計算物理教育的邏輯起點、途徑及未來圖景

【摘要】物理學是一門介于哲學與自然科學之間的學科，研究物理教育創(chuàng)新，能夠帶動未來教育守正創(chuàng)新。繼實驗和理論兩種科學形態(tài)之后，現(xiàn)代科學出現(xiàn)了第三種形態(tài)——計算，物理教育可以劃分為實驗物理教育、理論物理教育和計算物理教育。本文給出了計算物理教育的定義;并依據(jù)質(zhì)的規(guī)定性將“基于普適計算與物理學的教育活動”作為計算物理教育的邏輯起點;最后，結合實踐提出了四條實施計算物理教育的建議，即加強普適計算認知，打破傳統(tǒng)學科壁壘，轉(zhuǎn)變主流教學范式，探索新物理教育與研究范式等?！娟P鍵詞】學科教育創(chuàng)新;計算物理教育;邏輯起點;跨學科性;創(chuàng)新人才縱觀人類社會發(fā)展史，顯性科技創(chuàng)新始終是推進人類社會發(fā)展的第一動力。比如，蒸汽機開啟了機械代替體力的“蒸汽時代”，極大地提高了生產(chǎn)力和生產(chǎn)效率。電氣化開啟了“電氣時代”，為進一步代替體力提供了新能源。特別是20世紀中期，計算機開啟了“信息時代”，技術的主流發(fā)明和應用開始轉(zhuǎn)向人的腦力延伸，很大程度上改變了人類生存的外部環(huán)境，即從原始社會的“自然環(huán)境”，過渡到工業(yè)社會的“自然環(huán)境或者人工環(huán)境”，如今開始走向智慧社會的“自然環(huán)境、人工環(huán)境或者數(shù)字環(huán)境”。智慧社會環(huán)境由物質(zhì)層、感知層、網(wǎng)絡層、平臺層、應用層等構成，具有高度的智能性、復雜性和不確定性。普適計算（PervasiveComputing/UbiquitousComputing）簡稱計算，它與泛在感知就像水和電一樣無處不在。智慧社會環(huán)境的構成單位是原子、基因、神經(jīng)元和比特，分別對應于納米科技、生命科技、腦認知科技和信息科技四大核心領域，其聚合將會加速技術進步，并可能會再次改變我們的物種，其深遠意義可以媲美數(shù)十萬代人以前人類首次學會口頭語言[1]。面對新挑戰(zhàn)，聯(lián)合國教科文組織于1996年提出了教育的四大支柱，即學會學習、學會做事、學會與人相處和學會適應。數(shù)字技術深刻地改變著人類思維、生活、生產(chǎn)、學習方式。全面數(shù)字素養(yǎng)與技能日益成為國際競爭力和軟實力的關鍵指標。所謂數(shù)字素養(yǎng)是智慧社會公民學習工作生活應具備的數(shù)字獲取、制作、使用、創(chuàng)新、安全保障、倫理道德等一系列素質(zhì)與能力的集合。黨的十九大提出了“數(shù)字中國”和“智慧社會”的建設目標，培養(yǎng)創(chuàng)新人才成為焦點問題，核心素養(yǎng)、學科核心素養(yǎng)已經(jīng)成為各級各類教育的目標，教育實踐呼喚新的教育理論。傳統(tǒng)學科教育在工業(yè)社會中發(fā)揮了重要的育人功能，但是智慧社會的學科教育創(chuàng)新基石是什么？什么才是把握住了本質(zhì)的、遵循社會與個人發(fā)展規(guī)律的學科教育創(chuàng)新？學科教育創(chuàng)新的途徑與方法在哪里？下面探討諸如此類的問題。計算物理教育的由來從物理學發(fā)展的視角來看，計算的科研必要性日漸凸顯。第二次世界大戰(zhàn)期間，美國“曼哈頓計劃”研制原子彈的過程中面臨巨大的計算量，科學家開始利用計算機研究物理問題，這是計算物理的開端。隨著計算技術的發(fā)展，計算在物理領域的應用越發(fā)廣泛。如今計算物理已和實驗物理、理論物理并列為現(xiàn)代物理的三大支柱，形成了計算物理的方法，并逐漸應用到社會科學問題的研究中。從教育的視角來看，計算在素養(yǎng)（Literacy）中的地位不斷提高。