物理教学：应为学生的未来奠基＊——英国卡文迪许实验室考察感悟

徐 杰

（江苏省镇江中学，江苏 镇江 212017）

教育需要先进的理念和宏观的视野，否则，教学、人才培养将被窄化甚至异化.笔者对当下物理教学虽常有反省、隐忧，但从未深深刺痛和警醒，直到有下面这么一个机会出现.

2013年9月，笔者有幸参加了江苏省“人才办”举办的江苏省第10期创新创业领军人才英国高研班，培训对象是江苏省第4期“333高层次人才培养工程”第2层次培养对象.这次培训的目的是为深入实施科教与人才强省战略和创新驱动战略，加快推进人才国际化进程，不断提升本土人才国际化素质，进一步加强高层次人才队伍的建设.培训内容包括“开放式创新、高科技创业及高科技商业发展的轨迹、产业升级与战略重组、西方国家科技创新的政策和管理、英国高校产学研管理理论与实践、人才竞争与人才流动国际化”等主题.培训期间考察了卡文迪许实验室、剑桥科技园、圣约翰创新中心.其中，卡文迪许实验室给笔者留下了极为深刻的印象.

1 卡文迪许实验室概况

1.1 诞生

剑桥大学卡文迪许实验室于187l年开始筹建，是当时剑桥大学校长、第7代德文郡公爵威廉·卡文迪许捐资6300英镑兴建的，他是18～19世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家亨利·卡文迪许的远亲，事实上“卡文迪许”是家族的名字，所以，最后将这个实验室取名为卡文迪许实验室.［1］麦克斯韦被任命为首任卡文迪许实验室教授（相当于实验室主任），负责设计和装备实验室，1874年建成使用，隶属于剑桥大学物理系.第2任至目前第9任实验室主任分别是瑞利男爵、J·J·汤姆孙、卢瑟福、布拉格、莫特、派帕德、爱德华、弗伦德.

1.2 辉煌成就

130年来，在9任实验室主任的领导下，卡文迪什实验室在现代科学发展中发挥了特殊的重要作用，诞生了许多大家耳熟能详的重要发现和发明，培养了29位诺贝尔奖获得者（如表1所示）.这些重大发现不但打破了经典原子论的框架，改变了人类2000多年的物质观，而且将观念的变革扩大到生命物质的遗传机理，奠定了电磁理论、气体导电理论、物质电结构理论、X射线晶体物理学、原子物理学、核物理学、分子生物学、射电天文学、表面物理学和凝聚态物理学的基础.

卡文迪什实验室因此吸引了一代代优秀的青年学者和科学家“奔向剑桥”，她被誉为“培养人才的苗圃”、“世界物理学家的圣地”和“诺贝尔科学奖的孵化器”.可以说，卡文迪许实验室见证了英国科学研究和科技创新的历史与辉煌.

表1为卡文迪许实验室的诺贝尔奖获奖情况［2］.

表1

续表

1.3 研究领域

卡文迪许实验室发展迅速，目前，实验室的研究涉及4大前沿领域，即极端领域、材料领域、量子领域和生物学领域，［3］由这4大领域所属分支及相互交叉学科构成了包括天体物理学（含宇宙物理学、粒子物理学等），高能物理学，光电子学，结构和动力学，表面、微观结构和断裂研究，薄膜磁性研究，科学计算，原子微观光学物理，微电子学，纳米光子学，量子物质，凝聚态物质理论，半导体物理学，超导探测器物理学，生物和软系统部门，物理医学等研究方向、项目和团队.这使得卡文迪许实验室的研究呈现出多学科交叉、多元化、技术化和商业化的特点.

2 英国科技领先的文化溯源

2.1 英国的科技实力

英国诺贝尔奖获得人数仅次于美国，居世界第2.在世界最好的200所大学中，美国占据了75所，英国为32所，远远超过其他国家.对当今世界科技贡献最大的20所大学中，美国占了17所，其他3所是英国的剑桥、牛津和帝国理工学院.

