计算物理教育的逻辑起点、途径及未来图景

项华 曾子珉 刘靖怡

【摘 要】物理学是一门介于哲学与自然科学之间的学科，研究物理教育创新，能够带动未来教育守正创新。继实验和理论两种科学形态之后，现代科学出现了第三种形态——计算，物理教育可以划分为实验物理教育、理论物理教育和计算物理教育。本文给出了计算物理教育的定义;并依据质的规定性将“基于普适计算与物理学的教育活动”作为计算物理教育的逻辑起点;最后，结合实践提出了四条实施计算物理教育的建议，即加强普适计算认知，打破传统学科壁垒，转变主流教学范式，探索新物理教育与研究范式等。

【关键词】学科教育创新;计算物理教育;逻辑起点;跨学科性;创新人才

【中图分类号】G40-05  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）02、03-102-05

纵观人类社会发展史，显性科技创新始终是推进人类社会发展的第一动力。比如，蒸汽机开启了机械代替体力的“蒸汽时代”，极大地提高了生产力和生产效率。电气化开启了“电气时代”，为进一步代替体力提供了新能源。特别是20世纪中期，计算机开启了“信息时代”，技术的主流发明和应用开始转向人的脑力延伸，很大程度上改变了人类生存的外部环境，即从原始社会的“自然环境”，过渡到工业社会的“自然环境或者人工环境”，如今开始走向智慧社会的“自然环境、人工环境或者数字环境”。智慧社会环境由物质层、感知层、网络层、平台层、应用层等构成，具有高度的智能性、复杂性和不确定性。普适计算（Pervasive Computing/ Ubiquitous Computing）简称计算，它与泛在感知就像水和电一样无处不在。

智慧社会环境的构成单位是原子、基因、神经元和比特，分别对应于纳米科技、生命科技、脑认知科技和信息科技四大核心领域，其聚合将会加速技术进步，并可能会再次改变我们的物种，其深远意义可以媲美数十万代人以前人类首次学会口头语言[1]。

面对新挑战，联合国教科文组织于1996年提出了教育的四大支柱，即学会学习、学会做事、学会与人相处和学会适应。数字技术深刻地改变着人类思维、生活、生产、学习方式。全面数字素养与技能日益成为国际竞争力和软实力的关键指标。所谓数字素养是智慧社会公民學习工作生活应具备的数字获取、制作、使用、创新、安全保障、伦理道德等一系列素质与能力的集合。

党的十九大提出了“数字中国”和“智慧社会”的建设目标，培养创新人才成为焦点问题，核心素养、学科核心素养已经成为各级各类教育的目标，教育实践呼唤新的教育理论。传统学科教育在工业社会中发挥了重要的育人功能，但是智慧社会的学科教育创新基石是什么？什么才是把握住了本质的、遵循社会与个人发展规律的学科教育创新？学科教育创新的途径与方法在哪里？下面探讨诸如此类的问题。

计算物理教育的由来

从物理学发展的视角来看，计算的科研必要性日渐凸显。第二次世界大战期间，美国“曼哈顿计划”研制原子弹的过程中面临巨大的计算量，科学家开始利用计算机研究物理问题，这是计算物理的开端。随着计算技术的发展，计算在物理领域的应用越发广泛。如今计算物理已和实验物理、理论物理并列为现代物理的三大支柱，形成了计算物理的方法，并逐渐应用到社会科学问题的研究中。

从教育的视角来看，计算在素养（Literacy）中的地位不断提高。最初的素养仅限于简单地读和写[2]，代表运用人的肢体功能进行观察与表达。但是，联合国教科文组织于1948年将素养视为一项教育权利，素养从个人走向社会。同时，随着计算机的诞生，计算开始成为素养中的一个重要元素，代表运用人脑及电脑进行思维的延伸[3]。早期的计算只是物理教育中的部分内容和辅助物理教育的手段。在20世纪80年代初，美国哈佛大学已开设计算物理课程;2010年，教育部正式将计算物理列为物理本科生必修课。21世纪以来，素养进一步发展出核心素养、学科核心素养，计算也延伸出逻辑判断、深度学习、人工智能等新的内涵。普适计算与泛在感知已经成为核心素养的必要条件，计算不只是辅助手段，而是发挥着促进认知与情感激励作用[4]。

总之，通过梳理不难看出，普适计算已经成为各级、各类教育中的重要内容和教育手段，可以将计算物理教育定义为“以普适计算和物理学为载体，以提升学生核心素养和创新力为目标开展的跨学科教育活动”。计算物理教育是计算教育学的下一层级概念。计算物理教育、理论物理教育和实验物理教育构成了物理教育，其存在基础是普适计算和泛在感知环境。计算物理教育具有跨学科性，其教育目的是提高物理学科核心素养和创新人才培养，其核心是提高计算思维水平。通过计算物理教育，个体可以随时随地、透明地获得数字化的服务[5]，提升综合运用实物工具、学科理论工具、计算工具解决复杂问题的能力。

