趙蕓赫，馬宇翰，孫昌璞,3

(1. 首都師范大學附屬中學，北京 100048；2. 中國工程物理研究院 研究生院，北京 100193；3. 北京計算科學研究中心 ，北京 100193)

上世紀中后期，美國物理教育研究(Physics Education Research，PER)逐漸變成了物理學自身的一個研究領域. 它主要集中于概念轉變、問題解決、師生對物理教學的態(tài)度和信念、大學高級物理課程的教學研究以及物理學習的性別差異等方面的研究. 大量實證研究表明，根據(jù)一些物理教育研究成果開發(fā)的新的教學方法可以有效解決教學中存在的問題，從而提高物理教學質量[1-4]. 從大學物理學習的角度來說，這些轉變能更好地引導學生建立正確的物理圖像，促進學生習得科學思想和科學方法，從而幫助部分學生實現(xiàn)從學習知識到創(chuàng)造知識的飛躍，對他們日后進入科研職業(yè)生涯有著奠基性的作用.

由于創(chuàng)造知識的標志之一通常表現(xiàn)為發(fā)表相關科研實踐學術論文，教學期刊是學生實踐創(chuàng)造性學習，練習專業(yè)學術表達的一個中間平臺. 科學家們在進行科學研究時形成的新思想和新方法，應當以教學的方式總結出來，讓大學生學習、模仿，并內化為習慣，以促進他們形成自身的獨立研究能力. 目前，已有大量研究報告探討如何在科學教育中培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力[5-9]， 旨在提高學生理解概念和解決復雜問題能力的同時，使學生創(chuàng)造知識的科學能力得到更好的發(fā)展. 在這個意義上，以更好的培養(yǎng)物理專業(yè)的學生為核心目標，物理教育研究不僅為物理學前沿科學研究積累了后備力量，且對一些觀念的深入探討和理解也促進了物理學前沿領域的進步. 相伴而生，相關的教育教學研究期刊也自然發(fā)展成為孕育物理學創(chuàng)新人才和創(chuàng)新思想的搖籃.

以下概述PER領域如何被確定為物理學自身的一個研究分支，并說明美國物理教學教育期刊如何發(fā)展成培養(yǎng)物理學創(chuàng)新人才、激發(fā)物理學思想創(chuàng)新的學術平臺.

1 美國物理教學教育期刊發(fā)展概況

20世紀以來，從事物理教學的學者們對如何讓學生更好地學習和欣賞物理學展開了持續(xù)的研究. 美國物理教師協(xié)會(American Association of Physics Teacher，AAPT)在發(fā)展理念上受到了這方面研究的極大影響. 為了尋找在課堂和實驗室中實踐這些研究成果的有效方法，由AAPT主辦的美國物理教學類期刊應運而生. 里克特邁耶(F. Richtmyer)在 1933 年第一期 《美國物理雜志》(American Journal of Physics, AJP)的開篇文章《物理就是物理》中指出：“教學是一門藝術，而不是一門科學……”[10]. 他強調教學的“藝術”取決于每個教師的個性、魅力和經(jīng)驗. 盡管里克特邁耶關于教學“藝術”的觀點在 21 世紀仍然對教師和學生有重要影響，但物理教學的“科學”特性現(xiàn)已成為一個更加關鍵的要素，并被視為物理學科自身發(fā)展的一部分. 除了其科學的研究方法和教學方法外，學者們逐漸意識到一些源于物理學本科教學問題的討論，可能激發(fā)出有意思乃至重要的科學思想和概念.

在20世紀70 年代到80年代，研究者對學生迷思概念(misconceptions)的興趣日益濃厚，促進了PER方向在這一時期的蓬勃發(fā)展，特別是在概念理解、認識論和解決問題方法等方面[11-17]. 近些年來，我國大學物理教育的改革主要集中在教師教學和教材改進方面，一定程度上忽視了對學生學習物理這一過程本身規(guī)律的深入研究. 這使得我國物理教育的目標似乎只是設法從教師側面將學生的成績提上來，而不是在學生側面進行創(chuàng)新能力的激發(fā). 而美國大學物理教育重點是教與學雙側并重，從認知心理學等多重維度對學生在解決復雜問題時遇到的困難進行了深入研究. 設計了多種解決策略和教學腳手架，即教師起引導作用，學生為學習的主體，著重培養(yǎng)學生的主觀能動性[18].