受英国商业、创新和技能部（BIS）委托，爱思唯尔公司完成了《2011年英国科研现状国际比较报告》（International Comparative Performance of the UK Research Base），将英国与其他7个研究密集型国家（加拿大、中国、法国、德国、意大利、日本和美国）进行了对比，报告显示了英国科学与研究方面的实力在世界领先.［4］

从每年发表论文数量以及已发表论文的使用与引用率来看，英国都居世界领先地位，在2010年论文产出量居前5的美国、中国、英国、日本、德国等国中，根据论文的全球下载量，英国在科研人员的平均论文产出量、引用率和每篇署名论文使用率方面均高于其他国家，在世界上引用率最高的前1%的论文中，英国论文所占的比例达到了13.8%，仅次于美国.

同样，尽管英国科研经费投入的绝对值远低于美国、中国、日本和德国，但最新的趋势表明，英国单位科研投入的产出正在高出以上4国，在研发总支出（GERD）方面，英国单位投入产出的引用率也明显高于加拿大、中国、法国、德国、意大利、日本、英国和美国.

2.2 文化溯源

英国科技为何一直在全球领先？从文化的角度可以找到深层次的原因.

从历史的维度考察，以牛顿、法拉第、道尔顿、麦克斯韦等为代表的一大批英国物理学家几乎一直领导欧洲乃至世界的近代科学研究，英国一度成为世界科学研究的中心，卡文迪许实验室的发展就是很好的例证.自然科学的发展及其成就，特别是牛顿的力学和数学，为机器的产生奠定了科学理论基础，英国自然成为工业革命的发源地.英国人对科学实验的兴趣、对规律的探究、对知识的追求成为他们的文化基因，这也许是英国在相当长的时期内领跑世界的重要原由之一.

从现实的维度考察，由于大国纷纷崛起，英国“一枝独秀”的格局被打破，国与国之间的竞争日趋激烈，英国毫不例外地明确了科技创新的战略地位，意欲再创昔日的辉煌.在这种价值取向指导下，1994年英国政府首次公布了创新白皮书《实现我们的潜能——科学、工程和技术战略》，此后陆续出台了一系列清晰的政府文件，明确国家以创新为核心的新的科技发展战略.2000年7月，英国政府发表了《卓越与机遇——面向21世纪的科学与创新政策》白皮书，希望通过领先的基础科研和更加富有活力的技术创新，进一步提高科技进步对本国经济和社会发展的贡献.

3 卡文迪许实验室考察感悟

作为一名基础教育工作者，卡文迪许实验室给我们带来的震撼是无法形容的.教育究竟有何作用？卡文迪许实验室给笔者的启示是，物理教学必须基于更宏观的视野，融入更先进的理念，物理教学能在提高学生的创新能力方面大有作为，可以为学生更美好的未来奠基.

3.1 构建创新文化环境，为学生未来奠基

英国的学者为世界科技发展和人类进步做出了许多原创性的巨大贡献，如牛顿定律、生物进化论、蒸汽机、原子核、青霉素、国富论等等.这些成果的不断涌现，与英国的浓厚的创新文化氛围息息相关.剑桥大学的核心价值观的第一条就是“思想与表达的自由”（freedom of thought and expression）［5］.

因此，我们应当在物理教学中积极构建良好的创新文化，不断促进学生的创新意识生成、创新精神的树立和创新能力的提高、发展.

3.1.1 构建知识本位的文化环境

中国传统文化的奠基人大都为士人出身，他们不愿意从事繁重的体力劳动，提倡“学而优则仕”.这种情况今天仍存在，不管什么专业，大学毕业、研究生毕业甚至拿到博士学位，很多人的第1志愿都是选择当公职人员，使迫切需要创新能力的科技领域严重缺乏高水平的人才，影响国家的科技创新.