最初的素養(yǎng)僅限于簡單地讀和寫[2]，代表運用人的肢體功能進行觀察與表達。但是，聯(lián)合國教科文組織于1948年將素養(yǎng)視為一項教育權利，素養(yǎng)從個人走向社會。同時，隨著計算機的誕生，計算開始成為素養(yǎng)中的一個重要元素，代表運用人腦及電腦進行思維的延伸[3]。早期的計算只是物理教育中的部分內(nèi)容和輔助物理教育的手段。在20世紀80年代初，美國哈佛大學已開設計算物理課程;2010年，教育部正式將計算物理列為物理本科生必修課。21世紀以來，素養(yǎng)進一步發(fā)展出核心素養(yǎng)、學科核心素養(yǎng)，計算也延伸出邏輯判斷、深度學習、人工智能等新的內(nèi)涵。普適計算與泛在感知已經(jīng)成為核心素養(yǎng)的必要條件，計算不只是輔助手段，而是發(fā)揮著促進認知與情感激勵作用[4]?？傊?，通過梳理不難看出，普適計算已經(jīng)成為各級、各類教育中的重要內(nèi)容和教育手段，可以將計算物理教育定義為“以普適計算和物理學為載體，以提升學生核心素養(yǎng)和創(chuàng)新力為目標開展的跨學科教育活動”。計算物理教育是計算教育學的下一層級概念。計算物理教育、理論物理教育和實驗物理教育構成了物理教育，其存在基礎是普適計算和泛在感知環(huán)境。計算物理教育具有跨學科性，其教育目的是提高物理學科核心素養(yǎng)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)，其核心是提高計算思維水平。通過計算物理教育，個體可以隨時隨地、透明地獲得數(shù)字化的服務[5]，提升綜合運用實物工具、學科理論工具、計算工具解決復雜問題的能力。計算物理教育的邏輯起點每一個理論體系都有各自的邏輯結構，因而必定有一個邏輯起點。邏輯起點是理論體系的起始范疇、始自對象、思想和思維的起點，一般涉及到理論研究對象、研究內(nèi)容及其本質(zhì)的分析。邏輯起點的差異性決定了理論體系性質(zhì)的差異，其合理性制約著理論體系的推演過程，其科學性影響著理論體系的發(fā)展并直接關系到該理論體系指導下的實踐的成敗。確定邏輯起點的依據(jù)主要包含黑格爾在《邏輯學》以及馬克思在《資本論》中提出的質(zhì)的規(guī)定性，主要包含以下三點[6]：第一，邏輯起點是最直接、最簡單、最抽象的規(guī)定，它本身不需要說明，但是可以用來解釋整個理論體系中的其他內(nèi)容。第二，邏輯起點“不以任何東西為前提”“不以任何東西為中介”“沒有依據(jù)、或者說其本身就是依據(jù)”。可以理解為邏輯起點是演繹的最初始的依據(jù)，本身不需要證明。第三，邏輯起點也應該是歷史的起點，因為在科學理論上作為開端的東西，其在歷史上也是最初的東西。本文根據(jù)計算物理教育的本質(zhì)內(nèi)涵，提出其邏輯起點為“基于普適計算與物理學的教育活動”，并以關于質(zhì)的規(guī)定性為判斷依據(jù)進行驗證。1.計算物理教育的邏輯起點：基于普適計算與物理學的教育活動計算物理教育作為教育學下位的一個三級概念，一方面，其邏輯起點必須與教育學的邏輯起點具有共性，即計算物理教育的邏輯起點也應該屬于“教育活動”。另一方面，計算物理教育的邏輯起點必須具備其自身特點，這是區(qū)別于教育學其他下位概念的根據(jù)所在。何克抗教授提出教育學的邏輯起點是“教育活動”[7]，而計算物理教育區(qū)別于其他概念的地方在于利用普適計算和物理思維來賦能教育活動，培養(yǎng)創(chuàng)新人才?；谏鲜龇治?，可以將計算物理教育的邏輯起點表述為“基于普適計算與物理學的教育活動”。2.對計算物理教育邏輯起點的驗證基于質(zhì)的規(guī)定性對計算物理教育的邏輯起點進行驗證。第一，“基于普適計算與物理學的教育活動”是計算物理教育理論體系中最簡單、最抽象的規(guī)定。