许多年前，物理入门课程最优秀的一位学生对我说：“我知道怎么在物理课取得好成绩，但我觉得我们在课堂上做的事情不可能是物理学家在做物理时所做的。我想知道他们到底做了什么。”
这句话让我思考：1.学生在学习物理的同时是否有可能体验真正的物理？2.学生参加物理入门课程时，了解并感觉自己在做物理学家的工作，是否很重要？通过适当的教学法，学生可以体验真正的物理学，并且可以从感觉自己像真正的科学家中受益匪浅。因此，我开发探究型科学学习环境（Investigative Science Learning Environment，ISLE）的物理教学法。下面我将介绍它，展示它如何解决学生的担忧并解决我认为是21世纪物理教育面临的主要挑战。在物理入门课上，假设学生们已经了解了牛顿定律、动量和能量以及机械波，他们现在正在学习几何光学。他们已经学会了如何绘制光线图和解释阴影，并且他们熟悉镜面反射定律。在上一堂课上，他们使用牛顿粒子模型来解释入射角、反射角和阴影之间的关系。学生现在是第一次遇到“折射”。实验课上，学生被分成3-4组，并负责设计一个实验，研究当激光束击中半圆形有机玻璃的平坦表面时会发生什么。他们的目标是在入射射线和穿过有机玻璃的射线的路径中找到一种规律。
学生设置了一个实验（见图1），并测量了相对于入射表面法线的角度。实验讲义为他们提供了有关如何使用三角函数在数据中查找模式的提示。他们完成工作并与班上其他人分享他们的发现。一些团体提出了斯内尔定律（Snell’s law）。
图1 学生在入射和折射光束的路径中寻找规律。小图是自上而下的视图，显示激光束击中有机玻璃。
学生的下一个任务，是使用光的粒子模型来解释为什么光的路径会以它的方式改变。经过课堂讨论和教师的提示，学生们提出了以下假说：有机玻璃板的表面对光粒子施加吸引力，导致沿法线的速度分量增加。由于平行于有机玻璃表面的速度分量不会改变，因此光束会向法线弯曲（见图2）。
图2 用光的粒子模型解释折射。在空气中以速度v1行进，光粒子以入射角α1进入有机玻璃板。当光线进入有机玻璃时，它以小于α1的角度α2折射。为了使用光的粒子模型解释弯折，学生提出假说：当光粒子穿过空气-有机玻璃边界时，玻璃会对粒子施加吸引力，导致垂直于边界的速度分量增加。因此，有机玻璃中的光速v2将比空气中的光速v1快。
如果这个解释正确，那么塑料中的光速应该大于空气中的光速。为了验证这一假说，学生需要设计一个测量有机玻璃中光速的实验。教师向他们展示了一种新设备：建筑中用于测量距离的激光测距仪。 通过该设备，学生可以学习它如何确定与物体的距离：它使用空气中光速的值来测量发射和接收脉冲之间的时间延迟。学生们设计了以下实验：他们放置测距仪，使激光束穿过有机玻璃板并从平板末端的表面反射。它们记录设备测量的距离。然后他们让光束在空中沿着相同的距离。如果他们的假说正确，那么光束穿过有机玻璃的距离应该短于通过空气的距离。他们进行了实验，发现该设备在有机玻璃中测量的距离更长（见图3）。看起来光在有机玻璃中的传播速度比在空气中慢，这意味着基于粒子的折射解释是不正确的。
图3 在实验中，学生使用激光测距仪（每个面板的右下角，带有读数的插图）来测量光（a）在有机玻璃中和（b）在空气中传播的距离。然后，他们比较这些光速测量值，以确定哪一盏光的传播速度更快。
有没有另一种方法可以解释光束如何在有机玻璃中改变方向？一个学生认为光可能表现得像波。回到小组，学生利用他们对机械波和惠更斯原理的了解来解释光的波动模型如何解释初始折射实验的结果（见图4）。在后续课程中，他们回顾了他们的波模型并继续学习光的特性。