西方发达国家之所以创新多，从文化学根源上讲，西方文化奠基人的兴趣就是追求知识.他们把人生使命看作求真求知，把能为人类知识宝库增添多少新东西，看作是自己人生价值的象征，甚至把知识的多寡作为衡量人格高低的象征.在这种价值取向的影响下，西方不少知识分子对当官没有兴趣.提出“相对论”的大科学家爱因斯坦，深受犹太人拥戴.犹太复国后，很多犹太名人联名写信，吁请他回以色列当第2任总统，却被爱因斯坦拒绝了.

因此，我们的物理教学应该在挖掘物理学史丰富的教育资源和现代科技发展趋势的基础上，构建浓厚的知识本位的教学环境，激发学生追求真理、探求知识、献身科技的雄心壮志.

3.1.2 构建包容宽松的文化环境

在卡文迪许实验室从事研究的人员，从不贬低别人，只要是自己感兴趣的研究方向，总会受到鼓励，学术权威在研究过程中是与其他人平等的.卢瑟福认为在自由民主的气氛中，从事自己感兴趣的研究，会有较大的成功机率.卡文迪许实验室有两个习惯，一是每2周1次的卡文迪许物理学会，二是每天下午的“喝茶时间”.人们不分职务、级别的高低，学术权力的大小，一律平等地交流.我国著名科学家张文裕先生于1935～1938年间在卡文迪许实验室，并有幸成为卢瑟福的研究生，他深有感触地说：“一个研究单位的好坏，不在于出一两个人才，而在于建立一个优良的科学传统和学术环境.”［6］

创新、探索、求真，这是一种创造性的精神劳作，它不同于体力劳动的地方就在于它不可能在高压和威逼之下发挥到极至.包容宽松的学术氛围完全可以在物理课堂上营造.物理教师如同导师，应竭力废除“课堂霸主”的地位，创建愉快、宽松的教学环境，不断提供不同观点之间自由讨论、争辩、启发的机会，使学生明白答案并不是唯一的，真理与谬误总是相比较而存在，相斗争而发展的.在中学就让学生受到不同观点之间的相互尊重，相互宽容的人文熏陶，这有利于学生激发灵感，形成专心致志、互相启发、取长补短的学术精神.

3.1.3 构建宽容失败的文化环境

在卡文迪许实验室里，D NA结构模型的研究历经多次失败，中子的发现过程历经坎坷，类似这样的例子很多.纵观人类的创新史，任何创新都是一个极其艰苦的过程，都要经历艰难曲折的探索甚至磨难，不可避免地伴随挫折和失败.而且，探索过程的挫折和失败的次数总是要远远多于成功次数.卡文迪许实验室正是具有包容宽松的环境，才形成了宽容失败的研究氛围，最终沃森、克里克和威尔金斯因发现D NA双螺旋结构模型获得了1962年诺贝尔医学和生理学奖，查德威克因发现中子而荣获了1935年的诺贝尔物理学奖.

据了解，国际科技界人士都有一个共识：“允许失败”.他们相信大多数科技人员都具有良好的职业精神，失败都不是主观不努力造成的.这种理念极大地保护了科技创新人才的积极性，为其不断创新构筑了广泛的空间.

因此，物理教学应该大力提倡学生大胆探究、大胆表达、不怕错误和失败的良好学风，努力构建宽容失败的课堂文化，这对于学生今后的科学研究和创新具有深远的意义.

3.2 培养动手实验能力，为学生未来奠基

众所周知，物理学带动了科学和技术的发展，同时推动了文化、经济和社会的发展.物理学既然有如此巨大的作用和影响，那么，学习物理应当是一件充满智慧、挑战，令人激动和幸福的事，但是，有多少学生热爱物理、亲近物理？物理学是一门以实验为基础的自然科学，但是，物理实验是否都能开设到位？学生能否得到充分的实验训练和实验研究机会？当前物理实验对提高学生的科学探究能力和创新实践能力，究竟发挥着怎样的作用？这些问题的回答不容乐观.卡文迪许实验室的做法和成就能给我们启迪.

