重要的是解决问题——诺奖得主卡尔·威曼的科学教育观

学术头条

诺奖得主提出的科学研究方法论，仅供参考。

卡尔·威曼（Carl E. Wieman, 1951-）是美国著名的实验物理学家，因为在碱金属原子稀薄气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚（BEC），他与埃里克 ·康奈尔（Eric A. cornell）和沃尔夫冈 ·科特勒（Wolfgang Ketterle）共同获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

威曼不仅在物理学研究方面造诣不凡，对物理学教学乃至一般性的科学教育也很感兴趣。在2008年出版的《卡尔·威曼论文集》中^[1]，他用一句话总结了自己的工作：“用激光轰击原子。”在科研方面，他不仅开展新的物理实验，还致力于推动实验技术的发展。这本论文集包括五个部分：物理研究成果分为三大类（精密测量和宇称不守恒、激光冷却和陷俘、玻色-爱因斯坦凝聚），实验技术的发展单独列为一类（主要是用半导体二极管来实现激光冷却原子和精密光谱测量，把实验成本降低了大约一千倍），还有一部分是他对科学教育的思考。

2001年的诺贝尔物理学奖既是对他职业生涯的肯定，也让他更加关注科学教育了。他早就注意到，学生们在课堂上学到的知识，跟他们能不能成为卓有建树的物理学家，几乎没有什么关系——如果不是完全没有关系的话。在研究型的实验室里干上两三年，比在学校教室里待上十六七年，更容易让他们成为技巧娴熟的物理学工作者。获得了诺贝尔奖以后，他觉得自己已经达到物理科研生涯的顶点，所以决定把更多的时间投入到科学教育的研究中去。从文集里的教育论文发表情况也可以看到这个明显的分水岭，2000年以前只有几篇如何用半导体二极管进行光谱测量和激光冷却的科普性文章，而2000年以后就有很多篇文章，涉及到教育的多个方面——从阐述物理学的重要性，到如何激发学生主动思考；从教室座位对学生成绩的影响，到如何衡量学生对物理学的信念。他在这方面最重要的贡献可能是PhET，一个交互式仿真的物理教学网站，现在已经发展成为一个把理科知识转换成互动游戏的虚拟实验平台，内容包括数学、物理、化学和生物学和地球科学，水平也包括了小学、中学直到大学^[2]。

威曼教授认为，科学研究里重要的是解决问题，科学和工程教育的主要目标是培养善于解决问题的人。

关于如何传授和评价解决问题的能力，威曼教授和他的团队进行了系统的研究，通过对许多科学和工程领域的成功人士进行访谈，总结出为了解决问题经常要做的一些决定。最近，这项社会调查发表在CBE-Life Scinece Education ^[3]（详细的描述）和Physics Today^[4]（在物理学方面的具体体现）。

解决问题总是基于一些基本的知识，做出一系列的决定。这项调查工作^[3]包括两个阶段：非正式的采访，目的是得到为解决问题所需要的知识和决定的初始清单；有针对性的采访，验证和细化第一阶段得到的初始清单。他与研究团队总共采访了53人次（包括17名女性和5位少数民族），分别来自生物学、医学、物理学、电气工程、化学工程、力学工程、地球科学、化学、计算机科学和生物工程等领域的成功人士，不仅有大学还有产业界，其中第一阶段采访了22人，第二阶段采访了31人，只有1个人接受了两次采访。

调查结果可以用下面这个图表示。为了解决问题，通常需要适当的知识和技能，以及6种决定（括号里是每种决定又可以细分为更多的小决定的数目，总计29个）：A.选择和目标（3）；B.确定问题（6）；C.解决问题的计划过程（6）；D.解读信息并选择解决方案（7）；E.反思（4）；F.影响和交流（3）。G代表持续的技能和知识发展。