计算物理教育的逻辑起点

每一个理论体系都有各自的逻辑结构，因而必定有一个逻辑起点。逻辑起点是理论体系的起始范畴、始自对象、思想和思维的起点，一般涉及到理论研究对象、研究内容及其本质的分析。逻辑起点的差异性决定了理论体系性质的差异，其合理性制约着理论体系的推演过程，其科学性影响着理论体系的发展并直接关系到该理论体系指导下的实践的成败。

确定逻辑起点的依据主要包含黑格尔在《逻辑学》以及马克思在《资本论》中提出的质的规定性，主要包含以下三点[6]：第一，逻辑起点是最直接、最简单、最抽象的规定，它本身不需要说明，但是可以用来解释整个理论体系中的其他内容。第二，逻辑起点“不以任何东西为前提”“不以任何东西为中介”“没有依据、或者说其本身就是依据”。可以理解为逻辑起点是演绎的最初始的依据，本身不需要证明。第三，逻辑起点也应该是历史的起点，因为在科学理论上作为开端的东西，其在历史上也是最初的东西。

本文根据计算物理教育的本质内涵，提出其逻辑起点为“基于普适计算与物理学的教育活动”，并以关于质的规定性为判断依据进行验证。

1.计算物理教育的逻辑起点：基于普适计算与物理学的教育活动

计算物理教育作为教育学下位的一个三级概念，一方面，其逻辑起点必须与教育学的逻辑起点具有共性，即计算物理教育的逻辑起点也应该属于“教育活动”。另一方面，计算物理教育的逻辑起点必须具备其自身特点，这是区别于教育学其他下位概念的根据所在。

何克抗教授提出教育学的逻辑起点是“教育活动”[7]，而计算物理教育区别于其他概念的地方在于利用普适计算和物理思维来赋能教育活动，培养创新人才。基于上述分析，可以将计算物理教育的逻辑起点表述为“基于普适计算与物理学的教育活动”。

2.对计算物理教育逻辑起点的验证

基于质的规定性对计算物理教育的逻辑起点进行验证。

第一，“基于普适计算与物理学的教育活动”是计算物理教育理论体系中最简单、最抽象的规定。一方面，它本身是无需说明的，例如，若要说明“基于普适计算与物理学”是什么，需表述为“借助计算机科学与物理学科领域的思维和研究方式”，要比逻辑起点中的表述复杂得多。另一方面，它可以用来说明借助普适计算和物理思维进行的一切教育活动，例如利用频闪截屏进行加速度的探究、利用虚拟仿真实验探究α粒子散射等。可见该逻辑起点符合第一条规定性。

第二，将“基于普适计算与物理学的教育活动”作为初始依据，可以演绎出整座计算物理教育的大厦。比如，可以演绎出以普适计算与物理学为基础的“教”“学”“管理”以及整个“泛在学习空间”。再比如，以具体案例进行划分，可以产生“虚拟物理实验”“人工智能物理学伴”等概念。可见“基于普适计算与物理学的教育活动”符合第二条规定性。

第三，从计算物理教育的历史发展分析和定义中可以看到，计算物理教育的本质目标是提升学生的创新思维能力、实际问题解决能力及物理学科核心素养水平，普适计算与物理的思维是适应现代环境的两个重要载体，又因为教育本身是一种社会活动，是一种以活动形态表现出来的社会现象，所以逻辑起点和研究对象在历史起点上是一致的。

计算物理教育的实施途径建议

1.加强普适计算认知，提高个体实际的或者复杂的问题解决能力

首先，计算具有普适性。教育分为实验教育、理论教育和计算教育。因此，应该在各个学科课程标准中都引入计算的概念、思想和方法。其次，在实施课程标准的时候，应该从基于计算手段创新教、创新学、创新管理和创新学习空间探讨新的教学途径和教学方法，更好地实现计算赋能教师和学生。

计算作为现代科学的新形态，既是学科核心素养的重要内容，又是学科教育的重要手段。有必要在课程标准中加强普适计算的地位，从而基于实验、理论、计算三种手段提高学生综合问题解决能力。比如，在中学物理课程标准中，物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四大方面，应在每个方面都加入计算成分，有利于提高学生物理学科核心素养水平。

2.打破传统学科壁垒，提高学生科学素质水平

学科本位主义表现为学科知识自我封闭和自我分割，不利于个体创新意识与实践能力培养。为了避免学科本位主义，需要打破传统学科壁垒。

学科存在的基础是个体认知世界能力的有限性与世界无穷性的矛盾。此矛盾不消失，则学科存在的基础不会消失，就目前科技发展状况来看，学科消亡论站不住脚。但是，普适计算与泛在感知产生了新的研究范式，个体认知世界能力普遍得到提高，学科划分的知识逻辑与应用逻辑之间的冲突日益明显，学科划分的滞后性与社会快速发展的需求冲突逐渐加大，学科之间的界限是可以改变的。学科教育的跨学科性开始受到重视。

