物理课程思政教育的核心是科学认知能力培养

穆良柱

(北京大学物理学院,北京 100871)

本文将探讨“有学科特色”的物理课程思政教育。笔者认为:物理课程思政教育的本质就是物理认知(科学认知)能力培养,包括物理认知模型的构建(如何思考)、物理方法的训练(如何做事)和物理精神的养成(如何做人),实际上就是物理文化的传承。只有具备了这种物理文化,学生才有可能独立认知,形成独立人格,理解西方思想体系产生的背景,不盲从西方思想体系,理解中国特色社会主义道路的必然性,理解社会主义核心价值观,坚实走中国道路的自信。只有具备了有效认知能力,学生才有可能不仅照顾好自己和家人,还能立志报国,做好社会主义建设者和接班人。

1 从《高等学校课程思政建设指导纲要》看物理课程思政教育的基本内容

2020年5月28日,教育部印发了《高等学校课程思政建设指导纲要》(以下简称《纲要》)的通知[1],这是为了全面推进高校课程思政建设、深入贯彻落实习近平总书记关于教育的重要论述和全国教育大会精神的重要举措[2]。其中特别指出,“《纲要》根据教育教学规律和人才培养规律,结合学科专业建设特点,对课程思政教学体系进行有针对性地设计”[2],“使各个专业教学院系、各位专业课教师都能在课程思政建设工作中找到自己的‘角色’、干出自己的‘特色’”[2],“要在课程教学中把马克思主义立场观点方法的教育与科学精神的培养结合起来,提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力”[1],“理学类专业课程,要注重科学思维方法的训练和科学伦理的教育,培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感”[1]。

《纲要》中的指导意见基本明确了物理课程思政教育的基本内容。其中关于理科课程思政的几个关键要素有(这里暂时只讨论有物理学科特色的思政教育部分):马克思主义立场观点方法的教育,科学精神的培养,提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,科学思维方法的训练,科学伦理的教育,探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感。基于ETA 物理认知模型,可以清晰地分析清楚以上要素的内涵。

2 基于ETA物理认知模型的物理课程思政教育内涵

首先简要回顾一下ETA 物理认知模型、物理方法、物理精神、物理文化,再以此为基础分析物理课程思政教育的基本内涵。

2.1 什么是ETA物理认知模型

物理是人类在探索自然的过程中形成的认知,其中的关键是如何构建物理认知,也就是物理认知规律是什么。我们根据物理学家在实践中的尝试总结归纳出了一个认知模型[3-5],如图1所示。

现实世界的物理现象是复杂的,为了研究清楚,先要挑出最简单的研究对象,明确想研究的问题,然后用实验的方法观察其物理性质,并量化描述,之后再寻找这些物理性质之间的关系,即经验性的实验规律,这被称为实验物理认知,像盲人摸象一样去得到一些片面的、零散的认知。

但物理学家希望得到的是整头大象图像,即希望类比三角几何中公理化体系一样的认知,来构建对一个研究对象的系统化理解。因为这种认知方式不仅能找到不同经验规律之间的关联,还能构造最简化的理解,即只要承认几个公理,剩下的都可以靠逻辑导出。这时需要构建理想模型,再构建公理化认知体系。然而这种系统化认知是否正确呢? 从逻辑上说,无法证实物理认知是正确的,这时发扬积极乐观主义精神,退而求其次,用实验来检验其是否错误,只要还没错,就可以认为是有效认知,可以暂时使用。这就要求物理的认知必须是可证伪的,错误的认知迟早会被检验出来扔掉,而较可靠的物理认知是经过实验证伪检验的。这种构建有效公理化体系认知的过程称为理论物理认知。

实验物理认知和理论物理认知构成了科学探索的认知过程,其目标是对未知对象构建出有效认知。

一旦这个认知是有效的,就可以用它来解释这个对象以前发生过的所有现象,预言将来可能发生的各种现象,并在当下和研究对象进行有效的互动,甚至有效地利用这个对象的性质来做各种发明创造。这个过程被称为应用物理认知,对应的是技术应用。

图1 ETA 物理认知模型由11个具体步骤构成,可以划分为实验物理认知、理论物理认知、应用物理认知三个认知阶段。实验物理认知和理论物理认知对应的是科学探索,应用物理认知则对应技术应用