6种具体决定如下，括号中百分比指的是有多少被采访人认为这类或这个问题在解决问题时很重要：

A. 选择和目标（100%）。

1.（61%）在该领域中什么是重要的？

2.（77%）机会是否符合你的专长？

3.（100%）目标、标准和限制是什么？

B. 设定问题（100%）。

4.（100%）有哪些重要特征和信息？

5.（100%）什么样的预测框架？

6.（97%）如何缩小问题范围？

7.（97%）有什么相关问题？

8.（100%）有潜在的解决方案吗？

9.（74%）这个问题能不能解决？

C. 解决问题的计划过程（100%）。

10.（100%）要进行哪些近似和简化？

11.（68%）如何把问题分解？

12.（90%）什么是最困难或不确定的东西？

13.（100%）需要哪些信息？

14.（87%）有什么需要优先解决的？

15.（100%）怎么样具体获取信息？

D. 解读信息并选择解决方案（100%）。

16.（81%）需要哪些计算和数据分析？

17.（68%）如何表示和组织信息？

18.（77%）信息的可信度如何？

19.（100%）信息符合预测吗？

20.（71%）有没有明显的异常？

21.（97%）有哪些适当的结论？

22.（97%）什么是最佳解决方案？

E. 反思（100%）

23.（77%）假设和简化是不是合适？

24.（84%）需要额外的知识吗？

25.（94%）解决方法的效果怎么样？

26.（100%）解决方法有多好呢？

F. 影响和交流（84%）。

27.（65%）怎么能扩大影响？

28.（55%）交流的受众是谁？

29.（68%）怎么样最好地展示工作呢？

G. 持续的技能和知识发展

30. 熟悉该领域的最新进展

31. 直觉和经验

32. 人际关系和团队合作

33. 效率

34. 态度

这些条目仍然不够仔细，更多的内容可以在上面提到的两篇文章里找到（它们都可以自由下载）。为了解决某个具体问题，这些决定也只是起参考作用，既不需要按顺序执行，也不需要全部做到，重要的是解决问题，没有谁规定你必须怎么做。Just do it.

你也许会觉得，这些东西好像也没有什么特别的，只是老生常谈而已。但是，至少这是有大量的采访结果支持的老生常谈，而且威曼教授在物理学和科学教育方面都做出了非同凡响的成就，他关于解决问题所需要的知识和决定的调查以及相关的建议，应该值得我们认真思考。

后记

应该说，威曼教授在教育方面很有理想，得了诺奖也给他了平台和机会去实践自己的理想。他描述的现象也对，就是上学十年不如进实验室一年，但是，我们也要认识到，他说的那种实验室不是谁都能随便进的。他的这些结论也没有特别任何神奇的地方，任何愿意思考的大学生都可以想到的。

前几年，我给本科新生上《力学》课，对物理教学和“人才培养”也有些粗浅的认识，写了两篇关于教学目标的博文（一篇是简洁版）^{[5, 6]}。作为普通老师，面对的绝大多数是普通学生，正所谓“上智不教而成，下愚虽教无益，中庸之人，不教不知也。”对于天才，不必劳我们苦心，他们也不需要多少经验之谈（但他们可能会从老生常谈中获得更多）。重要的是，做出重大发现并不一定需要真正的聪明人才行。有些得了诺奖的科学家，也跟我们普通人差不太多，只是在适当的时间遇到了适当的问题。真的有那么多“没有爱因斯坦就没有广义相对论”之类的重大发现吗？在这一点上，科学教育的研究或许有一些参考意义。

在我看来，“优秀大学的教学目标是，让普通人表现得与天才无异，好像什么人都可以做任何事情的样子。这样就可以让任何挑选机能都失效，最后只能随机挑选。”天才最终会忍无可忍而鹤立鸡群，顺便推动社会发展。但如今的科学事业已不是靠几个天才建功立业，而需要更多有良好训练的普通人。对于有准备的人，做出重大发现是可以再现的，当然还要靠一些运气。

但是，总会有人成功的——也许这个人就是你呢。

参考资料

[1] Carl E. Wieman, Collected papers of Carl Wieman, World Scientific, 2008

[2] https://phet.colorado.edu/

[3] Argenta M. Price, Candice J. Kim, Eric W. Burkholder, Amy V. Fritz, and Carl E. Wieman, A Detailed Characterization of the Expert Problem-Solving Process in Science and Engineering: Guidance for Teaching and Assessment, CBE Life Sci. Educ., 20:ar43 (2021)

https://www.lifescied.org/doi/full/10.1187/cbe.20-12-0276

[4] Carl Wieman, How to become a successful physicist, Physics Today 75(9), 46(2022)

https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/PT.3.5082

[5] 力学教学笔记之教学目标，https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1016591.html

[6] 简洁版的教学目标，https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1016816.html

出品：科普中国

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