学习中的“有用”和“没用”——我的“甘蔗”理论

靳奉涛 高 城

（国防科学技术大学理学院，湖南 长沙 410073）

在近几年的教学中发现，有同学在学习中常常情不自禁地在想：我学的这部分内容是“有用”的吗？是学习的重点吗？对考试、对今后的工作是“有用”的吗？这样的想法不但困惑着许多同学，甚至也困惑着我：我教的这些知识对学生的考试和今后的工作有直接的帮助吗？我需要对授课内容进行精挑细选，过滤掉那些“没用”的知识以提高学习的效率吗？我的一些“发挥”是不是浪费了本就紧张的课时呢？这就比如说一根甘蔗，我是将其中的糖榨出来直接给学生呢，还是教会学生怎样去吃甘蔗呢？这样的纠结在目前课时比较紧张的情况下显得尤为突出。

在第一节课，我就告诉同学们，到了大学阶段，物理学的学习与高中阶段不同，不但要学习系统的理论知识，更应该探求公式、定理背后的“物理”，也就是这个世界运动的根本道理，来完善我们的世界观，也锻炼思考和认识世界的能力。打个比方说，如果说以前物理学就像是一位漂亮的姑娘，她美丽的容貌吸引我们了解她，那么到了大学阶段，我们不光要了解她的外表，更应该去探究她的内心，她迷人的气质和深邃的思想才是长久吸引我们的真正魅力所在。要把物理当作一门学问来学习和研究，而不仅仅是一种未来工作的工具，这也是大学治学所应该具有的一种精神。在这一阶段，应该更多地徜徉在广阔的知识森林里去发现更多的精彩和美妙，发现自己的兴趣，而不是试图去找一条“有用”的路径来尽快地穿过迷宫到达彼岸。走这样的“捷径”看似效率高，但也就意味着可能失去一些发现更多精彩的机会。因此如果仅以考试和今后的工作作为目标的话，当然就会觉得很多学习内容是“无用”的、效率低的。在科学技术不同领域交叉融合发展趋势越来越明显的今天，这种只见树木，不见森林的短视现象是制约创新能力的一个大的因素。

美国近代物理学大师、诺贝尔物理学奖获得者费曼在给学生上课时曾经说过：“请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。”可见，对物理学的欣赏和探索应该是本科阶段学习的一个主要动力和目标。

有学生曾跟我说过：“有些内容太‘物理’，看起来离一些具体的科研工作，特别是离那些前沿的科学比较远，因此不清楚‘有什么用’。”

举个例子来说，人们对宇宙的探索，在很多人眼中就是一种典型的“无用”，探索那些极其遥远的星星除了满足我们的好奇心外似乎对实际的生活没有什么用处。可是，从人类的发展史不难发现，从古至今，人们从来就没有停止过对宇宙的思考和探索。每当掌握了新的知识，人们就会迫不及待地重新去认识和解释我们的宇宙。远古时的图腾崇拜是人们无法解释世界时的一种猜测和信仰。到了古代，智者以有限的经验以及哲学去思考宇宙的组成和运行规律。到了牛顿开创了经典力学后，人们终于具备了强有力的科学理论依据去研究天体的运行，宇宙学和天体物理学成为严谨的科学。到了19世纪，当克劳修斯提出了热力学第二定律和熵的概念后，就马上把它推广到整个宇宙而提出了宇宙的热寂说，推测宇宙的最终命运，认为宇宙将走向一个毫无生机的平衡态，引起了科学家长久以来的争论。到20世纪，科学家在相对论以及实验观测的基础上提出了宇宙的大爆炸理论。而在当代，运用量子力学、粒子物理、相对论以及最先进的实验装置（如用来寻找“上帝粒子”的欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）等来研究宇宙的起源是目前最前沿的研究领域。这些研究若以一般的目光来看耗资巨大却似乎没有多少用处。

今年4月5日，由诺贝尔物理学奖获得者丁肇中领导的用于寻找宇宙暗物质的阿尔法磁谱仪项目发表了首批结果。有记者曾经问丁肇中，这个花费了巨额资金以及十余年时间的项目能带来什么经济价值，丁肇中回答“不知道”；这个项目最后能否成功地发现暗物质，他的回答依然是“不知道”。在他看来，这个项目的用处就是满足物理学家的兴趣和好奇心，对未知世界的探索就是他们的动力。

