計彤+張風帆

摘要：近年來，隨著自然科學的理論化，定量化的發(fā)展和數(shù)學方法在自然科學中廣泛應用，促使各門自然科學由描述或半描述性的科學逐步向理論科學。因此，在理工科教學中，嚴密的數(shù)學推導和定量公式的表述受到人們的普遍重視；然而，理工科基本概念豐富內(nèi)涵的教學卻被人們忽視了。這一傾向已經(jīng)嚴重地影響了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題能力的提高，因而引起國內(nèi)外自然科學家和教育專家的關注。

關鍵詞：基本概念；理工科教學；教學過程

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）15-0103-03

基本概念是每一門科學和每一門科學學科形成、發(fā)展的基石。正確地理解基本概念是把握、運用科學理論的前提。因此，研究探討基本概念的教學問題，就成為掌握科學理論的關鍵問題。隨著學科綜合化的進程，以及科普水平的整體提升，相同學齡的教學對象似乎對于很多知識都有一種先驗性的了解，因此教師為增加教學的吸引力，則更多地注重理論教學與實踐應用教學，而基本概念的教學往往地位微乎其微。由于學生基本概念的主體理解相對不穩(wěn)定，因此往往給整體的教學效果造成負面影響。

任何一門理論科學都是基本概念的邏輯體系，任何一門學科的理性認識都表現(xiàn)為概念的系統(tǒng)性。因此，基本概念在理工科教學過程中的地位是極端重要的，它是學習這門學科的基本出發(fā)點和立足點。對于基本概念理解上的偏差，往往會使后續(xù)研究“誤入歧途”?；靖拍钍菍ρ芯繉ο蟮谋倔w論討論，也是當下對研究對象最近似的真理性解讀。離開了形成、運用基本概念，理工科學生就不可能真正懂得自然界運動形式的變化，就不可能把握自然物質(zhì)的本質(zhì)，當然，也就難以掌握自然物質(zhì)的變化規(guī)律、預見自然物質(zhì)的發(fā)展，并在實踐中運用這些規(guī)律，達到改造自然的目的。

當前，理工科教學中比較重視的是三個環(huán)節(jié)：運算技巧、實驗操作和經(jīng)驗材料。毋庸否認，數(shù)學是自然科學最準確、最精密的語言，數(shù)學方法是科學之為科學的標志性手段，高超的運算技巧是把握自然規(guī)律本質(zhì)的一種必要的手段；實驗是近代科學的基礎，只有嫻熟的實驗操作，才能為科學發(fā)現(xiàn)打開門徑；巴甫洛夫曾經(jīng)說過，無論鳥的翅膀是多么完美，如果不憑借著空氣，它是永遠不會飛向高空的。事實對于科學家來說就如同空氣對于鳥兒。那么豐富的經(jīng)驗材料是科學理論產(chǎn)生的豐沃土壤。因此，在理工科教學中注重這幾個環(huán)節(jié)不僅是無可非議的，而且是十分必要的。但是，如果片面地強調(diào)這一方面，而忽視、貶低甚至排斥基本概念的教學，那就是一種帶有原則性的問題了。

人們都知道，質(zhì)與量是不可分的。而就人們的認識秩序來說，總是從質(zhì)的認識開始進入對量的認識，就整個科學的系統(tǒng)認識來說，也是如此。事實上，科學家在提出某一自然規(guī)律的定量公式之前，總是（一般地說）先形成關于該對象本質(zhì)的定性認識，形成某種理論概念，然后才給予量的規(guī)定，做出數(shù)學的表達。麥克斯韋是在法拉第的關于場觀念的基礎上，先建立了以太的漩渦狀結(jié)構(gòu)的力學模型，然后才提出著名的四組矢量微分方程式的；克勞胥斯和湯姆生也是先定性地認識到“通過無生命物質(zhì)的作用，不可能把物質(zhì)的任何部分冷到它周圍冷客體的溫度以下，以產(chǎn)生機械效應”，才找出作為“轉(zhuǎn)變含量”的概念熵，進而找到熱力學第二定律的數(shù)學表達式。沒有清晰的科學概念就不能有表達這一概念的數(shù)學公式。不能“得魚而忘筌”，抓住了公式而忘記了這些公式所產(chǎn)生的概念基礎。