然而，美國PER類期刊的發(fā)展也并非一帆風順. 早期物理學者一直在尋求公認且普遍的刊物來展示PER 方向的研究成果，雙側惠及教與學. 作為面向本科物理教師的刊物，AAPT 主辦的 AJP 在滿足這一需求方面發(fā)揮了重要作用. 在1990年后，美國 PER 領域累積的研究成果提高了大學物理教師群體對物理教學和學習的理解，并促進了許多基于研究的高質量教學策略的發(fā)展. 1999 年春季，美國物理學會 (American Physical Society,APS) 理事會通過了一項關于PER的聲明：將PER確定為物理學研究領域的一部分，并支持將 PER 納入高校物理系. 隨著該領域接受度的擴大，一個限制其發(fā)展的主要因素凸顯出來，即難以找到更多合適的期刊發(fā)表逐漸增多的PER研究工作. 有一些期刊發(fā)表了一些關于物理教學討論和學習類的文章，如《美國物理教師》(The Physics Teacher)等，但少有出版物以物理教育為主要關注點. 這增加了專注于PER 領域的研究人員發(fā)表成果的壓力. 同時，缺少交流研究成果的期刊平臺一定程度上也阻礙了這一方向研究者在職業(yè)生涯中的晉升和考核[17].

為了解決PER領域所遇到的發(fā)展瓶頸，美國物理學會理事、北卡羅萊納州州立大學的教授貝奇納(Beichner)向美國國家科學基金會 (National Science Foundation，NSF) 提議創(chuàng)建美國物理學會(American Physical Society，APS)期刊和PER Central. org 網(wǎng)站(https://www.per-central.org/). 除 NSF 的資金外，在APS和AAPT的支持下，《物理評論物理教育研究》(Physical Review Physics Education Research，PRPER)于2005 年開始出版，由貝奇納擔任創(chuàng)刊編輯. 該期刊涵蓋了與物理教學或學習相關的全部實證和理論研究，是同行評審的在線開源期刊. 與其他發(fā)表物理教育研究的期刊不同，PRPER 是唯一以物理教育研究人員為主要受眾的期刊. 目前已發(fā)展成為物理學教育研究領域的國際領先期刊之一.

近年來，隨著物理教育研究的深入和發(fā)展，PER與其他領域進行交叉研究，包括教育心理學、腦與認知科學、測量與統(tǒng)計學等. 相關研究成果經(jīng)常出現(xiàn)在與這些領域相關的雜志上，例如：《認知與教學》(Cognition and Instruction)、《學與教》(Learning and Instruction)、《學習科學雜志》(Journal of the Learning Sciences)、《科學教學研究雜志》(Journal of Research in Science Teaching)等[18].

目前，僅在前面提及過的《美國物理雜志》《美國物理教師》以及《物理評論物理教育研究》三種雜志上每年就有超過300篇物理教育研究和教學討論的文章發(fā)表. 這些文章能夠持續(xù)輸出對大中學階段物理教學有正面影響的研究成果，標志著物理教育領域已成為物理學自身一個成熟的分支.

2 教育教學期刊與專業(yè)科學研究

以《美國物理雜志》和我國《大學物理》為代表的物理教育類期刊發(fā)表的內容可分為三大類：1) 關于教育思想、教育理念和教學方法的一般性探討；2) 從教師的角度，探討怎么很好地把內容概念(包括科學研究新進展)教給學生；3) 從學習的角度，怎么更好地理解物理概念和規(guī)律. 為了把一些重要的物理概念向學生講清楚，需要更簡單、更直接、更明確的表達方式；為了學懂基本的物理思想，學生也需要通過具體例子去理解艱深的思想和概念. 正是在這些教學相長的實踐中，以“寧拙毋巧”方式，將一些看似簡短、實為原創(chuàng)的研究工作在物理教育專業(yè)期刊上發(fā)表.

