汪顺兴：让物理课回到实验中去

本刊记者_阎家珲 周春伦 供图_汪顺兴

理解科学，从理解伽利略开始

汪顺兴的获奖作品，实际是对物理教材一个小疏漏的弥补。

伽利略对自由落体运动的研究，人教版高中物理(必修一)教材将其单独列为一节，编者的原意在强调伽利略的研究方法，培养学生严谨的科学态度。但在执教过程中，汪顺兴却发现，最重要的实验验证环节被忽视了。整个斜槽实验仅用文字陈述，缺乏具体可行的实验方案。

那么，能不能设计这样一个教具，让学生能够直观准确地证明伽利略的研究结论：做自由落体运动的物体的瞬时速度与所用时间成正比？这是汪顺兴的“伽利略斜槽实验演示仪”诞生的初衷。

对汪顺兴而言，“重新发明教具”并不是全部意义所在，他更想让学生理解的是“真正的物理科学是如何开始的”。

史蒂芬·霍金所说，“自然科学的诞生要归功于伽利略。”在科学史上，伽利略（1564—1642）被称为“现代物理学之父”“现代科学之父”，可见其地位重大。但什么是科学？科学精神究竟如何培养？这位“赛先生”进入中国一百多年，人们依然争论不休。对于这些问题，汪顺兴说，“其实，理解科学，培养科学精神，首先就是从理解伽利略开始的。”

伽利略出生的16世纪，中国正值明清交替，也是西方文化大量传入中国的第一个时期。但此时传入的，更多是中世纪神学及其附带的科学知识。伽利略也是一位虔诚的天主教徒，在年少时，他甚至非常严肃地考虑过要做传教士，但后来受父亲影响，改为学医，后又学习数学和自然哲学。

伽利略从父亲那里继承更多的则是“对现有权威的怀疑态度、对精湛谨慎的、量化实验的价值取向、对时间或韵律的周期或是音乐性的欣赏，以及对数学与实验联姻的期望与启迪”。这其中，真正奠定伽利略科学精神的，正是数学和实验。

在伽利略的父亲、鲁特琴手、乐理专家温琴佐·伽利莱的时代，经过“奥卡姆剃刀”的争论，传统神学饱受怀疑、掀起了宗教改革运动，其中最核心的即是唯名论和唯实论的争议。按照唯名论的说法，“只有个别是真实的，抽象的概念是名（话语），于是单纯演绎往往会落空，分析、归纳、实验上场了……神学不管具体事物，那是人的知识范围，这一领域就划归科学了”。

伽利略的父亲可能进行了最古老的非线性物理实验，并有结果：就伸展的弦来说，音高与张力的乘方成比例。数学总是和音乐、物理有关系，这也是伽利略从父亲那里继承的科学的开始。

伽利略是当时思想家中明确宣称自然规律是数学性的。在《试金者》中，他写道：“哲学写在这本伟大的著作中，这宇宙中……它是用数学作为语言写成的，他的特性是三角、圆和其它几何形状……”他养成了一个奇特的能力，就是无视权威，特别是亚里士多德学派的权威，凡事都通过自己的观察和实验来验证想法。其中，我们提到的自由落体实验正是针对亚里士多德提出的。

“自然科学的诞生要归功于伽利略。”

汪顺兴参加科创大赛 ，展示”伽利略斜槽演示仪“

而在更广义上，他的观念更进一步推动了科学从哲学与宗教中分离出来，成为之后的牛顿（1643—1727）的“巨人的肩膀”。

从这个意义上讲，汪顺兴鼓励学生们回到实验中去，通过实验来探索科学，正是对伽利略科学精神的致敬。

Tips

汪顺兴“伽利略斜槽试验仪”的创新点：

1.使用光电门计，精度高，达0.01s，不影响小球的运动；

2.使用电磁继电器释放小球，让小球的运动和计时得以完全同步地进行，减少了实验的偶然误差；

3.将位移设置成1:4，得到的时间之比为1:2即可证明位移与时间平方成正比；

4.主板和计时器为无线连接，可将主板放在任意位置，方便投影实验结果。

回归实验，回归生活

正如伽利略所说，“真理不在蒙满灰尘的权威著作中，而是在宇宙、自然界这部伟大的无字书中。”

物理事实上是一门与生活密切相关的学科，对于它的学习自然也不应当停留在书本上。汪顺兴在教学过程中便十分注重引导学生观察生活，从生活中发现问题，并利用所学物理知识，提出可行的解决方案，从而培养学生的创造性思维、动手能力和科学精神。

比如，有学生在家里使用热水器时发现了问题：从打开水龙头到流出热水，总需等待一段时间，而在这段时间里，已经有不少干净的自来水被白白浪费。

在汪顺兴的鼓励下，学生们测量了热水器到水龙头的管道长度与直径，对废水量做了粗略估算：以一个家庭一天使用6次热水来计算，每天浪费的干净自来水在12～14L。由此推算一个家庭一年的废水量，那将是一个惊人的数字。更何况，不少家庭每天使用热水的次数，远远超过6次！