科學實踐表明，一個實驗無論多么巧妙，它總是為了一定的研究目的、根據(jù)一定的理論思想而設計出來的。例如，盧瑟福的α粒子散射實驗，是從對原子具有一定結(jié)構(gòu)的猜想出發(fā)的。至于實驗結(jié)果的分析更是一個理性的事業(yè)，離開概念是寸步難行的。對β衰變中的能量損失的實驗事實，玻爾是從否定能量守恒定律的觀念出發(fā)進行解釋的，而泡利則立足于維護能量守恒定律而提出了中微子的假定。否定了基本概念，實驗就成了盲目的、無計劃的實驗，在這種情況下，再高妙的實驗技巧也將失去任何意義。

科學發(fā)展的歷史是從經(jīng)驗走向理論的歷史，科學決不停留在經(jīng)驗事實的搜集和整理上。人們總要通過經(jīng)驗事實去把握事物內(nèi)部的聯(lián)系和矛盾，揭示本質(zhì)規(guī)律，這就需要概念的幫助。如果僅僅有惠更斯的圓周運動加速度和開普勒的周期定律這樣的經(jīng)驗公式，就不會有牛頓的萬有引力定律。因為牛頓是在提出質(zhì)量這個概念，并假定引力與質(zhì)量成正比之后，才找到了刻畫萬有引力的基本公式。如果沒有牛頓提出的抽象概念，而只抱住第谷的經(jīng)驗觀測資料和開普勒的經(jīng)驗公式不放，就永遠也不會有理論力學。

現(xiàn)在，由于對基本概念教學的忽視，許多學生對基本的科學概念理解模糊，有的甚至理解錯了。諸“力”、“能”、“熵”、“元素”、“化學鍵”這些最一般的概念，在相當一部分人的頭腦里是不清晰的，既不能準確地表述其內(nèi)涵，也不能把握其運用范圍，更不能說明各種基本概念之間的區(qū)別與聯(lián)系。當年，恩格斯曾以動能和動量兩種運動量度的曠日持久的爭論為例，說明掌握概念的內(nèi)涵、運用理論思維的重要性。這場爭論以笛卡兒為一方，以萊布尼茲為另一方，前后吸引了歐拉、牛頓、達蘭貝爾、伯努利、赫爾姆霍茲等著名學者，持續(xù)二百五六十年之久，而問題的實質(zhì)僅僅在于沒有弄清動量（mv）和動能（1/2mv2）的物理意義和應用范圍。恩格斯指出：動量（mv）是不發(fā)生運動形態(tài)轉(zhuǎn)化的量度，是非線性的。這是量變引起質(zhì)變的結(jié)果。

可見，基本概念在理工科教學中應占有重要的地位，輕視或忽略基本概念的教學必然直接影響學生創(chuàng)造性思維的形成和發(fā)展，影響人才的成長，阻礙自然科學的進步。

基本概念在理工科教學中的重要地位，決定了改善基本概念教學是提高教學質(zhì)量的重要一環(huán)。

自然科學基本概念本身有其發(fā)生、發(fā)展的歷史。任何概念都是在社會歷史發(fā)展過程中，隨著人的勞動實踐和社會經(jīng)驗的積累，作為經(jīng)驗概括的結(jié)果而形成的，都是隨著人類認識的發(fā)展而發(fā)展的?？梢哉f，每一門學科的歷史就是這門學科基本概念產(chǎn)生、發(fā)展的歷史。人類對科學概念的認識是一個多次反復的過程，是學習與實踐驗證相結(jié)合的過程?？茖W的歷史告訴我們，這一過程有時也許是很漫長的，許多基本概念經(jīng)過人們長期研究和爭論，才逐步弄清。比如：“點”、“直線”、“平面”等數(shù)學概念，已被人們認識二千多年了，可它們的正確的邏輯定義直到20世紀末才得出；關于“干摩擦”這一概念，經(jīng)過四百年的爭論，至今還沒有明確結(jié)論。可見，對概念的認識是曲折、復雜、矛盾的過程。正如毛澤東同志指出的：客觀過程的發(fā)展是充滿著矛盾和斗爭的發(fā)展，人的認識運動的發(fā)展也是充滿著矛盾和斗爭的發(fā)展?？陀^現(xiàn)實世界的變化運動永遠沒有完結(jié)，人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結(jié)。