一方面，它本身是無需說明的，例如，若要說明“基于普適計算與物理學”是什么，需表述為“借助計算機科學與物理學科領域的思維和研究方式”，要比邏輯起點中的表述復雜得多。另一方面，它可以用來說明借助普適計算和物理思維進行的一切教育活動，例如利用頻閃截屏進行加速度的探究、利用虛擬仿真實驗探究α粒子散射等?？梢娫撨壿嬈瘘c符合第一條規(guī)定性。第二，將“基于普適計算與物理學的教育活動”作為初始依據(jù)，可以演繹出整座計算物理教育的大廈。比如，可以演繹出以普適計算與物理學為基礎的“教”“學”“管理”以及整個“泛在學習空間”。再比如，以具體案例進行劃分，可以產(chǎn)生“虛擬物理實驗”“人工智能物理學伴”等概念。可見“基于普適計算與物理學的教育活動”符合第二條規(guī)定性。第三，從計算物理教育的歷史發(fā)展分析和定義中可以看到，計算物理教育的本質(zhì)目標是提升學生的創(chuàng)新思維能力、實際問題解決能力及物理學科核心素養(yǎng)水平，普適計算與物理的思維是適應現(xiàn)代環(huán)境的兩個重要載體，又因為教育本身是一種社會活動，是一種以活動形態(tài)表現(xiàn)出來的社會現(xiàn)象，所以邏輯起點和研究對象在歷史起點上是一致的。計算物理教育的實施途徑建議1.加強普適計算認知，提高個體實際的或者復雜的問題解決能力首先，計算具有普適性。教育分為實驗教育、理論教育和計算教育。因此，應該在各個學科課程標準中都引入計算的概念、思想和方法。其次，在實施課程標準的時候，應該從基于計算手段創(chuàng)新教、創(chuàng)新學、創(chuàng)新管理和創(chuàng)新學習空間探討新的教學途徑和教學方法，更好地實現(xiàn)計算賦能教師和學生。計算作為現(xiàn)代科學的新形態(tài)，既是學科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容，又是學科教育的重要手段。有必要在課程標準中加強普適計算的地位，從而基于實驗、理論、計算三種手段提高學生綜合問題解決能力。比如，在中學物理課程標準中，物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任四大方面，應在每個方面都加入計算成分，有利于提高學生物理學科核心素養(yǎng)水平。2.打破傳統(tǒng)學科壁壘，提高學生科學素質(zhì)水平學科本位主義表現(xiàn)為學科知識自我封閉和自我分割，不利于個體創(chuàng)新意識與實踐能力培養(yǎng)。為了避免學科本位主義，需要打破傳統(tǒng)學科壁壘。學科存在的基礎是個體認知世界能力的有限性與世界無窮性的矛盾。此矛盾不消失，則學科存在的基礎不會消失，就目前科技發(fā)展狀況來看，學科消亡論站不住腳。但是，普適計算與泛在感知產(chǎn)生了新的研究范式，個體認知世界能力普遍得到提高，學科劃分的知識邏輯與應用邏輯之間的沖突日益明顯，學科劃分的滯后性與社會快速發(fā)展的需求沖突逐漸加大，學科之間的界限是可以改變的。學科教育的跨學科性開始受到重視。個體解決綜合的或復雜的真實問題的時候，往往需要具備跨學科意識，混合運用多種學科知識和經(jīng)驗。計算教育學能夠有效地提升個體解決綜合的或者復雜的真實問題的能力。作為計算教育學的下一層級的計算物理教育，應該利用計算手段的“大儲存，高運算，多聯(lián)結”的特點提高個體認知世界能力，或者提高個體科學素質(zhì)水平。3.轉(zhuǎn)變主流教學范式，培養(yǎng)未來創(chuàng)新人才隨著信息科技的迅猛發(fā)展，知識處于爆炸狀態(tài)，學校的主流教學范式應由講授式教學轉(zhuǎn)向項目化學習（PBL）。項目化學習是通向未來教育的橋梁。普適計算與泛在感知改變了個體的學習方式和學習內(nèi)容，同樣也改變了傳統(tǒng)的課堂教學結構。