下面，筆者以發(fā)表在《美國物理雜志》上的典型文章為例，闡述發(fā)表在教學刊物上的文章所體現(xiàn)的科研原始創(chuàng)新，以及它們對物理前沿研究發(fā)展的推動.

2.1 量子芝諾效應

芝諾悖論是古希臘數(shù)學家芝諾提出的一個關于運動的不可分性的哲學悖論. 在量子力學建立之后，人們將這一問題推廣到量子物理. 量子系統(tǒng)被不停地多次測量，以探究它是否待在原來的狀態(tài)上. 如果測量過于頻繁，系統(tǒng)會趨向于不發(fā)生躍遷，被“凍結”在初態(tài). 早期，量子芝諾效應總是被與哥本哈根詮釋中的波包塌縮假設聯(lián)系在一起.

1980年，以色列量子物理學家佩雷斯 (A. Peres)在AJP上發(fā)表了《量子理論中的芝諾悖論》[19]一文(圖1)，用簡單的討論和例子指出并非只有波包塌縮能推導出量子芝諾效應. 佩雷斯將測量過程視為“測量儀器”和“被測系統(tǒng)”耦合進行幺正演化，推導出的結果與波包塌縮假設一致，即同樣可以看到系統(tǒng)的躍遷變慢甚至被“凍結”. 這其實就是量子測量的退相干詮釋：將“測量”理解成儀器不停地改變“被測系統(tǒng)”的相位而導致的相干性消失. 這篇文章導致了一個深刻的結論：發(fā)生量子芝諾效應不能成為波包塌縮假設的證據(jù). 受這篇文章和相關研究工作的啟發(fā)，筆者之一(孫昌璞)的課題組多年研究量子芝諾問題，預言了波包塌縮詮釋不能預言的臨界測量時間效應，并得到實驗證實[20,21].

圖1 以色列量子物理學家佩雷斯 (Asher Peres)在AJP上發(fā)表的“量子理論中的芝諾悖論”(Peres A.Am.J.Phys.1980，48,931)題目及摘要

2.2 熱力學循環(huán)中功率-效率優(yōu)化

熱機是熱力學中用于討論能量轉化的基本模型，在實際生產中也具有重要意義. 以瓦特(J. Watt)所改良的蒸汽機為代表的實際熱機，是第一次工業(yè)革命中引起生產力變革的核心. 典型的熱機在熱力學循環(huán)中周期性地運行，從溫度為Th的高溫熱源吸熱并對外做功，將剩余部分能量放熱至溫度為Tc的低溫熱源.作為熱機熱功轉化效率的上限，卡諾效率ηC=1-Tc/Th需要在準靜態(tài)的可逆循環(huán)中實現(xiàn).然而，由于準靜態(tài)所要求的趨于無窮的循環(huán)時間，卡諾熱機輸出功率為0，不具有任何實際價值.

圖2 加拿大物理學家柯曾(F. Curzon)和艾爾邦(B. Ahlborn)在AJP發(fā)表的“卡諾熱機在最大輸出功率的效率”(Curzon F, Ahlborn B. Am. J. Phys. 1975，43, 22)題目及摘要

值得一提的是，早在上世紀五十年代，法國學者伊馮(J.Yvon)、尚巴達爾(P.Chambadal)以及蘇聯(lián)核動力工程專家諾維科夫(I.I.Novikov)也基于同樣的動機各自獨立地研究過這一問題[23-25]，且得到的結論與柯曾和艾爾邦的結果一致. 但由于柯曾和艾爾邦所討論模型的一般性以及寫作風格的簡潔直觀，這一發(fā)表在教學雜志的工作一枝獨秀，引起了更加廣泛的注意，至今已有近2600次的引用(Google學術檢索). 眾多物理學家和工程師從這一工作中提煉了討論有限時間內熱力學循環(huán)優(yōu)化的主要精神，一起推動了近半個世紀有限時間熱力學這一領域的蓬勃發(fā)展. 這一領域的思想方法對非平衡熱力學和工程熱力學產生了深遠影響，在基礎和應用層面都有重要價值[26]. 這個工作也啟發(fā)了筆者在有限系統(tǒng)熱力學領域的系列研究工作[26-30].

