本科教育与科学启蒙

摘 要：本科教育是我国高等教育的主体，在高等教育结构中居中心地位。它不同于以升学为目的的初等教育，也不同于以研究、创新为目标的研究生教育。长期以来，我国本科教育把基本知识、基本技能（简称“双基”）的理解和掌握作为本科教学的中心内容，所有教学环节围绕这个中心来进行。而科学启蒙包括科学发现意识的觉醒、科学研究方法的掌握和科学钻研精神的培养。从科学启蒙的这个定义来说，显然，目前的大学教育未能在大学生中完成科学启蒙的教育任务。本文研究科学启蒙教育融入本科教育中的必要性、紧迫性和可行性，并以“多普勒效应”一讲为例介绍目前上海交通大学在“双基”教育中进行科学启蒙教育的实践。

关键词：本科教育；双基；科学启蒙；多普勒效应

本科教育属于高等教育体系。它与以升学为目的的初等教育有本质的区别，与以研究为目的的研究生教育也有不同。本科教育具有承上启下的作用，是我国高等教育的主体，在高等教育结构中居中心地位。按我国教育部的规定，高中毕业生经过升学考试（高考）达到一定的分数标准可以录取为高等教育学校学生，接受本科教育。在本科教育阶段，学生按照本科教育大纲与计划学习有关的课程、进行实验、教学实习和社会调查，接受某些学科的科研训练，写作毕业论文与完成毕业设计。学生学完依据教学计划所规定的全部课程，考试合格者，准予毕业，发给本科毕业证书。高等院校在教育教学的具体执行中，大多数高校在四年本科教育中的前三年半进行“双基”教育，最后半年实习，接受科学训练，完成毕业论文；少数研究型大学激进的做法是让“大一”学生就走进实验室，跟着教师进行科学研究。笔者认为这两者各有优缺点。第一种强调“双基”的教育为我国培养了大量技术性人才，在我国跟上发达国家的技术发展中起到了巨大的作用。但进入21世纪后，我国对科学技术发展提出了新目标——期望在今后的科学技术发展中起到引领作用。显然，目前强调“双基”教育的本科教育是不能完成这个任务的。第二种把“大一”学生直接带进实验室的办法则有些太过激进，学生“双基”知识学习不踏实、掌握不牢固，科学研究就是在沙滩上起高楼，楼建不高也不稳。本文建议把科学启蒙教育融于本科“双基”教育中，这种两者兼顾的教学方法或许是实现新时期新任务一种好的本科教育培养人才的模式。下面从三个方面阐述把科学启蒙（启迪学生的科学发现意识，让学生熟悉科学研究方法，培养学生的科学钻研精神）融于“双基”教育中的必要性、紧迫性和可行性。并以“多普勒效应”为例介绍科学启蒙教育在上海交通大学物理教学中的实践，分享我们将科学启蒙融于“双基”教育中，让学生在掌握基础知识的同时获得研究学问的智慧的教学理念。

一、中国本科教育与科学启蒙的历史回顾

我们首先从历史发展的角度谈谈科学启蒙融入本科教育中的必要性。历史上，中国有几次科学启蒙运动。明末清初有过第一次比较系统地引进了当时西方刚刚发展起来的科学，但是很快失去了兴趣，因为觉得科学对中国没有用；清朝的先贤们认为技术才是拯救国家的法宝，发出“以夷制夷”的口号，因此有了著名的洋务运动。第二次是五四运动时期，又一次把科学——“赛先生”引入中国。1917年1月9日，蔡元培正式就职北大校长的就职演讲中说：“大学不是换卖毕业文凭的机关，也不是灌输固定知识的机关，而是研究学理的机关。大学生要以研究学术为天职，不当以大学为升官发财之阶梯！”[1]可以看出，是北大校长蔡元培先生首次把科学启蒙引进了大学本科教育中。在北京大学校长蔡元培、清华大学校长梅贻琦、南开大学校长张伯苓以及后来的西南联合大学、交通大学、浙江大学等校长们的倡议下，民国时期的大学引进了一大批海外留学归国学者，后来他们大多成为著名的科学家。他们是物理学家叶企孙、胡刚复、饶毓泰、萨本栋、吴有训、严济慈，化学家任鸿隽、曾昭抡、侯德榜、庄长恭，地质学家丁文江、翁文灏、朱家骅、李四光，生物学家胡先骕、陈桢、李继桐、童第周，气象学家竺可桢、赵九章，等等。民国时期也培养了一批科学家，物理学家有吴大猷、杨振宁、李政道、吴健雄、丁肇中、崔琦、高锟，化学家有李远哲、钱永健等。但是，那时中华民族面临的是生死存亡的问题，刚刚兴起的科学还起不到多大作用，因此，很快又失败了。“文革”结束、改革开放以来，科学教育恢复发展。但中国刚刚开始由计划经济向市场经济转型，第一要务是解决温饱问题，以至于钱学森先生临终前留下了著名的“钱学森之问”。

