物理教育期刊对科研原始创新的推动*

赵芸赫，马宇翰，孙昌璞,3

(1. 首都师范大学附属中学，北京 100048；2. 中国工程物理研究院 研究生院，北京 100193；3. 北京计算科学研究中心 ，北京 100193)

上世纪中后期，美国物理教育研究(Physics Education Research，PER)逐渐变成了物理学自身的一个研究领域. 它主要集中于概念转变、问题解决、师生对物理教学的态度和信念、大学高级物理课程的教学研究以及物理学习的性别差异等方面的研究. 大量实证研究表明，根据一些物理教育研究成果开发的新的教学方法可以有效解决教学中存在的问题，从而提高物理教学质量[1-4]. 从大学物理学习的角度来说，这些转变能更好地引导学生建立正确的物理图像，促进学生习得科学思想和科学方法，从而帮助部分学生实现从学习知识到创造知识的飞跃，对他们日后进入科研职业生涯有着奠基性的作用.

由于创造知识的标志之一通常表现为发表相关科研实践学术论文，教学期刊是学生实践创造性学习，练习专业学术表达的一个中间平台. 科学家们在进行科学研究时形成的新思想和新方法，应当以教学的方式总结出来，让大学生学习、模仿，并内化为习惯，以促进他们形成自身的独立研究能力. 目前，已有大量研究报告探讨如何在科学教育中培养学生的创新能力[5-9]， 旨在提高学生理解概念和解决复杂问题能力的同时，使学生创造知识的科学能力得到更好的发展. 在这个意义上，以更好的培养物理专业的学生为核心目标，物理教育研究不仅为物理学前沿科学研究积累了后备力量，且对一些观念的深入探讨和理解也促进了物理学前沿领域的进步. 相伴而生，相关的教育教学研究期刊也自然发展成为孕育物理学创新人才和创新思想的摇篮.

以下概述PER领域如何被确定为物理学自身的一个研究分支，并说明美国物理教学教育期刊如何发展成培养物理学创新人才、激发物理学思想创新的学术平台.

1 美国物理教学教育期刊发展概况

20世纪以来，从事物理教学的学者们对如何让学生更好地学习和欣赏物理学展开了持续的研究. 美国物理教师协会(American Association of Physics Teacher，AAPT)在发展理念上受到了这方面研究的极大影响. 为了寻找在课堂和实验室中实践这些研究成果的有效方法，由AAPT主办的美国物理教学类期刊应运而生. 里克特迈耶(F. Richtmyer)在 1933 年第一期 《美国物理杂志》(American Journal of Physics, AJP)的开篇文章《物理就是物理》中指出：“教学是一门艺术，而不是一门科学……”[10]. 他强调教学的“艺术”取决于每个教师的个性、魅力和经验. 尽管里克特迈耶关于教学“艺术”的观点在 21 世纪仍然对教师和学生有重要影响，但物理教学的“科学”特性现已成为一个更加关键的要素，并被视为物理学科自身发展的一部分. 除了其科学的研究方法和教学方法外，学者们逐渐意识到一些源于物理学本科教学问题的讨论，可能激发出有意思乃至重要的科学思想和概念.

在20世纪70 年代到80年代，研究者对学生迷思概念(misconceptions)的兴趣日益浓厚，促进了PER方向在这一时期的蓬勃发展，特别是在概念理解、认识论和解决问题方法等方面[11-17]. 近些年来，我国大学物理教育的改革主要集中在教师教学和教材改进方面，一定程度上忽视了对学生学习物理这一过程本身规律的深入研究. 这使得我国物理教育的目标似乎只是设法从教师侧面将学生的成绩提上来，而不是在学生侧面进行创新能力的激发. 而美国大学物理教育重点是教与学双侧并重，从认知心理学等多重维度对学生在解决复杂问题时遇到的困难进行了深入研究. 设计了多种解决策略和教学脚手架，即教师起引导作用，学生为学习的主体，着重培养学生的主观能动性[18].