2.3 不擴散波包問題

對不擴散波包的探索是量子力學中的一個基本問題. 薛定諤最早證明在諧振子勢阱中，相干態(tài)波包(與勢阱寬度相匹配的高斯波包)不擴散. 那是否存在此外的例子呢？1979年，在“不擴散波包”一文中[31](圖3)，貝里(M.V.Berry)和巴拉茲(N.L.Balazs)研究了一維薛定諤方程在以艾里(Airy) 函數(shù)作為初始條件時的嚴格解——艾里波包. 他們的工作表明，艾里波包具有完全不衍射(無擴散無形變)、無外力自加速等新奇的特征. 貝里和巴拉茲還證明艾里波包是一維含時薛定諤方程唯一無衍射的非平凡解.

圖3 貝里(M.V.Berry)和巴拉茲(N.L.Balazs)發(fā)表在AJP的“不擴散波包”(Berry M,Balazs N.Am.J.Phys.1979，47,264.) 一文題目及摘要

這一文章的寫作簡潔明了，目的明確，僅討論艾里波包不擴散和自加速這兩個特點. 全文沒有關于這一特殊波包潛在應用的展望，這與作者在這篇文章的總結中所提到的，他們寫作——“認為艾里波包的奇特性質值得在基礎量子力學課程中介紹”——的初衷一致. 然而，“無心插柳柳成蔭”，這篇文章后來在光學領域產生了重要的影響. 2007年，西維洛格魯(G.A.Siviloglou)等人在實驗上觀測到艾里光束[32]. 此后，艾里光束在微粒操縱、顯微成像和材料加工等方面展現(xiàn)出重要的實用意義[33].

筆者認為，這三篇文章題目開門見山，摘要精簡地直接切入問題. 這種寫作方式是其能夠成為流傳廣泛的經(jīng)典和引起讀者興趣的基本要素. 從行文風格來看，它們展現(xiàn)了《美國物理雜志》中教學文章的一般特點：問題明確、物理圖像清晰、寫作簡潔易讀、沒有過度包裝. 其實，這樣的文風雖然鮮見于今天的專業(yè)期刊，但與上世紀早期很多經(jīng)典論文的淳樸風格是一致的. 這提醒我們，原始創(chuàng)新的科學思想不必伴隨著看似“高大上”動機的包裝，皆可源于樸素或簡單問題的啟發(fā). 撰寫科學論文，應當返璞歸真，回到問題本質，力求“秋水文章不染塵”.以簡明語言去描述問題，闡明解決方案，以讀者理解問題為首要出發(fā)點.

3 評述與建議

總的來說，物理教育和教學研究期刊對物理學科前沿研究具有實實在在的推動作用. 其體現(xiàn)有兩點：一是直面問題的討論可以引發(fā)新思想；二是通過物理教育研究及改革，培養(yǎng)科學觀念正確的人才，推動物理學發(fā)展. 當然，目前物理學前沿研究領域有相當成熟的期刊可以承載專業(yè)研究成果的發(fā)表，而物理教學刊物的關注重點還應當是教學問題本身. 圖4中列出了本科生如何成長為科學家的重要階段，其中教學類刊物可以成為傳播學習基礎知識、助推學生孕育創(chuàng)新思想進而創(chuàng)造知識的搖籃.