实验认知为构建理论认知提供了线索,并用来剔除错误理论,实验认知的结果也可以直接拿来应用。理论认知可以指导实验认知进行有针对性的探索,并解释实验认知,有效的理论认知才可以用到应用认知中。而应用认知中若发明了新的认知工具,或发现新的问题,又会反过来拓展实验认知和理论认知。这样实验认知、理论认知、应用认知就形成了既独立又交织的相互促进的循环,这种复杂的相互关系是导致我们很晚才发现物理认知规律的一个主要原因。

为了方便记忆,用实验物理(Experimental Physics)认知、理论物理(Theoretical Physics)认知、应用物理(Applying Physics)认知的英文首字母将物理认知模型命名为ETA 物理认知模型。这个模型实际上就是物理认知的规律,也就是关于“物理认知”的认知。

从实验认知到理论认知,再到应用认知,ETA物理认知模型提供了一个导航图,不再是漫无目的的盲目探索。

2.2 什么是物理方法

物理方法就是物理学家认知的方法,简单说就是物理学家怎么“做事”[6]。物理学家们在认知世界的过程中采用和发明了大量的有效方法,不同认知阶段采用的方法不同,从猜想到严格的数理逻辑都有成功的案例,甚至可以说物理学家“不择手段”地使用各种方法,之所以可以这么做,是因为有实验证伪保证错误的认知会被剔除掉。图2列出了与认知过程相对应的部分物理方法,详细的分析请参考文献[6]。

理解了物理的认知方法及其产生的背景,我们就应该明白物理方法的训练一定是结合认知过程展开的。不遵循这个规律,就会产生许多问题,舍本求末。

图2 与认知流程对应的“不择手段”的物理方法

需要注意的是,物理的认知方法,有的被反复地使用,具有普适性,称为常规方法。有些方法只有特定的人采用,或者适用特定的研究对象,称为非常规方法。常规方法是可以通过物理教育训练的,非常规方法需要做物理认知的人自我训练和不断发展新的有效方法。所以在物理教育中,既要通过大班教学、小班讨论等方式训练常规物理方法,同时又要给学生充分自由的环境发展其特有的非常规方法。

理解了物理认知过程中的物理方法,就能明白物理教育的重要性,一方面物理方法比数学的抽象逻辑方法更灵活,另一方面物理认知比一般学科的认知更完整,所以物理教育事实上能训练人的全面而系统的认知方法,也就是常说的科学方法。

2.3 什么是物理精神

物理精神就是物理学家在认知过程中形成的独立人格精神,简单说就是物理学家如何“做人”[7]。物理学家们在认知世界的过程中发明了大量有效的方法,形成了物理方法,利用这些物理方法,物理学家构建了对世界的认知,而认知的过程和结果又深刻影响了物理学家自身的行为和思想,认知者会反省自身,形成对自身的约束和要求,形成了物理精神。需要注意的是,物理精神伴随在每一步的认知目标中,不像物理方法是针对不同认知阶段的。

关于物理精神可以列举出许多,然而这些精神并不是孤立存在的,是有关联、有层次的。物理精神的建立都是围绕如何更好地建立物理认知而发展起来的,而随着认知的不断深入,物理精神也衍生出了层级结构。

图3给出了一个关于物理精神的示意图,追求真理、积极乐观、协作精神是在认知过程中随着认知的发展而逐渐建立起来的第一层级的精神,而每一种精神又会继续衍生出新的精神,详细分析参考文献[7]。

需要注意的是以上列出的是相对普适性较强的物理精神,学生可以通过接受物理教育而具备这些精神,而有些精神则取决于特定的文化背景和个人特质。这就是为什么我们可以培养物理学工作者,但是不能直接培养出一个爱因斯坦的原因。

2.4 什么是物理文化

图3 物理精神的示意图

从物理认知的起点出发,以ETA 物理认知模型为导航,就能理解物理认知是如何建立的,物理方法、物理精神是如何在认知过程中形成的,即物理学家是如何做事、做人的。而ETA 物理认知模型加上物理方法和物理精神就构成了物理文化的核心[5]。