教學過程也是一種認識過程，但是，相對于一般的認識過程來說，它具有自已的特點。人類的一般認識是“實踐、認識、再實踐、再認識”，循環(huán)往復，以至于窮。在教學過程中，學生的認識過程總的來說，也要通過實踐獲得一定感性經(jīng)驗作為基礎，上升到抽象概念的認識。同時，學生學習理論最終也要回到實踐中去指導實踐。但是，教學過程決不是重復前人認識的全部過程，而是前人已經(jīng)進行過的科學認識的邏輯再現(xiàn)，是通過接受各個概念進而掌握整個理論的過程。在學習期間（包括自學），主要是獲得前人總結(jié)的間接知識，不可能也不必要再重新感知一番?？梢詮臅鹃_始，從一個概念過渡到下一個概念。況且，有許多知識或者由于條件限制，或者由于概念本身的性質(zhì)，無法在教學中直接獲得感性認識，如：電子、宇宙天體、數(shù)學的許多定理、科學歷史規(guī)律、科學哲學概念等，它們常常是以一個概念或若干個已知概念、定理為前提，通過推導獲得的。同時，也不可能要求學生把從教學過程中獲得的知識馬上應用到實踐中去，在大學短短的幾年時間里，不可能去親歷前人經(jīng)過千百年實踐獲得知識的全過程。這就形成了學生認識的特點，即：在某種程度上，在一定范圍內(nèi)，實踐可以在教學過程之外，學生可以從書本開始，從基本概念開始，在短時間內(nèi)獲得大量的知識，掌握高深的理論。

教學過程是“教”與“學”這對矛盾的辯證運動的過程。教師是已知者，是教學的主導；而學的實質(zhì)就是教師有目的、有計劃地引導學生從未知走向已知的轉(zhuǎn)化過程，這個轉(zhuǎn)化是在學生頭腦中進行的。教師利用學生已有的知識、經(jīng)驗或輔以實驗、圖表以及繪聲繪色的描述，有意識地啟發(fā)學生“去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里”加工制作進而把握科學概念?？梢?，基本概念的教學就是在教師的引導下，學生感性認識的飛躍，是理性認識的起點，即從表象、知覺經(jīng)過大腦的抽象，概括形成科學概念，再通過判斷、推理、假說、驗證等一系列邏輯環(huán)節(jié)而形成系統(tǒng)的理性認識即科學理論。正是因為每一門學科的邏輯起點都是基本概念。而科學理論體系又是基本概念矛盾運動過程的表現(xiàn)和結(jié)果，所以按照基本概念的運動規(guī)律，利用概念形成的邏輯方法組織教學，這是培養(yǎng)學生獲得新知識的最簡捷的途徑。只有講清基本概念的內(nèi)涵，弄懂基本概念在一門學科整體間的聯(lián)結(jié)，才能從總體上把握一門科學的主要內(nèi)容。

然而，基本概念由于是從實踐的具體，經(jīng)過抽象再形成抽象中的具體的過程，它本身就是高度凝練的，趣味性相對不足，因此，學生在認識基本概念的過程中總是感覺困難重重。即使借助于學校的教學，也絕不是一下子就能完成的，而是要隨著學生經(jīng)驗的豐富和理解的加深，逐步臻于精確和完善。當然，在學校教學的作用下，個人對概念的掌握會較為容易和較為迅速；但畢竟還得由本人按照基本認識規(guī)律親身掌握，單憑死記硬背是絕不能真正掌握基本概念的。問題是，教育者本人是起加速、催化的作用，還是起阻礙、延緩的作用，這關鍵取決于教師自已是否能夠透徹地理解科學概念的含義及其辯證發(fā)展，自覺地避免認識上的片面性和表面性，須知，概念反映事物的本質(zhì)總會有一定程度的相對性、局限性和近似性。明確這一點才能夠自覺地引導學生確立正確的科學概念。