那么，有没有什么办法可以改善这一状况呢？面对如此“贴近自身又有意义”的问题，学生们甚至生出一股紧迫感，迅速在课堂上展开了“头脑风暴”：

“我觉得可以把热水器安装在离出水口近的地方。”

“如果每个房间都安装热水器，不但成本太高，而且废气不能及时排出，安全隐患非常大。”

……

最后大家得出结论，“要减少浪费，得从热水器入手，设计一种可以迅速加热的节能热水器。”而“用电”是最快捷且安全的办法。在方案设计的过程中，学生们就运用到了已学过的物理知识，比如用焦耳定律计算电热丝的阻值。

汪顺兴的办公室常常很热闹，一到下课就有学生主动来找他探讨问题。更多时候，汪顺兴只做点拨指导，尽量让他们自己去思考。

当大家运用“并联”“串联”等知识设计出节能热水器后，“不容易满足”的汪老师又提出新的问题：希望这个热水器能够有设置温度和自动断电的功能。

面对“傻眼”的学生们，汪老师说：“为什么大家无计可施呢？因为你们的知识储备还不够，还不知道电路设计、半导体材料的特性，所以不能设计出具有一定智能的热水器。”好奇心是学习的原动力，汪顺兴已经成功调动起学生们对即将学习的新知识的兴趣。

再比如，班里大部分孩子是住读生，大家在宿舍晾晒衣服时发现一个问题，成都的冬天太过潮湿阴冷，衣服总也晾不干。汪顺兴便和学生探讨如何解决问题。“晾衣服的原理就是水分蒸发，那就可以从水分蒸发的条件入手解决，比如温度、空气流动、表面积……”在汪顺兴一步步引导下，学生们通过反复试验，设计出了一种可调节转速的旋转衣架，并申请了国家专利；

还有学生发现擦黑板是件“麻烦事”，于是设计出“传送带”般的“滚动黑板”，在滚动过程中完成清洁，同时减少了粉尘对身体的危害，一举两得。这种“免擦无尘黑板”也申请了专利。

此外还有“转轴式防盗井盖”“墙体电源插座”“能伸缩的课桌”……不少出自学生之手的小发明，都申请到国家专利。“大胆假设、小心求证”，在汪顺兴不局限于教室和书本的物理课上，学生们“博学之、审问之、慎思之、明辨之”，最后“笃行之”。

“拥有科学精神，在生活中提出问题，勇于创新，未来就有可能为技术的革新甚至人类的进步作出特殊贡献。”这是物理教师汪顺兴的执着追求。

遇冷“新高考”，路在何方

梁昊是汪顺兴2010届毕业生，毕业后从事人工智能方面的工作，现为深度学习算法工程师。

在梁昊的讲述中，物理曾经是他最没有兴趣且最薄弱的学科，遇见汪顺兴之后才得到改变。在以“成绩说话”的时代，梁昊眼里的汪老师更像一个可敬的“奇葩”：不会布置写不完的作业，而是带着大家做实验、做小发明、参加科技展。

汪顺兴给梁昊带来的，不只是兴趣和成绩，更让他明白了“知识应该主动去获取，学而知之，而不可等到困而求之”。在观察中提出问题、创造性解决问题、信息的搜集、处理与运用能力，以及对“钻研”二字的深刻体会，都对梁昊之后的学习和工作起了非常重要的作用，人工智能就是在没有任何前人经验的情况下进行探索。

为了不过多分散学生精力，新津中学以选修课、一周两节的形式开设了创客教育。高一高二的学生也会利用寒暑假，进行科创研究。很多家长依旧担心影响学生学习，认为这些与高考没有太大关系。

汪顺兴说，“事实上，现在是有关系了。”自主招生历来偏爱“具有创新潜质，学科特长，全面发展”的学生，从2017、2018年各高校自主招生简章可以看出，科创类赛事奖项逐渐成为下一个“香饽饽”，60%～70%的高校认可创新奖项，尤其是青少年科技创新大赛、明天小小科学家等。

然而，在新高考背景下，物理学科正迎来最严重的挑战。

从第一批新高考试点城市数据来看，在“3+3”模式下，选修物理的人数从82%下降到40%，可以说是“断崖式下跌”。2017年浙江省29.13万考生中，选择物理的仅8万人，浙江某市甚至出现几百个学生报考物理的现象。上海选择物理科目的考生仅占总考生数的30%。

学生在汪老师的指导下进行实验探究

新津中学的创客空间

出现这种现象，一个很重要的原因是物理学科的难度大，需要学生投入的精力多，但很可能“吃力不讨好”。但是物理学科是奠定国家未来科技力量的基础。今年4月的“中兴事件”之后，中兴通讯董事长殷一民就表示将加强研发，求人不如求己。芯片是电子学科，而物理学是其重要的基础，人才的缺乏，投入的不够，只可能导致恶性循环。

2019年，四川也将进入新高考改革，挑战之下，汪顺兴的创新和尝试显得更有意义。同时，也正如陈俊发教授所言，提高科学意识比增加知识更重要，因为科学意识在决定人的行为动机方面比有限的科学知识发挥的作用更大。汪顺兴做的让物理回归到实验中的教学，就是一个很好的说明，学生的创新意识、科学精神会让他们更好地适应创新型社会并且做出有益、有力的决定。