实际上各种物理知识,及其应用产生的各种发明创造,都是物理学家采用物理认知模型,利用物理方法,秉持物理精神,去和客观世界打交道的过程中逐步发展出来的。

物理学家们正是在认同ETA 物理认知模型、物理方法、物理精神的基础上组成了物理社区,形成了物理学家的共同体,这种共同体甚至是跨越国界的。

关于物理的学习、教育、研究、评价、政策等相关的问题,原则上都应从这个核心出发去思考。

物理文化实际上代表了自然科学文化,物理认知模型其实就是科学认知模型,物理方法其实也是科学方法,物理精神也是科学精神。尽管我们不能通过教育直接塑造一个爱因斯坦这样的大师,但是一旦有了适合物理文化的环境,爱因斯坦们、诺贝尔奖获得者们会自己成长起来。

2.5 物理课程思政教育内涵分析

下面基于ETA 物理认知模型、物理方法、物理精神、物理文化的背景来逐一分析物理课程思政教育的基本内涵。

马克思主义立场观点就是始终站在人民大众的立场上。从ETA 物理认知模型可以看出,物理认知最早就是在人民大众与自然界客观物体互动的实践中建立起来的,而且现在物理认知的结果都是公开发表,作为全人类共同的知识财富,所以物理认知者本身的立场观点和马克思主义立场观点是一致的,一切为了人民大众更好地认知这个世界。

科学精神一般是泛指,包括了哲学、数学、物理等学科中的做人准则,原则上真正的科学精神应该是所有这些学科共同遵守的做人准则,但物理教育中,我们只能具体到物理精神层面,所以科学精神的培养就是物理精神的培养。而之前的研究和分析已经说明[7],物理精神是为了完成ETA物理认知而采用的做人的要求,主要有哪些要求都是已经分析清楚的,而不是仅仅停留在概念层面。

而关于如何提高学生正确认识问题、分析问题和解决问题的能力,ETA 物理认知模型给出了详细的导航图,并针对每一步的认知给出了有效的常规方法,相当于非常明确地教会学生如何提出问题、分析问题、解决问题,而不是自己盲目探索,这样就可以提高探索效率。

科学思维方法其实就是ETA 物理认知模型和物理方法的代指。思维方法通常指的就是如何思考,之所以用思维方法这个模糊的词语,是因为以前无法清楚地说明其内涵。而有了ETA 模型之后,可以清楚地给出思考的导航路径,并且对实现每一步的思考都给出了参考的常规有效方法。

科学伦理中针对的造假、剽窃等不道德行为,其实就是对做人的要求。基于ETA 认知模型,我们知道物理学家做人的要求中就有实事求是、公正等精神。之所以不能造假,必须实事求是,就是因为物理认知面对的是客观世界,造假迟早会被实验证伪。而之所以不能剽窃,是因为现代物理研究基本都需要团队合作完成,物理学工作者们已经形成了一个共同体社区,而在团队合作中,一个人如果不能公正地评价和对待他人,那么没人愿意再和他合作,尤其是涉及剽窃他人工作成果的,会直接被“社会性死亡”。

探索未知、追求真理、勇攀科学高峰其实说的都是一个意思。因为追求真理的过程就是探索未知,是对未知的研究对象构建出所谓的“真理”(我们能做到的其实是构建有效认知,并不是大家通常理解的正确不变的真理)。而勇攀科学高峰就是针对未知研究对象不断实现还没完成的认知目标,也就是完成追求“真理”的过程。这其实就是ETA 物理认知模型对做人的最基本要求,没有探求真理的需求,就不会有物理认知了。

而责任感和使命感涉及的是物理认知驱动力问题。物理认知需要投入足够多的时间和精力,是很漫长的过程,没有足够的驱动力,实际上无法坚持下来。驱动力可以有很多,可以是亚里士多德式的好奇心驱动,也可以是国家民族危亡时挺身而出的爱国责任心驱动,还可以是关键技术被卡脖子时的民族自尊心驱动。这些驱动力的本质其实都是生存需求,也就是人作为生命的个体或者整体,想要学会和自然界打交道,从而生存下来的一个自发需求。这实际上是人类认知的起点,也是ETA 物理认知模型产生的源头。