比如：蓄電池“放電”，電容器“放電”與氣體電離“放電”，這些電化學或電學現(xiàn)象本身以及它們的發(fā)生過程都有極大差別?！胺e分常數(shù)”和“一般常數(shù)”的概念也是有區(qū)別的?！皩?shù)”是一種函數(shù)，然而也可以是一個獨立微分學概念。還有一些概念若明若暗，如“強度”概念可以指抗拉、抗壓、抗彎、抗扭等幾種力學現(xiàn)象中的任一種，也可以指它們的綜合；在一般情況下，又常被用作抗拉強度極限的簡稱；而在多向應力狀態(tài)下，強度實際上已經(jīng)成為只含有絕對意義的抽象屬性。我們知道，許多自然科學定律、定理不僅可以用文字描述，而且也可以用數(shù)學方程式式表述；反過來，有時不同的詞也可能反映同一自然屬性，如“溶液”和“固溶體”，除了物態(tài)以外，可以認為它們是同一概念內(nèi)容的兩種表述。確實，概念永遠不可能具有固定不變的內(nèi)容。絕對化的概念內(nèi)容或絕對化的表達方式都是不存在的。應當指出，科學概念近似性的實質(zhì)正反映了科學知識的發(fā)展，我們對自然的認識必然隨科學的發(fā)展而日益完善。列寧曾指出：認識是人對自然界的反映。但是，這并不是簡單的、直接的、完全的反映，而是一系列的抽象過程，這些概念和規(guī)律等有條件地近似地把握著永恒運動著的和發(fā)展著的自然界的普遍規(guī)律性。人不能完全把握=反映=描繪全部自然界、它的“直接的整體”，人在創(chuàng)立抽象、概念、規(guī)律、科學的世界圖畫等時，只能永遠地接近于這一點。人類認識客觀實在的過程是一個真理，對于教學過程也同樣是真理。

綜上所述，理工科師生在了解基本概念形成發(fā)展的基上需要抓住理工科教學特點，掌握基本概念在理工科教學中的辯證法，充分估計認識基本概念的艱巨性，就能使理工科基本概念的教學質(zhì)量提高一步。

科學的基本概念是從復雜、千變?nèi)f化的自然現(xiàn)象中抽象出來的具有共性的規(guī)定，它有相對的穩(wěn)定性。教學過程就是引導學生掌握這些具有共性和穩(wěn)定性的知識，在復雜事物中透過現(xiàn)象抓住事物本質(zhì)，并學會用這些知識解決實際問題。反之，如果學生只有經(jīng)驗知識，那么當科學發(fā)展、事物變化時，這些個別的經(jīng)驗就將失去作用。在學習心理上有一條“知識遷移”規(guī)律，是指已具有的共性知識對新知識的掌握起促進作用，即所謂“觸類旁通”或“舉一反三”。這個“類”和“旁”、“一”和“三”有本質(zhì)的內(nèi)在的聯(lián)系，“類”和“一”就是事物的本質(zhì)，而“旁”和“三”則往往是指局部的現(xiàn)象和經(jīng)驗?？梢?，掌握科學的基本概念有利于學生知識的遷移。

理工科基本概念的教學有利于學生智力的發(fā)展，提高他們的理論思維，推動創(chuàng)造性思維的形成，學生的思維類型不同，有的善于引伸想象，前者屬于收斂式思維類型，后者屬于發(fā)散式思維類型?，F(xiàn)在學校一般是以培養(yǎng)記憶模仿各程式性推理為主，是收斂式的。但是，如果我們的學生沒有提出問題的能力，不能創(chuàng)造性地分析和解決問題，那我們只能永遠步他人的后塵。對于發(fā)散性思維來說，提出一個有意義的問題，尤為重要。愛因斯坦說，提出一個問題往往比解決一個問題更重要，因為解決問題常常是數(shù)學和實驗技巧的問題，而提出問題才真正標志科學的進步。而提出問題的能力、設想假定的能力、綜合分析的能力、抽象想象的能力，恰恰是發(fā)散性思維。理工科基本概念教學則為發(fā)散性思維形成、創(chuàng)造能力的培養(yǎng)開辟了道路。

還應當指出，加強理工科基本概念的教學能幫助大學生樹立馬克思主義的世界觀、自然觀，有利于青年學生的全面發(fā)展。我們的理工科專業(yè)教師要“傳道、授業(yè)、解惑”，要教學生獲得知識的方法，給學生掌握知識的能力；還要通過自然科學理論的教學，引導學生認識自然界固有的辯證法，用自然界這個檢驗辯證法的試金石，幫助學生樹立辯證唯物主義的世界觀。而且，正是基本科學理論的教學，可以體現(xiàn)科學的求實精神，嚴肅認真的科學作風，使學生在學習中逐步形成正確的人生觀和道德觀。

理工科基本概念的教學是一個十分復雜的問題，本文所涉及的只是其中的幾個側(cè)面。關于理工科基本概念教學經(jīng)驗和教訓的概括總結(jié)，關于教學中應當遵循的特殊規(guī)律和方法，關于理工科若干基礎概念的“塑述”，關于理工科各學科基本概念體系結(jié)構(gòu)的分析等問題，都還缺乏深入的研究，這應當由自然科學工作者、哲學工作者和教育工作者通力合作來完成的一項任務。