现在，温饱问题已解决，大多数国人在奔小康了，我国也成为世界第二大经济体。下一阶段，经济如果要再上一层楼，需要有颠覆性的创新，这个难度会非常大。这一定需要中国未来的科学研究、科学发现的支持。因此，目前在我国本科教育中引入科学启蒙教育应该是最好的时期，也是必须下决心做的一件事。

二、中国本科教育中科学启蒙教育的现状

实际上，在欧美国家科学启蒙从小学就开始了，他们的小学生作业就充满各种读书报告、调研论文。美国不太重视“基础知识”的学习，但却极其看重学生“创造力”的培养，因而才会有美国白领不会算“10减6等于几”貌似“可笑”的事情发生，他们觉得要趁孩子年龄小时抓紧培养创造性思维；而中国教育特别重视所谓的“双基”，重在练“基本功”，不重视对学生创造力和思维能力的培养。中国的升学选拔制度强化了“双基”教育。我们的中学教育体系没有进行严格意义上的科学启蒙，主要是给学生灌输科学知识（有人认为有了科学知识就完成了科學启蒙，科学知识教育就是科学启蒙教育。这显然不符合我们对科学启蒙的定义，本文不讨论这个话题）。这是因为现在的升学考试需要考生在2到3小时内完成一定数量的习题，质量上越接近标准答案考分越高，所以，学生只能靠平时多做各种类型的习题，考试时做到看到考题就有条件反射地想到在哪里见过，然后马上写出来才能做完做好相关考题。这种应试考试实际上考的是学生的记忆能力，至于这个学生是否理解、是否有思想新意、是否能把学到的知识融入生活、生产实践中一概无法在考试中检验出来。由此一来中国的学生高分低能就是自然而然的事了。这也造成中国的科学启蒙教育只能在大学本科教育中进行了。

目前中国的大学本科教育怎样呢？以上海交通大学为例，2015年以前上海交通大学“高等数学”教学大纲如下：本课程是以极限为工具，研究函数的微分和积分的一门学科，其主要内容包括极限、连续、一元微积分及导数的应用等。通过对本课程的学习，使学生了解“高等数学”的知识体系，理解“高等數学”的基本概念和基本理论，掌握微积分的基本运算技能，进而提高学生的数学素养及运用数学方法分析问题和解决问题的能力。2015年以前上海交通大学“大学物理”课程教学大纲如下：通过本课程的教学，应使学生对物理学所研究的各种运动形式以及它们之间联系，有比较全面和系统的认识；对本课程中的基本理论、基本知识和基本技能能够正确地理解，并具有初步应用的能力。在本课程的各个教学环节中，应注意对学生进行严肃的科学态度、严格的科学作风和科学思维方法的培养和训练，应重视对学生能力的培养。（1）要求学生对某些知识透彻理解、牢固掌握，并能推导出相关定理；（2）要求学生对某些知识理解并能掌握，对定理的推导不作要求，但要求会用它们分析、计算有关简单问题。