圖4 教學類期刊可以成為創(chuàng)造知識的搖籃

國內以《大學物理》為代表的物理教學類期刊應當大力宣傳和發(fā)表物理教育理論的研究工作，呼吁大、中學教師乃至大學生去關注教學實踐的研究成果和概念創(chuàng)新，通過人才培養(yǎng)推動國家的科技發(fā)展. 受美國物理教學研究領域發(fā)展的啟發(fā)，筆者對物理教育和教學研究期刊的發(fā)展提出如下建議：

1) 加強對物理教育研究的經(jīng)費支持

美國物理教育研究領域在過去幾十年中迅速發(fā)展，主要得益于包括美國國家科學基金在內的政府研究基金的大力資助. 這期間，在關于如何提高物理教學質量等方面所積累的豐富研究成果，有效地推動了美國的大學物理教學改革[34]. 在美國，一般一個物理教學研究項目資助金額在幾十萬到上百萬美元，項目執(zhí)行期為2～4年，且沒有必須發(fā)表論文和出版專著等硬性指標要求[35]. 然而，在我國資助的大學物理研究經(jīng)費上，物理教育領域的選題幾乎得不到國家科學基金的資助[35]. 因此，筆者建議我國有關部門也應當把PER作為物理學研究的一個重要分支加以支持. 以學科建設來帶動物理教學，提高教學質量，走一條激發(fā)物理學原始創(chuàng)新的可持續(xù)發(fā)展之路.

2) 物理教育研究成果評價體系的改進

美國高等學校中常有由于從事PER而回歸科研隊伍的教師，更有頂級的物理學研究者后來專注物理教育，如美國物理學家、1982年度的諾貝爾物理學獎獲得者威爾遜(K.G. Wilson). 與此相反，近年來我國許多高等學校物理學院(系)教師隊伍中被分離出來了所謂“純教學型”教師. 這些教師承擔教改項目、編寫教材、進行教學研究工作，也有一些教師開始進入 PER 研究的行列[35]. 但是，由于很難得到高級別的職位和充足的研究經(jīng)費，物理教學和教育的研究工作難以得到廣泛的學術認可. 若能針對物理教育研究調整相關的職稱評定機制，強調物理教學類期刊的學術平權，讓大學教師平衡科研與教學，或許可以更好地培養(yǎng)創(chuàng)新型人才.

3) 強調物理教學研究成果的應用

在《大學物理》等期刊上已發(fā)表的教學文章中，研究者對理論探討較多，經(jīng)驗交流較多. 然而，實際教學中將別人的研究付諸實踐還存在很多困難，特殊經(jīng)驗難以移植. 建議期刊今后能夠鼓勵研究者發(fā)表和分享基于自己實踐經(jīng)驗的研究成果，多一些應用實踐、量化研究，使得理論與實踐有更緊密的關聯(lián). 此外，作為專業(yè)的物理教育期刊，《大學物理》對科學前沿的介紹不必只是跟從熱點潮流， 可以多增設面向新知識的教學研討板塊，從更基本的角度客觀地介紹科學前沿發(fā)展. 這能助力學生正確理解前沿物理概念，從學生時代開始培育科學精神和學術作風.

4) 鼓勵大學生源自課程學習的問題研究

本科階段是學生進入科學職業(yè)生涯前累積知識和形成科學思維的關鍵時期. 就筆者自身的經(jīng)驗而言[36-41]，本科時期對一些源自課程學習的學術問題的深入思考與探索，有助于早期形成科研興趣、孕育學術品格. 因此，《大學物理》等教學刊物應當加大力度鼓勵本科生發(fā)表相關研究工作[42]. 這會使得《大學物理》發(fā)展成為孕育創(chuàng)新萌芽思想的托舉平臺，助力年輕一代完成從學習知識到創(chuàng)造知識的飛躍.

致謝：感謝復旦大學張楠同學、中物院研究生院翟若迅同學及北京計算科學研究中心劉瑞辰同學對文字部分提出的建議，感謝中物院研究生院袁紅同學協(xié)助校對本文.