通过以上分析,我们就能清楚地看到,有“学科专业建设特点”的物理课程思政教育,其实质就是物理文化传承。其核心就是学会物理认知,也就是科学认知,具体的就是ETA 物理认知模型的构建,以及相配套的物理方法训练和物理精神养成。做到了物理认知能力培养,物理课程思政教育的主要目的就达到了。

3 如何做好物理课程思政教育

理解了物理思政教育的核心,结合ETA 物理认知模型,就立刻能理解如何完成物理课程思政教育。那么如何做好物理课程思政教育呢? 其实就是按照物理认知规律教学,即ETA 物理教学法[8]。也就是将物理知识整理成一个一个的ETA 物理认知案例,让学生在与研究对象互动中掌握认知模型、认知方法、认知精神。完整掌握了物理认知能力,学会了做人做事,《纲要》里的课程思政教育要点就自然完成了。

例如,在文献[8]中就以牛顿第一定律为例,介绍了如何对最简单的匀速直线运动进行认知。在整个案例中可以看到,利用分类法、简化法可以挑选出不受外力的小球作为研究对象,利用极端条件法推测从斜面下落小球在不受力的极限下做匀速直线运动,从而完成实验物理认知。还可以看到牛顿用还原法将小球简化成质点模型,并将惯性运动作为公理来解释匀速直线运动的实验现象,而我们采取怀疑的积极探索态度用特例法发现,质点在球面弯曲空间中惯性运动不走直线,不遵守牛顿第一定律的一般表述,从而发现第一定律的认知边界是在平直时空内,而不适用于弯曲空间,从而完成理论物理认知。一旦有了有效理论认知,又可以用质点匀速直线运动组合出任何物体的匀速直线运动,还可以将质点的任何运动用微小的匀速直线运动叠加,就可以完成应用物理认知。通过以上的按照ETA 物理认知模型导航完成的认知尝试,马上就让我们理解到牛顿第一定律的本质其实是用一个实验定律来说明时空是平直的,这和传统的理解显然不同。而对于平直空间外的弯曲空间,物质运动规律则需要重新构造,这就是广义相对论要解决的问题。显然这个案例中,需要学生理解认知模型,学会一定的物理方法,体会物理精神。利用好认知规律,才能构建出自己的理解,这时才能不盲从他人,不再会简单地认为第一定律是第二定律的特例,或者认为第一定律是为了引入惯性概念。

ETA 物理教学法在思政教育上的另一重要价值在于:一旦学生具有了物理认知能力,就可以对世界进行有效认知,形成世界观;对人生进行有效认知,形成人生观;对什么是重要的进行有效认知,形成价值观。从而形成自己的独立三观。学生一旦有了独立的认知,就不再会轻信他人,会了解自己想做什么,能做什么,会独立选择该做什么,不该做什么,只有这样才能被称为有独立人格。然而没有认知能力,不可能奢谈人格。因为这些认知能力,人才具备了基本尊严。为什么要用物理的认知能力? 因为这是迄今为止,人类最有效的认知方式。

这正是北大蔡元培先生说的“人格”教育,也是思政教育的重要内容。因为只有具备科学认知能力和独立人格,学生才不会盲从西方道路,才能深刻理解在党的领导下走中国特色社会主义道路的必然性、以及社会主义核心价值观,才能真正坚持“四个自信”。

有趣的是,ETA 物理教学法提出过程本身就是一个独立认知的案例。实际上ETA 物理认知模型就是对力学、热学、电磁学、量子力学等学科的认知过程进行观察研究,进而总结归纳上升为公理的模型。为了证伪检验,笔者用这个模型做指导,在教学、科研、研发中都做了尝试,都取得了不错的结果。ETA 物理教学法实际上就是ETA物理认知模型在教学中的应用推论。这个教学法不是照搬国外的教学法,也不是基于片面的认知心理学规律,而是基于普适的物理认知规律,是中国人自己独立提出的物理教学方法,有着可靠的理论基础。这个教学法在北京大学经过了教学实践检验,受到学生的欢迎,满足《纲要》里对课程思政教育的要求。适合自己的才是最好的。

4 物理课程思政教育的现实意义

4.1 大学生“空心病”的原因

现在大学生中经常出现抑郁的心理问题,也经常出现对生命意义的质疑,甚至出现人生观、价值观的偏差,这些被形容为“空心病”,这也是为什么国家强调思政教育的部分原因。从根本上说,这是因为学生认知模式出了问题。