傳統(tǒng)的物理課堂教學系統(tǒng)由“學生”“物理世界”“媒介”“教師”四要素構成，現(xiàn)代物理課堂教學系統(tǒng)構成要素增加了一個“人工智能”要素。系統(tǒng)構成要素的改變會導致系統(tǒng)結構與功能改變。需要探討豐富的未來創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新教學模式。計算物理教育同樣需要探索基于普適計算和泛在感知的項目化教學模式。筆者在十多年現(xiàn)代科學計算形態(tài)科普與啟蒙的“數(shù)字科學家”計劃中[8]，提出了一種計算物理教育的實施途徑和教學模式——2PBL教學模式，即問題式學習（Problem-BasedLearning）和項目式學習（Project-BasedLearning），其教學流程如圖1、圖2所示。2PBL教學模式具有以下特點。第一，教學組織形式基于教師“微講授”主導，以教師為主導、學生為主體，充分調(diào)動學生的主動性。第二，教學流程由基于問題、任務、產(chǎn)品的真實情境驅(qū)動，提供了實踐探究和社會互動的基礎，旨在培養(yǎng)學生面對復雜和不確定性社會環(huán)境解決實際問題的能力。第三，教學工具均包含實物工具、學科理論工具、數(shù)字化工具，將物理學科核心素養(yǎng)作為教學目的。值得注意的是，2PBL教學模式是主流教學范式轉(zhuǎn)變的路徑之一，針對不同的教學環(huán)境和具體任務，可以對流程進行解構、重構，甚至發(fā)展出其他教學范式。4.探索計算物理教育研究范式，創(chuàng)新學科教育理論現(xiàn)代物理教育分為實驗物理教育、理論物理教育和計算物理教育。鑒于物理學科的基礎地位，計算物理教育肩負著引領物理教育理論或者學科教育理論創(chuàng)新，創(chuàng)新人才培養(yǎng)之責任。計算物理教育具有時代性、普適計算性和跨學科性，其理論尚不成熟，需要從研究范式進行審視。一般而言，教育研究方法的基本范式分為思辨研究與實證研究，這也是科學研究領域的兩種基本研究范式[9]。思辨研究注重基于邏輯推理來建構概念、理論或觀點，而實證研究注重事實和證據(jù)的教育實驗[10]。但二者的局限性不容忽視，教育研究的對象是一個復雜的多變量非線性系統(tǒng)，思辨研究與實證研究容易受研究者主觀影響、難以關注到全部變量且受干擾因素影響較大。但是，普適計算與泛在感知為實證研究提供了一個新的研究范式，那就是新“窮舉范式”。比如在研究多對象、大樣本的時候，可能不會采取由局部推知整體的研究范式，而是采取全樣本研究范式。由于計算機具有“大儲存，高運算，多聯(lián)結”的特點，大大拓寬了研究變量的范圍、減少了主觀判斷的影響。更具體地，可進行基于大數(shù)據(jù)的教學行動研究、虛擬教學實驗、人工智能預測分析，從更定量的角度分析學生學習的認知過程、課程體系、教學評價，以此為依據(jù)設置和調(diào)整教學內(nèi)容、組織形式和評價方式。未來展望隨著大數(shù)據(jù)技術、云計算技術、人工智能技術、虛擬現(xiàn)實技術等現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，促使人類進入感知的、計算的、智能的、虛擬空間與現(xiàn)實空間相互融合的智慧社會。普適計算與泛在感知將深刻影響人類的生存方式和學習方式。教育面臨的關鍵問題是能夠把人培育成為一種超機器、超生物、超工具的社會存在物，而不是機器的奴隸和工具化的存在（李澤厚，2004）。未來教育的主流教學范式將由講授式教學走向項目化學習，學科教育面臨著守正創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。未來跨學科教育與學科教育之間的矛盾將逐漸弱化，跨學科教育作為學科項目化學習的重要形式，而學科教育則作為提供專家型工具和經(jīng)驗的手段，共同促進未來教育主流學習