其实，这些看似无用的研究却恰恰有着巨大的作用。首先，物理学家始终保持着对未知世界的孜孜探索，始终向往着对真理的追求，并且苦在其中、乐在其中。这种精神本身就是推动人类文明进步的宝贵财富。其次，这些前沿探索能够极大地推动科学技术的发展。如果不理解阿尔法磁谱仪项目能够带来什么有用的成果，那么就回头看一看牛顿时代。当时人们也如我们现在一样看不到对天体的研究会带来什么有用的东西，可现在的人类不是实现了飞天的梦想，并且已经在考虑到火星去旅行了吗？没有那时的探索，怎会有今天的成就？因此，如果没有长远的目光，只研究那些眼前能够看得到的东西，也许就会错过更多的机会，也不会创造出机会。

我在近三年教授“热学”课程，对象是物理、光电专业的大一年级本科生。“热学”是基础物理学系列课程（包括力学、热学、电磁学、光学和原子物理学）的第二门专业必修课程。教材选用南京大学秦允豪教授编著的《热学》，该教材2011年被评为普通高等教育精品教材。其一大特色是就是在基本的教学内容之外撰写了大量的选读内容，涉及许多与热学相关的前沿领域。例如宇宙大爆炸与宇宙演化理论、暗物质、暗能量等，与热力学第二定律和熵有关的内容则介绍了宇宙的热寂说、生命科学、信息科学与熵的联系，又如地球环境演化与热学的关系等。这些内容并不太具体，甚至看起来有点“科普”的味道，但却大体勾勒出了现代物理学基本的轮廓和进展，有利于学生对物理学整体面貌的了解，也避免了太“专业”的公式使得选读内容晦涩难懂，这对于学生视野的拓展非常有帮助。

照理说，这本教材呈献给学生的是一片美丽的森林，读这样的书应该是一种享受。不过，从实际的教学情况来看，效果并不理想。对于选学和选读内容，很少有学生去认真阅读，查阅相关资料。究其原因，首先是缺乏轻松、自由的学习氛围。在多年的应试教育中，学生自主学习的习惯没有培养起来，学生更关心的是教材的哪些内容是考试的重点，没有学习的浓厚兴趣。其次是学习时间的紧张。目前学生课下自习的时间越来越少，而且有很多课余时间被许多“有用”的竞赛等活动占用，导致学生兴趣为导向的主动学习较少，而且这种情况有加剧的趋势。再次是授课时间的紧张。“热学”课程在前几年的课时是26学时。由于课时少，不得不对内容进行精心挑选，还要对课堂教学精心设计，以保证基本理论的学习以及授课过程的顺利进行。与前沿进展联系紧密的内容无法作详细的探讨，选学、选读内容就更难以在课堂上介绍了，这在客观上更加给学生一种选读内容无用的印象。物理学的一个特点是发散性，课时少使得教学过程中介绍拓展内容显得捉襟见肘，对科学前沿与教学内容的讲解不够详细和深入，对提升学生学习的兴趣也是不利的。在与其他的教员讨论这个话题的时候，发现也有类似的情况，讲课时常常有惜时如金的感觉，生怕一些即兴的发挥耽误了计划好的课堂设计。在这样的情况下，难以保证课堂有个轻松、活泼的教学氛围。今年增加到了36课时，紧张的气氛稍有缓解。

克服这些困难，首先要培养学生广泛阅读的兴趣，广泛的涉猎是创新的源泉。例如德国的医生迈耶通过对人体血液与氧的作用的观察在 1842年提出了功热的转化原理并提出了能量守恒的思想。1948年信息论的创始人香农将熵的概念引入到信息论中提出了信息熵。近代著名的物理学家和天文学家伽莫夫是宇宙大爆炸理论的提出者和完善者，还提出了DNA中的遗传密码的设想。他同时也是一位著名的科普作家，他的《物理世界奇遇记》至今仍是最流行的科普读物，几代人在这本书的影响下走上科学之路。这些例子都表明广泛的兴趣和积极的思考都是创新的源泉。虽然基础物理学课程分为力学、热学、电磁学、光学以及原子物理学等，但大多数研究都是这些学科领域的综合。从更大的范围来看，学科之间的交叉正在成为趋势，比如生物物理学、化学物理学、信息物理学、量子信息与量子计算等。没有广泛的兴趣和涉猎，没有发散的思维，又如何去产生或进入这些活跃的交叉领域？

