或中心球对称)对球外物体的引力相当于把这个球的质量集中于球心对球外物体的引力,这是数学的计算(重积分)得出的;(二)经过这步数学处理之后,放在地心上的质点与人相距几千公里,这样第二步就可以把线度不足2m的人视为质点了,这是物理理想化的处理。


在李国倩老师的鼓励下,姜老师开始进行对称和科学美的研究。在1995年浙江教育出版社出版了他的专著《对称》,他多次在宁波的兄弟学校以及浙江省内外做了科学美的讲座。姜老师从音乐的节奏、旋律的既重复又变化,美术的透视关系的错落有致,诗词格律的粘对和对仗关系,从对称和破缺中体现了艺术的美。再谈到物理规律对于时间平移对称性、对于空间平移和旋转对称性、时间反演对称性,再谈到科学规律的对称与破缺,这就是科学美。有了科学美和对称性的深入思考,相当于从全新的视角对高中物理的所有领域重新进行审视。有了这样的观念,对于重复实验在科学史上的意义、对于参考系的变换、对于科学猜想和新理论的获得有了更加深刻的认识,也在教学层次上得到了突破提升。


姜老师在哲学上的思考已有多年,本世纪初对高中物理教学的诸多方面开始了全面的哲学上的总结。姜老师和他的主要合作者陈青华老师对高中物理教材从哲学思维的角度进行审视,从三个方面做了梳理:涉及古希腊的哲学的论述进行整理和思考;对教材中介绍的科学发展的一些典型的事例进行哲学的思考和概括;对教科书中几个有重大影响的科学家的哲学思想进行研究。在此基础上从哲学的高度对传统物理教学进行了关于科学史教育、科学哲学教育两领域的研究,并且在七个方面提炼了基础物理课程的哲学思想:(1)古希腊哲学的精神,(2)决定论和概率论,(3)必然性和偶然性,(4)形式逻辑和辩证逻辑,(5)量变到质变的机理,(6)科学精神和哲学精神,(7)绝对真理和相对真理。这项研究取得了包括理论与实践两个方面的成果。从2004年开始在陕西师大的“中学物理教学参考”杂志上开辟了《科学和哲学》论坛,逐月发表了15篇连载论文。


三、文理贯通,传承科学文化


出于对应试教育现状的忧虑,对传承科学文化培养学生全面发展的热忱,姜老师又开始了新的教改实践。这项研究是建设以物理知识为中心的文理贯通教育的校本课程。


现在高中教育的现状大家都是看到的:三年的教学任务在两年甚至更短的时间完成,大量习题和重复操练,对于上面来的任何试图改变应试教育的考试改革都能产生对策并找到所谓的教育科研的理论根据,应试教育的确是积重难返了。


姜老师试图从新课程的校本课程的途径,走出一条素质教育的路来。目前他正和他的同事们搞一项研究,试图建设一个校本课程。这项研究已经有两个理论上的基础:一个是前面所述的在陕西师大的“中教参”发表的科学和哲学连载论文,另一个是2007年开始的在苏州大学“物理教师”上发表的科学和文化连载论文。有了这样两个材料,加上多年的上课的积累,姜老师他们就开始构建这个校本课程的框架。以物理知识为中心的文理贯通校本课程由这样四部分组成:(1)古希腊文明,(2)历史上美丽的实验,(3)科学家的思维,(4)科学的文化背景。


在古希腊众多的辉煌成就中,哲学的成就最为突出。条理清楚、结构完整、系统性强的古希腊神话为古希腊哲学思想的形成打下良好的基础。作为西方“科学和哲学始祖”的泰勒斯提出了“水生万物,万物复归于水”的哲学命题,后继的哲学家又提出其他种类的本原。对科学和哲学发展来说,提出一个好的问题,比解答它更重要。古希腊的哲学家不满于传统的神话对自然现象的解释,而代之以理性的思考,他们关注自然,把自然当作研究对象,不求功利地探索各种抽象思辨的问题,这种古希腊人的理性精神对于当前我们培养学生的科学精神是有重大启示意义的。