图4：用光的波动模型解释折射。在空气中以速度v1传播，光波以入射角α1进入有机玻璃板。当它进入有机玻璃时，光以小于α1的角度α2折射。为了使用光的波模型解释弯折，学生们假设一旦波前上的点到达空气有机玻璃边界，根据惠更斯原理，从有机玻璃中的这些点出现的圆形小波的半径将小于空气中的半径。波前从A-A'到C-C'的进展显示了它们是如何弯折的。只有当有机玻璃中的光速v2比空气中的光速v1慢时，才会发生这种情况。
由此可见，ISLE与传统教学法非常不同。学生不是坐下来听讲座或阅读教科书，关于光的波动模型及其如何解释折射，他们不仅自己提出这个想法，而且还学习为什么光的粒子模型不能解释这种现象。随着过程中的进展，他们学习如何设计实验以在新现象中找到定性和定量模式，设计解释这些现象的假设，设计实验来测试他们的假设，使用不同的图形表示来分析现象，预测进一步实验的结果，根据这些实验结果排除假设，与他们的小组一起工作，并向全班展示他们的发现和程序。这种教学法中，实验是学生物理知识发展的一个组成部分，而不是他们附带着去测试讲座中提出的模型。将模型的实验和理论发展相互联系起来反映了物理学家用于构建知识的过程，并在学习新想法的同时让入门学生参与真实的物理学。学生体验物理学家在做物理时所做的事情。这种经历重要吗？课堂时间有限，许多教师感到在课程中要学的太多，压力很大。如果花太多时间让学生自己弄清楚东西，他们可能无法教授所有内容。成千上万的学生会学习物理入门课程。有些人将成为物理学家，对他们来说，通过该方法学习物理的体验，将成为他们未来职业的窗口。许多人将成为医生、生态学家、化学家、政治家、记者、药剂师、生物学家等等。这些学生需要在物理入门课程中学习什么，以便为21世纪在他们的领域取得成功做好准备？他们在未来3年、5年或10年的物理课程中需要记住什么？虽然一些物理知识可能对试图帮助发烧儿童的儿科医生有用，但他们肯定需要收集数据，识别模式，对症状提出解释，并预测哪种治疗是合适的。学生应该在课程中学习什么？回答这个问题特别迫切，因为人工智能在解决传统物理问题和回答概念问题方面越来越成功。讨论大学教育优先事项的国际机构、为K-12科学教育设定目标的国家研究委员会等国内组织、对教育学感兴趣的著名物理学家都研究了这个问题，他们发出相同的声音：学生需要通识以及专业知识。此外，正如经济合作与发展组织最近的一份报告所述，“关于学科的知识，例如知道如何像数学家、历史学家或科学家一样思考，也将非常重要，使学生能够扩展他们的学科知识。”在《今日物理》（2022年9月，第46页）的一篇文章中，卡尔·威曼举例说明了物理学学生需要学习如何做出的决定，这样他们才能像物理学家一样思考。人们对COVID-19大流行、持续的气候危机的反应乏善可陈，这清楚表明：物理教育工作者没有足够重视教授学生这些思维技能。了解科学知识的本质是通识教育的重要组成部分。我们的物理学生需要学习如何像物理学家一样思考，即使他们不打算在毕业后进入这个领域。学生如何在学习物理概念和模型的同时学习像物理学家一样思考？在过去的30年中，教育界已经确定：与传统方法相比，交互式参与方法可以带来更好的学生学习收益。正如大脑研究表明的那样，学习带来大脑和身体的变化。换句话说，通过讲课来传递知识是不可能的：学习者必须通过积极参与教学过程来自己构建知识，从而改变他们的大脑连接。但要做到这一点，学习者需要有动力，并感到他们有能力学习。虽然我们的学生一生都在物理世界中生活和航行，但他们中的许多人认为物理是一门与他们的生活脱节的陌生学科。根据过去20年里研究人员积累的证据，在学生上完物理课程后，他们对物理的好感和对自己做物理能力的信心会下降。
待续：
【科学教学】“学物理”能模仿“做物理”么？（下）
物理教学遭遇的挑战
新方法对教学的帮助
为什么要用新方法？
When learning physics mirrors doing physics
https://pubs.aip.org/physicstoday/article/76/10/26/2912731
我们不需要英雄
但我们需要榜样