3.2.1 鼓励学生自制实验仪器

按照麦克斯韦的主张，物理教学在系统讲授的同时，还配以表演实验，并要求学生自己动手.表演实验要求结构简单，学生易于掌握.麦克斯韦说过：“这些实验的教育价值，往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制仪器，虽然经常出毛病，但他们却会比用仔细调整好的仪器，学到更多的东西.学生用仔细调整好的仪器易产生依赖而不敢拆成零件.”［7］

实验中所用的关键性实验装置都是由实验人员自己设计和制造.因此，许多非常有价值的物理实验用的仪器和设备都出自这里.例如，J·J·汤姆孙的阴极射线管、F·W·阿斯顿的质谱仪、C·T·R.威耳孙的云室、J·D·考克饶夫和E·T·S·瓦耳顿的高压倍加器等，至今还保留在卡文迪许实验室的博物馆里.日本现代物理的奠基人长岗半太郎在参观卡文迪许实验室后感慨地说道：“我被你们所用仪器的简单性和取得的光辉成就所震惊！”

纵览当下的物理教学，还有多少教师鼓励、组织学生自制实验器材？学生学习物理几乎只做一件事——解题.这种单一、枯燥的教学尽管能在高考中取得一点效益，但对学生的终身发展来说，我们可能丢掉了物理教学最宝贵的价值——科学素养的提高.

3.2.2 加强实验教学

卡文迪许实验室十分重视实验研究，放手让学生去思考和实验.究其原因，首任实验室主任麦克斯韦功不可没.他对当时大学里普遍存在着的粉笔教学进行了尖锐的批评.他说：“习惯的用具——钢笔，墨水和纸张——将是不够的了，我们需要比教室更大的空间，需要比黑板更大的面积."他提出了自制简单仪器和让学生自己动手实验的规则，这个规则后来成为实验室的许多传统.

卢瑟福在培养研究生时，凡属重要的实验，特别在发现新的现象时，他总是要亲自做一遍，以弄清楚真实情况.每当学生陷入错误的理论或对实验情况说不清楚时，卢瑟福就让他”回到实验室去重做实验”，卢瑟福告诫学生“搞实验和理论，首要的是实验结果的可靠性”，要学生一定要拿出可靠的结果来.［8］

无论是物理课程性质还是课程目标都明确指出，物理实验对提高学生科学素养、提高科学探究能力，进而提高学生的创新精神和实践能力，都具有非同一般的重要作用.我们千万不能把实验教学这一物理学科的本质特征给丢掉.江苏省镇江中学建设了包含10个不同层级的新型物理实验室在内的物理科学与技术实验课程基地，目的就是强化学生动手实验能力的培养，为提高学生的创新能力打好基础.

3.3 开展创新创业教育，为学生未来奠基

李克强总理在12届全国人大2次会议上所作政府工作报告指出，“神舟10号”遨游太空，“嫦娥3号”成功登月，“蛟龙”深潜再创纪录，这表明中国人民完全有能力、有智慧实现建成创新型国家的目标.创新是经济结构调整的原动力，要把创新摆在国家发展全局的核心位置，促进科技与经济社会发展紧密结合，推动我国产业向全球价值链高端跃升.卡文迪许实验室的创新创业价值导向或许对我们有启发、借鉴意义.

3.3.1 开展创新教育

卡文迪许实验室十分重视创新，使实验室永远处于科学发展的前沿，不断开拓重大的新领域.卢瑟福特别重视对学生创造能力的培养，反对学生跟着他的思想亦步亦趋.他领导和管理科研集体的成功经验之一是出好科研题目，鼓励助手和学生千方百计地进行创造性研究，保证他们在1-2年内作出成绩.他要求研究集体的每个成员必须有自己的新思想、新发现、新见解.久而久之，推动了研究集体的成员人人注意新发现，以新的观点审视过去的一切，培养了他们的独创能力.