个体解决综合的或复杂的真实问题的时候，往往需要具备跨学科意识，混合运用多种学科知识和经验。计算教育学能够有效地提升个体解决综合的或者复杂的真实问题的能力。作为计算教育学的下一层级的计算物理教育，应该利用计算手段的“大储存，高运算，多联结”的特点提高个体认知世界能力，或者提高个体科学素质水平。

3.转变主流教学范式，培养未来创新人才

随着信息科技的迅猛发展，知识处于爆炸状态，学校的主流教学范式应由讲授式教学转向项目化学习（PBL）。项目化学习是通向未来教育的桥梁。

普适计算与泛在感知改变了个体的学习方式和学习内容，同样也改变了传统的课堂教学结构。传统的物理课堂教学系统由“学生”“物理世界”“媒介”“教师”四要素构成，现代物理课堂教学系统构成要素增加了一个“人工智能”要素。系统构成要素的改变会導致系统结构与功能改变。需要探讨丰富的未来创新人才培养的新教学模式。

计算物理教育同样需要探索基于普适计算和泛在感知的项目化教学模式。笔者在十多年现代科学计算形态科普与启蒙的“数字科学家”计划中[8]，提出了一种计算物理教育的实施途径和教学模式——2PBL教学模式，即问题式学习（Problem-Based Learning）和项目式学习（Project-Based Learning），其教学流程如图1、图2所示。

2PBL教学模式具有以下特点。第一，教学组织形式基于教师“微讲授”主导，以教师为主导、学生为主体，充分调动学生的主动性。第二，教学流程由基于问题、任务、产品的真实情境驱动，提供了实践探究和社会互动的基础，旨在培养学生面对复杂和不确定性社会环境解决实际问题的能力。第三，教学工具均包含实物工具、学科理论工具、数字化工具，将物理学科核心素养作为教学目的。值得注意的是，2PBL教学模式是主流教学范式转变的路径之一，针对不同的教学环境和具体任务，可以对流程进行解构、重构，甚至发展出其他教学范式。

4.探索计算物理教育研究范式，创新学科教育理论

现代物理教育分为实验物理教育、理论物理教育和计算物理教育。鉴于物理学科的基础地位，计算物理教育肩负着引领物理教育理论或者学科教育理论创新，创新人才培养之责任。计算物理教育具有时代性、普适计算性和跨学科性，其理论尚不成熟，需要从研究范式进行审视。一般而言，教育研究方法的基本范式分为思辨研究与实证研究，这也是科学研究领域的两种基本研究范式[9]。

思辨研究注重基于逻辑推理来建构概念、理论或观点，而实证研究注重事实和证据的教育实验[10]。但二者的局限性不容忽视，教育研究的对象是一个复杂的多变量非线性系统，思辨研究与实证研究容易受研究者主观影响、难以关注到全部变量且受干扰因素影响较大。

但是，普适计算与泛在感知为实证研究提供了一个新的研究范式，那就是新“穷举范式”。 比如在研究多對象、大样本的时候，可能不会采取由局部推知整体的研究范式，而是采取全样本研究范式。由于计算机具有“大储存，高运算，多联结”的特点，大大拓宽了研究变量的范围、减少了主观判断的影响。更具体地，可进行基于大数据的教学行动研究、虚拟教学实验、人工智能预测分析，从更定量的角度分析学生学习的认知过程、课程体系、教学评价，以此为依据设置和调整教学内容、组织形式和评价方式。

未来展望

随着大数据技术、云计算技术、人工智能技术、虚拟现实技术等现代科技的迅猛发展，促使人类进入感知的、计算的、智能的、虚拟空间与现实空间相互融合的智慧社会。普适计算与泛在感知将深刻影响人类的生存方式和学习方式。教育面临的关键问题是能够把人培育成为一种超机器、超生物、超工具的社会存在物，而不是机器的奴隶和工具化的存在（李泽厚，2004）。

未来教育的主流教学范式将由讲授式教学走向项目化学习，学科教育面临着守正创新的挑战。未来跨学科教育与学科教育之间的矛盾将逐渐弱化，跨学科教育作为学科项目化学习的重要形式，而学科教育则作为提供专家型工具和经验的手段，共同促进未来教育主流学习范式的转化。同时，项目化学习也将依据特定的现代性诉求发展出更多创新模式，以顺应科学发展和时代进步的潮流。

计算物理教育的学科化进程也是未来教育的发展趋势。计算物理教育作为物理教育创新的重要组成部分，具有学科底层性、普适计算性、跨界性和跨学科性，有必要聚焦创新人才培养，发展成为一个学科，折射并带动学科与教育守正创新。学科包含形成特定研究领域走向成熟的产物、形成研究领域制度化与建制化的结果[11]。计算物理教育需要明确其研究对象及研究领域、明确学科内在核心即学科知识和理论。除此之外，还需建设相关制度和机构，以满足培养学科人才、取得研究突破、储存交流研究成果等需求。

注：本文系中国教育发展战略学会一般课题“新时代科创教育与学生创新能力发展方略研究”（课题编号：3003053）研究成果

参考文献

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