其次，革新教学模式。现有的教学模式，多以老师讲学生听的形式为主，这种模式难以激发学生的学习兴趣。有许多老师在探索和尝试研究式教学和讨论式教学，目的就是要将学生主动学习的热情释放出来。这些教学模式就是要让学生学会咀嚼甘蔗，而不是把糖直接给他们。在今年的热学课上，我组织学生上了一次讨论课。题目源于今年3月21日《潇湘晨报》的一则报道：长沙有位肖师傅发明了一种高尔夫球车，利用压缩空气为车子提供动力。我让物理和光电专业的学生各自组织一支六七人的团队，利用课上学过的热学知识来判断采用压缩空气动力的车子能否达到报道中提到的每小时 30km的速度以及充一次气能行使 100km的里程。这次课的效果非常好，学生的积极性高涨，光电专业的学员甚至由于报名的人太多而组织了两个队。通过半个月的准备，两个队都查阅了很多相关的资料，从热力学原理的应用，到空气压缩动力车的原理、汽车功率平衡的演算，再到环保问题的讨论等，两个队进行了各自的阐述和相互的提问，可以看出学生是作了充分的准备。由于是学生对学生讲，讨论的气氛浓厚而热烈。讨论课达到了预期的目的：既联系了课堂教学的内容，也锻炼了学生收集、整理资料的能力以及交流和表达的能力，让学生真正地自己咀嚼甘蔗吸收糖分。尽管讨论课模式仍然存在许多需要改进的地方，例如题目的选择、讨论的形式及进程的把握、如何分配讲授课时和讨论课时等。讨论课如何进入对学生的考核和评价也是需要研究的。不过讨论式、研究式的教学方式无疑是一种值得探索和发展的方向。

再次，改革考试模式也是需要探索的课题。考试的模式很大程度上左右着学生学习的方式和态度，是培养学生良好学习习惯的重要因素。具有标准答案的考题往往使学生只去学习那些“有用”的重点内容，而具有开放式答案的考题则能考查学生更宽的知识和能力，也引导学生主动思考的学习习惯。

最后，将本文的话题发散一下。在当前的中国，粗放式的发展正在遭遇“中等收入陷阱”的威胁。要可持续发展，就需要社会管理、经济模式和科学技术的革新和升级。此时，创新的精神和能力尤其重要。当没有前人的车辙供我们借鉴哪些方向是“有用”的时候，就要靠自己从那些“无用”中找到“有用”。这时摆在我们面前的就不是糖而是甘蔗了，要学会自己去咀嚼甘蔗。诺贝尔文学奖获得者莫言在诺贝尔颁奖晚宴上的致辞中说：“文学和科学相比较的确是没有什么用处。但文学的最大用处，也许就是它没有用处。”其实，和文学一样，着眼于“用处”的科学研究不会具有长远的“用处”。在目前浮躁的社会心态下，急功近利的教育正在制约创新人才的培养。大学教育的改革，应该呼唤“朝闻道，夕死可矣”的求索精神，提倡自由探索和思考的独立精神，创造宽容和包容的学习与学术研究氛围。

透过生平的各种错误倾向，才终于弄清楚我打算去做的那些事情。

——歌德

[1] 秦允豪. 从物理现象着手教好活的物理学——谈2011年国家级精品教材《普通物理学教程热学》第3版和2005年国家级精品课程热学[J]. 物理与工程, 2013(23): 6-15.

[2] 秦允豪. 普通物理学教程 热学[M].3版. 北京: 高等教育出版社, 2011.

[3] 赵凯华，罗蔚茵. 热学[M].2版. 北京: 高等教育出版社, 2005.

[4] Aguilar M, Alberti G, et al. Fvst result from the Alpha magnetic spectrometer on the international space station: Precision measurement of the positron fraction in primary cosmic rays of 0.5-350 GeV[J]. Phys. Rev. Lett., 110, 141102 (2013).