物理教师开展创新教育，并非要求人人对学生进行系统的、理论的创新认知教育，而是充分利用好每一节课，创设良好的探究情境，激发学生的探究兴趣，强化学生的思维训练，鼓励学生提出新思路，激励学生根据爱好钻研课题.有了这样的认识和行动，学生的创新能力将会逐步提高，为今后的发展奠定良好的基础.

3.3.2 适当开展创业教育

卢瑟福对学生的创业教育非常关注，表现在他竭尽全力地鼓励青年科学家的自由创造，帮助学生确定研究领域.卡文迪许实验室是以研究核物理为中心的，但他却鼓励有才能的卡皮查去研究强电磁场、低温物理，让初露头角的阿普顿去研究大气电现象.正是由于他善于引导和发挥青年科学家的创造性，开辟新领域，抢占制高点，尽快实现科学转移，从而保证了科研集体的勃勃生机和活力.因此，20世纪初许多重要的物理发现都诞生于卡文迪许实验室就不足为怪了.

现在，卡文迪许实验室重视与企业的合作，合作项目有剑桥核能源中心、计算放射治疗的合作、与“日立”合作、与韩国科学技术院合作、与东芝合作等.［9］产业合作者和衍生公司相当广泛，例如天体物理学方面有剑桥定位系统；生物和软系统方面有联合利华，利弗休姆，ICI，飞利浦，雀巢公司，斯伦贝谢；半导体物理方面有东芝，卡文迪许动力，Teraview公司；固体物理和化学方面有防御评估研究机构，AWE，皮尔金顿，BAE系统公司；光电和微电子方面有精工爱普生，日立，剑桥显示技术，Plastic Logic公司；量子物质方面有Dryogenic公司；凝聚态理论方面有日立，朗讯，IBM分子模拟；粒子物理学方面有激光扫描，Camtology（数据处理）等.

可见，卡文迪许实验室秉承剑桥大学的使命“通过从事国际最高水平的教学和研究对社会做出贡献”.［5］既注重创新，也重视研发，为更多的科学家和学生提供创业的机会和途径，从而将科研成果更好地为人类和社会服务.

据了解，美国是较早在学校中进行创业教育的国家，从小学、初中、高中、大学乃至研究生，都普遍开设就业与创业教育课程.在日本，从1998年起，文部省就和通产省合作在小学开始实施“就业与创业教育”.法国一些地区近年来开展了诸如“在中学里办企业”、“教中学生办企业”等活动.

我们由此获得的启发是，物理教师应当适度开展创业教育，让学生了解创业的基本内涵和自主创业的意义及价值，明确创业者应具备的素质以及做好创业的准备.培养观察、体验、参与社会公共生活的能力，培养适应未来职业生活的竞争与创业能力.我们应当告诉学生怎样学会学习、学会生存、学会发展并建立相应的支持平台.告诉学生未来几年后将面临什么选择、如何选择——尤其是大学毕业后的创新创业.这样，我们给学生提供的教育服务可能更加丰富、更加优质、更具战略性，也才能真正为学生的未来奠基.

1 The Old Cavendish-“The First Ten Years”［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／history／old.

2 Nobel Laureates［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／history／nobel.

3 Staff by Research Group［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／directory／research-groups.

4 范英杰，鲁荣凯编译.2011年英国科研现状国际比较报告要览［EB／OL］.http：／／www.nsfc.gov.cn／publish／portal0／tab110／info19517.htm，2011-11-24.

5 The University＇s mission and core values［EB／OL］.http：／／www.cam.ac.uk／about-the-university／how-the-universityand-colleges-work／the-universitys-mission-and-core-values.

6 吴广宇.卡文迪许实验室为何成为诺贝尔科学奖的“孵化器”［J］.长江大学学报（社会科学版），2006（4）：129-130.

7 刘茂峰.世界著名实验室——卡文迪许实验室［J］.现代物理知识，2008（4）：54.

8 王荣德.卡文迪许实验室与诺贝尔奖获得者［J］.高等工程教育研究，1999（2）：77.

9 Collaborative rogrammes［EB／OL］.http：／／www.phy.cam.ac.uk／research／collaborative-programmes.