然而，美国PER类期刊的发展也并非一帆风顺. 早期物理学者一直在寻求公认且普遍的刊物来展示PER 方向的研究成果，双侧惠及教与学. 作为面向本科物理教师的刊物，AAPT 主办的 AJP 在满足这一需求方面发挥了重要作用. 在1990年后，美国 PER 领域累积的研究成果提高了大学物理教师群体对物理教学和学习的理解，并促进了许多基于研究的高质量教学策略的发展. 1999 年春季，美国物理学会 (American Physical Society,APS) 理事会通过了一项关于PER的声明：将PER确定为物理学研究领域的一部分，并支持将 PER 纳入高校物理系. 随着该领域接受度的扩大，一个限制其发展的主要因素凸显出来，即难以找到更多合适的期刊发表逐渐增多的PER研究工作. 有一些期刊发表了一些关于物理教学讨论和学习类的文章，如《美国物理教师》(The Physics Teacher)等，但少有出版物以物理教育为主要关注点. 这增加了专注于PER 领域的研究人员发表成果的压力. 同时，缺少交流研究成果的期刊平台一定程度上也阻碍了这一方向研究者在职业生涯中的晋升和考核[17].

为了解决PER领域所遇到的发展瓶颈，美国物理学会理事、北卡罗莱纳州州立大学的教授贝奇纳(Beichner)向美国国家科学基金会 (National Science Foundation，NSF) 提议创建美国物理学会(American Physical Society，APS)期刊和PER Central. org 网站(https://www.per-central.org/). 除 NSF 的资金外，在APS和AAPT的支持下，《物理评论物理教育研究》(Physical Review Physics Education Research，PRPER)于2005 年开始出版，由贝奇纳担任创刊编辑. 该期刊涵盖了与物理教学或学习相关的全部实证和理论研究，是同行评审的在线开源期刊. 与其他发表物理教育研究的期刊不同，PRPER 是唯一以物理教育研究人员为主要受众的期刊. 目前已发展成为物理学教育研究领域的国际领先期刊之一.

近年来，随着物理教育研究的深入和发展，PER与其他领域进行交叉研究，包括教育心理学、脑与认知科学、测量与统计学等. 相关研究成果经常出现在与这些领域相关的杂志上，例如：《认知与教学》(Cognition and Instruction)、《学与教》(Learning and Instruction)、《学习科学杂志》(Journal of the Learning Sciences)、《科学教学研究杂志》(Journal of Research in Science Teaching)等[18].

目前，仅在前面提及过的《美国物理杂志》《美国物理教师》以及《物理评论物理教育研究》三种杂志上每年就有超过300篇物理教育研究和教学讨论的文章发表. 这些文章能够持续输出对大中学阶段物理教学有正面影响的研究成果，标志着物理教育领域已成为物理学自身一个成熟的分支.

2 教育教学期刊与专业科学研究

以《美国物理杂志》和我国《大学物理》为代表的物理教育类期刊发表的内容可分为三大类：1) 关于教育思想、教育理念和教学方法的一般性探讨；2) 从教师的角度，探讨怎么很好地把内容概念(包括科学研究新进展)教给学生；3) 从学习的角度，怎么更好地理解物理概念和规律. 为了把一些重要的物理概念向学生讲清楚，需要更简单、更直接、更明确的表达方式；为了学懂基本的物理思想，学生也需要通过具体例子去理解艰深的思想和概念. 正是在这些教学相长的实践中，以“宁拙毋巧”方式，将一些看似简短、实为原创的研究工作在物理教育专业期刊上发表.

下面，笔者以发表在《美国物理杂志》上的典型文章为例，阐述发表在教学刊物上的文章所体现的科研原始创新，以及它们对物理前沿研究发展的推动.

2.1 量子芝诺效应

芝诺悖论是古希腊数学家芝诺提出的一个关于运动的不可分性的哲学悖论. 在量子力学建立之后，人们将这一问题推广到量子物理. 量子系统被不停地多次测量，以探究它是否待在原来的状态上. 如果测量过于频繁，系统会趋向于不发生跃迁，被“冻结”在初态. 早期，量子芝诺效应总是被与哥本哈根诠释中的波包塌缩假设联系在一起.

1980年，以色列量子物理学家佩雷斯 (A. Peres)在AJP上发表了《量子理论中的芝诺悖论》[19]一文(图1)，用简单的讨论和例子指出并非只有波包塌缩能推导出量子芝诺效应. 佩雷斯将测量过程视为“测量仪器”和“被测系统”耦合进行幺正演化，推导出的结果与波包塌缩假设一致，即同样可以看到系统的跃迁变慢甚至被“冻结”. 这其实就是量子测量的退相干诠释：将“测量”理解成仪器不停地改变“被测系统”的相位而导致的相干性消失. 这篇文章导致了一个深刻的结论：发生量子芝诺效应不能成为波包塌缩假设的证据. 受这篇文章和相关研究工作的启发，笔者之一(孙昌璞)的课题组多年研究量子芝诺问题，预言了波包塌缩诠释不能预言的临界测量时间效应，并得到实验证实[20,21].