中国早期科技比较落后,所以那时最有效的认知模式是应用认知模式,也就是学会先进的科技知识,然后应用。为了满足这种需求,物理教育对应的变成了应试教育,这种教育非常成功,一大批能快速学习新知识的人才脱颖而出,帮助中国快速赶上了发达国家。但同时也带来了相应的副作用,即面对未知对象的创新能力不足,也就是钱学森之问提出的问题。

应试教育下,学生认知模式单一,只会线性逻辑思维,这种方式在中学可以很成功,因为面对的问题都是事先设计好的可解决的问题。但在面对大学学习的问题,甚至人生的问题时,这种认知方式就显得无效了。因为这些问题都有一定的未知性,需要的是探索性的实验物理认知与理论物理认知模式。而一旦认知无效,学生就会失去自信,开始焦虑、压抑,质疑生命的意义,甚至失去分辨能力,易被极端宗教、西方舆论等灌输错误思想,出现人生观、价值观的偏差,部分还会出现抑郁症等精神疾病。

为了有效解决学生中的这些问题,最有效的方式就是教会学生物理认知的能力,转变认知模式,有效应对探索性的难题,形成适合自己的有效独立认知。只有具备了有效认知能力,学生才有可能不仅照顾好自己和家人,还能立志报国,做好社会主义建设者和接班人。

4.2 培养面向未来的学生

目前中国科技已经从改革开放之初的模仿追赶模式进入了创新模式,而国际竞争压力的加大使得一些领域已经开始切断中西方先进科技的交流,这就需要新时代的中国科技人才具备对未知领域的独立科学探索能力。从ETA 模型中马上就可以看出,这就需要在实验物理认知能力和理论物理认知能力上加强对学生的培养,因为这两种能力对应的就是科学探索能力。这恰恰是物理教育最擅长的,所以国家对物理认知能力的教育需求越来越急迫,因此培养面向未来的学生就是物理教育最应该担负起的责任。

实际上,物理课程思政教育的提出也是这种需求的体现,也就是对能引领未来的创新型社会主义建设人才的渴求。现有的应用认知教育模式显然不能满足这种需求,只有分析清楚物理认知的本质,由此快速调整物理教育模式,发展面向未来的物理教育,也就是将实验物理认知模式、理论物理认知模式、应用物理认知模式并重,才能培养出真正适应未来、引领未来的社会主义建设者与接班人。

我们之前近20年积累的关于物理认知规律的研究恰好已经为未来物理教育做好了理论准备。由此提出的ETA 物理教学法,不仅能全面培养学生物理认知的能力,特别是弥补和加强科学探索能力的培养,满足国家对创新型人才的需求,而且将学生学习、教师授课、应对考试、研究生涯等过程全部统一,有效解决了成绩好的学生不会做研究、研究好的教师不会做教学(或者反过来)、素质教育与应试教育对立不兼容等各种问题。

5 结语

综上,我们看到,基于ETA 物理认知模型,可以发展出物理方法、物理精神,形成物理文化。基于此背景对“有学科特色”的物理课程思政教育进行分析,可以发现,物理课程思政教育的本质就是物理认知(科学认知)能力培养,包括物理认知模型的构建(如何思考)、物理方法的训练(如何做事)和物理精神的养成(如何做人),实际上就是物理文化的传承。

只有物理教育做到了物理文化的传承,学生才有可能具备科学认知能力,进行独立认知,构建出世界观、人生观、价值观,进而形成独立人格。只有具备了独立人格,才能辨别是非,独立选择,理解西方思想体系产生的背景,不盲从西方思想体系,理解中国特色社会主义道路的必然性,理解社会主义核心价值观,坚定中国道路的自信。只有具备了有效认知能力,学生才有可能不仅照顾好自己和家人,还能立志报国,做好社会主义建设者和接班人。这和中国传统文化中,格物、致知、诚意、正心、修身、齐家、治国、平天下的人生成长道路是一致的。

希望能有更多的人理解物理文化,从而在物理教育中传递物理文化,在物理研究中发展物理文化,在政策制定中保护物理文化,在国民大众中普及物理文化。通过物理文化的育人作用形成更加健全的人格,最终将物理文化,也就是科学文化,融入中国文化。