从这两个教学大纲中可以看出，“大学数学”教学和“大学物理”教学强调的是让学生掌握“基本知识”，学会“基本技能”，即所谓的“双基”教育。这种教育培养了千千万万的技术管理人才，在将我国从文盲率90%的贫穷落后国家提升到世界第二大经济体中发挥了巨大的作用。明显的例子是，日本有东芝彩色电视后，我们研制出长虹、康佳；美国有苹果手机，我们也研制出华为、中兴手机；欧美有波音、空客客机，我们有C919，等等。现在，我们在很多行业技术上基本追上了发达国家。但是，这种教育的缺陷也是明显的，它使得我们学生的创新能力还比较欠缺，原创理论还很少。更为严重的是，在目前的高等教育知识体系中，部分学生感到在数学课上学到一大堆不知有何用也不会用的公式；物理课上又讲一些绕口的基本理论、基本知识。无论是数学教学中还是物理教学中，教师没有帮学生把这些东西很好地串联起来，使学生在这种分裂式的教育中成为牺牲品。比如，我在教学中发现学生在“高等数学”课程中学习了微积分，仅知道把给定的积分式按要求写出结果，却不知道里面的被积函数代表什么，积分微元又是什么意义，怎样选取积分微元等等。物理课上这些都要重新教，否则，学生还是糊涂的。这也导致学生在出国留学等进一步的学习中感到前所未有的迷茫，需要一到两年的重新学习和适应欧美发达国家的教学环境。一名清华大学电机系96级学生在美国加州伯克利大学攻读博士研究生时写道：Preliminary是伯克利的博士生入门资格考试，在这场考试中，一个密封的教室中坐着三位教授，每人给考生出一个大问题，各20分钟，共计1个小时。要求考生在台上当场思考，在白板上画图分析，用英语讲解和回答问题。拿着问题直接建立数学模型，然后用数学参数、物理公式解题的中国学生大多被教授直接拒掉。教授的答复是这类学生采用了技工的思维方式而不具备一个工程师的基本素养。更为严重的是，目前的本科教育还导致在中国产生了千千万万的高分低能毕业生，而且还在继续不断涌现。

我们本科教育的问题出在哪儿呢？我们老师不是常年都是这样教学生的吗？——教导学生看到问题，思考该问题与哪个公式接近就套用哪个公式就把问题解决了。我们的考试就是针对各种公式、定理挖坑、绕弯，看学生怎样爬出教师设的坑，绕过教师设的弯弯找到合适的公式解决问题。我们的本科教育还有哪些不足呢？在美国教授思维体系里一个合格的工程师的基本素养是什么？要知道自己的差距，可以先从欧美发达国家的教育入手，看看他们是怎样学习、怎样对待教授的问题的。由于美国学生从小学教育就强调Presentation（展示）的训练，练的就是站在讲台上侃侃而谈的本事。他们说到与自己专业有关的知识就神采飞扬，滔滔不绝，如数家珍。在回答教授问题时他们中的大多数能有效地将未知的问题简化成熟悉的形式，然后一针见血地指出问题的关键所在，猜出初步答案。诺贝尔物理学奖获得者杨振宁在与诺贝尔文学奖获得者莫言的对话中，杨振宁说：“科学是一个猜想的学问”。美国学生的“猜”答案，竟然与物理学家杨振宁对科学研究的观点惊人地吻合！这个“猜”是随意的吗？是任何人都可以完成得很好的吗？我想不是。我暂且把杨先生的“猜想”理解为某人对某个事件、某种现象的直觉反应，这种直觉反应来自于人们长时间思考某个现象、某个事件后一种豁然醒悟。我们的教育虽然不能直接教学生怎么“猜”，但我们可以培养学生遇到新现象或者新事物的时候快速思索、得出一个初步结论的能力。我们现在的教育过程就缺少了这一个环节。所以，无论从新时期新需要出发，还是从发展学生的自身的创新能力出发，改革我们的本科教育势在必行，而且也是非常紧迫的任务。

三、在本科教育开创科学启蒙教育的尝试

我国经济的改革开放进行了近40年了，我国的教育改革也一直在进行，但与世界尤其是美国、欧洲、日本教育的差距还很大。为了顺应时代的要求，2017年，上海交通大学物理与天文学院，重新拟定了工科“大学物理”的教学大纲。中心内容如下：本课程是为工科低年级学生学习科学的思想方法和研究问题的方法，较系统地打好必要的物理基础而准备的。在培养科学思维方式与科学素养、工程能力与工程素养方面起到引领性作用。它不仅对在校学生的学习十分重要，而且对学生毕业后的工作和进—步学习新理论、新技术都将产生深远的影响。通过课程的学习，要达到以下目标——使学生对物理学的概念、模型、规律的建立过程有明晰、正确的理解，由此熟悉并掌握物理学的思维方法，对物理学研究的各种运动形式以及它们之间联系，有比较全面和系统的认识；掌握本课程介绍的基本理论、基本知识和基本技能，具有初步应用的能力。使学生逐步认识到物理学是一套获得、组织、运用和探求知识的有效步骤和方法。在注重知识体系完整的同时，提高学生的兴趣，让其主动参与实际探究过程，实现工程人才的知识、能力、科学素养的一体化培养。