物理实验史不仅记载了科学理论如何一步步取得重大突破,而且包含了物理学家为之付出的种种努力、面对困惑时的保守犹豫、经历失败后的冷静反思。进行实验史教学可以增加教学的人文内涵,促进学生理解物理学的本质。这部分内容的教学可以是静态的,也可以是动态的;可以是历史的,也可以是未来的;可以是自然的,也可以是社会的。它应该成为一个变焦镜头,扫视不同领域中的物理知识,还应该是一面广角镜,能拓展学生的思维空间。姜老师他们相信,“美丽的物理实验”的教学是一种“溶剂”,通过它能溶解学校文理分科带来的科学和人文之间的壁垒。


从文理贯通的视角来谈科学家的思维是一件很有意义的事情。学生比较熟悉的是许多科学家把毕生的精力致力于某项研究,乐此不疲,如焦耳历四十年之久探究热功当量。但是学生可能不了解还有许多科学家涉猎众多不同的领域,多有建树。如第一个测量地球大小的古希腊学者埃拉托色尼是诗人、语言学家和历史学家;第一个提出物质是由原子和虚空构成的古希腊学者德谟克利特是一个百科全书式的人物;有众多机械设计和发明的文艺复兴杰出代表达芬奇是文理兼容、精通艺术的全才;近代科学中提出物质波的德布罗意,他原来的专业是历史学。不论哪一类科学家,他们都有一个共同的特点:在科学史上,对科学问题的洞察力是超乎寻常的。学生在学习物理的过程中,很佩服科学家,他们好奇于科学家的脑子有什么特别之处,科学家的思维为什么与众不同。姜老师他们将与同学们一起追索科学家的思维方式和心路历程。


科学的文化背景的问题不仅在科学上是重要的,而且在教育上也是重要的。这就是文理贯通校本课程要谈论科学的文化背景的原因。西方文化是一种积极的、进取的文化,它征服自然、面向未来、永不停步。在当今这样的科学改变世界的形势下,我们东方文化应当有所改变。如果仅仅依靠老祖宗的经验,仅仅从《易经》或《论语》中寻找智慧,那是远远不够的。文理贯通的校本课程跟现行的物理课的不同之处是:从文化的视角来看科学,让学生看到西方科学文化不仅筑成了一座座丰碑,也形成了一个个灾难。我们不仅要培养一个用科学改善环境、改造世界的意志,也要有一颗敬畏自然的心。在这个基础上懂得:东西方文化分别在征服自然和跟自然和谐的问题上各树一帜,两者是不能互相替代的,而应当是并存的。


关于文理贯通的途径,姜老师提出了文史哲三条途径,且以历史为主要途径。这里的历史主要是科学史,这里的哲学主要是科学哲学,这里的文学不是全部的文学形式,而是诗歌。姜老师曾经将科学史上的许多物理学家及科学实验写成七律,关于他对诗歌在教学上的见解,可参见他在陕西师大“中教参”2010年第4期发表的《物理教学的诗情》,内有姜老师写的8首诗,其中7首是七律,1首格律比较自由的是歌。


姜老师的关于文理贯通的思考已经在浙江省内做过几场讲座,有的老师可能认为这样的选修课实施起来比较困难,对教师的要求比较高。姜老师他们用自己的行动表明,只要肯做,是可以实施的。目前姜老师跟他的同事一起,每人分担一个主题,已经完成了第一遍的校本课程的课堂教学实践。


姜老师借用科学学派的说法,作为一个优秀的研究组要出成果、出人才、出理论。姜老师希望效实中学的物理组也要这样。出成果是培养高素质的中学生,出人才是带出一支出色的物理教师队伍,出理论就是期望在将来能在教育理论上有所建树。


“迎接着永恒的东风,把红旗高举起来,插上......”姜老师说过,既然已经献身于人民的教育事业,那就让理想在事业中闪光。


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