图1 以色列量子物理学家佩雷斯 (Asher Peres)在AJP上发表的“量子理论中的芝诺悖论”(Peres A.Am.J.Phys.1980，48,931)题目及摘要

2.2 热力学循环中功率-效率优化

热机是热力学中用于讨论能量转化的基本模型，在实际生产中也具有重要意义. 以瓦特(J. Watt)所改良的蒸汽机为代表的实际热机，是第一次工业革命中引起生产力变革的核心. 典型的热机在热力学循环中周期性地运行，从温度为Th的高温热源吸热并对外做功，将剩余部分能量放热至温度为Tc的低温热源.作为热机热功转化效率的上限，卡诺效率ηC=1-Tc/Th需要在准静态的可逆循环中实现.然而，由于准静态所要求的趋于无穷的循环时间，卡诺热机输出功率为0，不具有任何实际价值.

图2 加拿大物理学家柯曾(F. Curzon)和艾尔邦(B. Ahlborn)在AJP发表的“卡诺热机在最大输出功率的效率”(Curzon F, Ahlborn B. Am. J. Phys. 1975，43, 22)题目及摘要

值得一提的是，早在上世纪五十年代，法国学者伊冯(J.Yvon)、尚巴达尔(P.Chambadal)以及苏联核动力工程专家诺维科夫(I.I.Novikov)也基于同样的动机各自独立地研究过这一问题[23-25]，且得到的结论与柯曾和艾尔邦的结果一致. 但由于柯曾和艾尔邦所讨论模型的一般性以及写作风格的简洁直观，这一发表在教学杂志的工作一枝独秀，引起了更加广泛的注意，至今已有近2600次的引用(Google学术检索). 众多物理学家和工程师从这一工作中提炼了讨论有限时间内热力学循环优化的主要精神，一起推动了近半个世纪有限时间热力学这一领域的蓬勃发展. 这一领域的思想方法对非平衡热力学和工程热力学产生了深远影响，在基础和应用层面都有重要价值[26]. 这个工作也启发了笔者在有限系统热力学领域的系列研究工作[26-30].

2.3 不扩散波包问题

对不扩散波包的探索是量子力学中的一个基本问题. 薛定谔最早证明在谐振子势阱中，相干态波包(与势阱宽度相匹配的高斯波包)不扩散. 那是否存在此外的例子呢？1979年，在“不扩散波包”一文中[31](图3)，贝里(M.V.Berry)和巴拉兹(N.L.Balazs)研究了一维薛定谔方程在以艾里(Airy) 函数作为初始条件时的严格解——艾里波包. 他们的工作表明，艾里波包具有完全不衍射(无扩散无形变)、无外力自加速等新奇的特征. 贝里和巴拉兹还证明艾里波包是一维含时薛定谔方程唯一无衍射的非平凡解.

图3 贝里(M.V.Berry)和巴拉兹(N.L.Balazs)发表在AJP的“不扩散波包”(Berry M,Balazs N.Am.J.Phys.1979，47,264.) 一文题目及摘要

这一文章的写作简洁明了，目的明确，仅讨论艾里波包不扩散和自加速这两个特点. 全文没有关于这一特殊波包潜在应用的展望，这与作者在这篇文章的总结中所提到的，他们写作——“认为艾里波包的奇特性质值得在基础量子力学课程中介绍”——的初衷一致. 然而，“无心插柳柳成荫”，这篇文章后来在光学领域产生了重要的影响. 2007年，西维洛格鲁(G.A.Siviloglou)等人在实验上观测到艾里光束[32]. 此后，艾里光束在微粒操纵、显微成像和材料加工等方面展现出重要的实用意义[33].

笔者认为，这三篇文章题目开门见山，摘要精简地直接切入问题. 这种写作方式是其能够成为流传广泛的经典和引起读者兴趣的基本要素. 从行文风格来看，它们展现了《美国物理杂志》中教学文章的一般特点：问题明确、物理图像清晰、写作简洁易读、没有过度包装. 其实，这样的文风虽然鲜见于今天的专业期刊，但与上世纪早期很多经典论文的淳朴风格是一致的. 这提醒我们，原始创新的科学思想不必伴随着看似“高大上”动机的包装，皆可源于朴素或简单问题的启发. 撰写科学论文，应当返璞归真，回到问题本质，力求“秋水文章不染尘”.以简明语言去描述问题，阐明解决方案，以读者理解问题为首要出发点.