这份教学大纲首次把培养学生科学发现意识、科学思维方法和科学素养（科学启蒙）置于重要位置，理顺了“双基”教育与培养科学思维能力的关系，把科学启蒙融于本科“双基”教学过程。下面以本课程中的第二十二讲“多普勒效应”为例来分析怎样引导在大学物理教育中开启学生的科学启蒙教育[2]。

1.多普勒效应的研究背景——用历史故事引出知识点

奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）诞生于1803年。当时的人们都普遍认为，无论声源和观察者做着怎样的运动，频率总是一定的。即通俗地说，两个前进速度不同的人边走路边说话，听到的声音的高低，与他们停下来说话的声音频率是相同的。然而多普勒推翻了人們的这一结论。1842年的某一天，多普勒正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声音变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象产生了极大兴趣，并进行了研究，发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。后来，人们把这个现象称为“多普勒效应”。

这件事情多数人都可能遇见过，但为什么直到1842年才由多普勒提出来呢？或许一些人听得不仔细，没有发现什么不同；或许一些人对该现象司空见惯，不感兴趣，放过了身边的机会。故事告诉我们遇事多听听，多看看，而且要保持好奇的心态。爱因斯坦说，自然往往只给我们露出那么一点点可观察的现象，只有仔细聆听它的人才有可能抓住这个现象，发现隐藏在现象背后原因。 做一个保持好奇心的学者，一个仔细聆听自然的人是科学启蒙的第一步。

2.多普勒效应的实验验证

多普勒只是观察到了这一现象，但没有给出理论上的解释，也没有通过实验来证实这一现象。在多普勒时代，实验条件还比较落后，不可能通过计算机记录波形，然后通过比较几幅波形图，计算出波的频率。所以许多人并不认同他的观点，他们的理由是多普勒的假说缺乏足够的实验数据支持，也没有得到有力的理论证明。直到1845年，荷兰气象学家拜斯·巴洛特（Buys Ballot）通过一个实验验证了它在声学上的正确性，多普勒效应才得到人们的认可。实验中，巴洛特请了很多吹小号的大师在一节平稳车厢上奏乐作为声源。当火车快速行驶过来时，由一些专业的音乐家判断音调的变化，然后将小号手与音乐家的位置对换，重新进行测量。进行多次反复实验，巴洛特最终成功地验证了多普勒效应在声学上的正确性，使多普勒效应得到大家的认可。现代科学实验中已开发出多种型号的多普勒效应综合实验仪来测量声频的多普勒效应。

这个故事说明真理往往掌握在少数人手里，多数人都是或者习惯于当前的环境，懒得思考，或者跳不出自身思维的框架发现不了新事物。只有勇敢、睿智的人才有希望摘取自然馈赠的明珠。实验验证是科学研究诸多方法中的一种，这个故事也让学生明白实验验证在科学研究中的重要性。

3.多普勒效应的数学描述及物理解析

由于多普勒效应是指当波源与观察者有相对运动时，观察者实际接收的频率与波源发出波的振动频率不一致的现象，我们研究这个问题的目的就是要明确这两者之间的定量关系。如果我们用v0表示波源的频率，vR表示观察者接收的频率，波在介质中的传播速度为u。在波源静止，观察者以速度uR接近（或者远离）波源运动，则波相对于观察者的速度为u±uR（接近取“+”，远离取“-”）。进一步，在波源静止情形下，波长不变。根据频率、波长、波速三者之间的关系，我们得到接收器接收到的频率为

从式（1）可以看出，观察者向着波源运动时，接收频率大于波源发出的频率；当观察者远离波源运动时，接收频率小于波源发出的频率。

现在假设波源以uS的速度运动，观察者静止，则波相对于观察者的速度为一常数。如下图所示，波源运动导致两相邻相差2π相位的空间点距离发生变化，也就是波长发生变化，即，（波源接近观察者运动取“-”，远离取“+”），这样观察者接收到的频率为

从式（2）式可以看出，波源向着观察者运动时，接收频率大于波源频率；当观察者远离波源运动时，接收频率小于波源频率。

当波源和观察者都在运动时，综合上面两种情况，观察者接收到的波的频率与发射源发射的频率有如下关系

我们注意到，波源发出的频率是固定不变的，它不随物体运动状态的改变而改变。而接收者接收到的频率是变化的，是因为观察者和波源之间存在相对运动，并不能认为仅仅是因为接收者在运动。如果波源和接收者以相同的速率朝同一方向运动，即相对速度为0，此时观察到的频率即为波源发出的频率。另外，多普勒效应只发生在波源与观察者连线方向，垂直方向没有多普勒效应，所以多普勒效应发生时接受波的频率的一般表达式为

式（4）中θ1，θ2分别为观察者运动方向和波源运动方向与波源与观察者连线之间的夹角。

这一节综合运用学生已经学习的波长、频率、波速这些概念来深入理解隐藏在多普勒效应背后的原因，发现现象中蕴藏的普遍原理，这是科学启蒙意识培养的关键环节。

4.多普勒效应的拓展——光的多普勒效应

多普勒效应不仅适用于声波，而且还适用于光波。由于光具有波动性，光的频率也会随光源运动速度或者观察者运动速度变化而变化。光的多普勒效应被称为“多普勒-斐索效应”。1848年，法国物理学家斐索（Hippolyte Fizeau，1819—1896年）独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，探索出利用多普勒效应测量恒星相对速度的办法。光波频率的变化使人感觉到的是颜色变化。当恒星远离我们远去时，光的谱线向红光方向移动，称为红移；当恒星向我们运动时，光的谱线向紫光方向移动，称为蓝移。这一发现在天文学上具有重大的作用，通过分析接收光的频谱，人们可以研究距地球任意远的天体的运动。1868年，英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度。

这个小节扩展了学生的视野，让学生从古老文明走向现代文明；更重要的是这小节是一个开放性的话题，学生可以在这一节尽情发挥，各抒己见，各展所长。

5.多普勒效应的物理意义及对人类生活的影响

由多普勒效应，爱德文·哈勃（Edwin Hubble）得出了宇宙正在膨胀的结论。早在19世纪下半叶，天文学家也已经能够通过多普勒效应来测量恒星的视向速度。多普勒效应在生活中也具有广泛的应用。超声波的多普勒效应已经用于医学的诊断，医院用的彩色超声波（彩超）原理就是超声波的多普勒效应。彩超既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动动力学的丰富信息，它受到了医生们的重视和欢迎。在临床上彩超被誉为“非创伤性血管造影”。当然，声波的多普勒效应还可以用来检测车辆是否超速。向行进中的车辆发射一束信号，通过计算返回信号与原信号频率的差值（拍频），就可以判断车辆是否超速。此外，它还可以用于气象预警、卫星通信、军用雷达等方面。

这个内容让学生明白科学与技术的联系。这是我国教育中欠缺的，以致我们大多数人分不清什么是科学、什么是技术。搭一座科学与技术联系的桥梁是科学启蒙教育的较后环节，但也是必需的。如我的学生王裕杰同学在他完成了仔细研读“多普勒效应”一讲后写道：“第一次接触到这个知识是在高中的物理课本上，当时老师仅仅是一笔带过了，自己也没有多大的印象，觉得只需要记住一个公式就行了。然而在我读了这一讲后，发现多普勒效应作用如此之大。它在我们的生活中几乎无处不在。我深深感受到了多普勒效应的魅力所在，同时也认识到没有哪个物理知识是没用的，一个物理知识的实现与应用只是时间问题。”

综上所述，我们在“多普勒效应”这个知识点讲解中用五个步骤中的前四个，把科学启蒙的几个关键环节——聆听自然、发现问题的意识，研究科学的一般方法，钻研科学的精神清清楚楚地展现在学习者的面前，通过最后一个步骤把该科学知识在现代工业、医学、国防中的应用情形介绍给学生，并通过提问、回答问题环节赋予学生提出新问题的机会。这样，科学启蒙教育自然而然地在扎实的“双基”教育中完成了。所以，我认为科学启蒙教育是必要的、紧迫的，也是完全可以融入现在的本科“双基”教育中的。

参考文献：

[1] 崔志海. 蔡元培传[M]. 北京：红旗出版社，2009.

[2] 李翠莲. 大学物理精讲与典型难题详解[M]. 上海：上海交通大学出版社，2017.

[责任编辑：余大品]