3 评述与建议

总的来说，物理教育和教学研究期刊对物理学科前沿研究具有实实在在的推动作用. 其体现有两点：一是直面问题的讨论可以引发新思想；二是通过物理教育研究及改革，培养科学观念正确的人才，推动物理学发展. 当然，目前物理学前沿研究领域有相当成熟的期刊可以承载专业研究成果的发表，而物理教学刊物的关注重点还应当是教学问题本身. 图4中列出了本科生如何成长为科学家的重要阶段，其中教学类刊物可以成为传播学习基础知识、助推学生孕育创新思想进而创造知识的摇篮.

图4 教学类期刊可以成为创造知识的摇篮

国内以《大学物理》为代表的物理教学类期刊应当大力宣传和发表物理教育理论的研究工作，呼吁大、中学教师乃至大学生去关注教学实践的研究成果和概念创新，通过人才培养推动国家的科技发展. 受美国物理教学研究领域发展的启发，笔者对物理教育和教学研究期刊的发展提出如下建议：

1) 加强对物理教育研究的经费支持

美国物理教育研究领域在过去几十年中迅速发展，主要得益于包括美国国家科学基金在内的政府研究基金的大力资助. 这期间，在关于如何提高物理教学质量等方面所积累的丰富研究成果，有效地推动了美国的大学物理教学改革[34]. 在美国，一般一个物理教学研究项目资助金额在几十万到上百万美元，项目执行期为2～4年，且没有必须发表论文和出版专著等硬性指标要求[35]. 然而，在我国资助的大学物理研究经费上，物理教育领域的选题几乎得不到国家科学基金的资助[35]. 因此，笔者建议我国有关部门也应当把PER作为物理学研究的一个重要分支加以支持. 以学科建设来带动物理教学，提高教学质量，走一条激发物理学原始创新的可持续发展之路.

2) 物理教育研究成果评价体系的改进

美国高等学校中常有由于从事PER而回归科研队伍的教师，更有顶级的物理学研究者后来专注物理教育，如美国物理学家、1982年度的诺贝尔物理学奖获得者威尔逊(K.G. Wilson). 与此相反，近年来我国许多高等学校物理学院(系)教师队伍中被分离出来了所谓“纯教学型”教师. 这些教师承担教改项目、编写教材、进行教学研究工作，也有一些教师开始进入 PER 研究的行列[35]. 但是，由于很难得到高级别的职位和充足的研究经费，物理教学和教育的研究工作难以得到广泛的学术认可. 若能针对物理教育研究调整相关的职称评定机制，强调物理教学类期刊的学术平权，让大学教师平衡科研与教学，或许可以更好地培养创新型人才.

3) 强调物理教学研究成果的应用

在《大学物理》等期刊上已发表的教学文章中，研究者对理论探讨较多，经验交流较多. 然而，实际教学中将别人的研究付诸实践还存在很多困难，特殊经验难以移植. 建议期刊今后能够鼓励研究者发表和分享基于自己实践经验的研究成果，多一些应用实践、量化研究，使得理论与实践有更紧密的关联. 此外，作为专业的物理教育期刊，《大学物理》对科学前沿的介绍不必只是跟从热点潮流， 可以多增设面向新知识的教学研讨板块，从更基本的角度客观地介绍科学前沿发展. 这能助力学生正确理解前沿物理概念，从学生时代开始培育科学精神和学术作风.

4) 鼓励大学生源自课程学习的问题研究

本科阶段是学生进入科学职业生涯前累积知识和形成科学思维的关键时期. 就笔者自身的经验而言[36-41]，本科时期对一些源自课程学习的学术问题的深入思考与探索，有助于早期形成科研兴趣、孕育学术品格. 因此，《大学物理》等教学刊物应当加大力度鼓励本科生发表相关研究工作[42]. 这会使得《大学物理》发展成为孕育创新萌芽思想的托举平台，助力年轻一代完成从学习知识到创造知识的飞跃.

致谢：感谢复旦大学张楠同学、中物院研究生院翟若迅同学及北京计算科学研究中心刘瑞辰同学对文字部分提出的建议，感谢中物院研究生院袁红同学协助校对本文.