情景教學
楊綱凱 (香港中文大學物理系)
2000年10月20日

引言

各位老師,我很高興今天有機會和各位討論物理教學。湯兆昇博士和王永雄博士要我嘗試講一下關於物理科情景教學的觀點。首先聲明這是個人的粗淺看法,不一定對,甚或一定不對,目的只在於引起各位的興趣和討論。我相信教育改革的一個要素就是要指出:在台上的講者(現在是我,在課室就是各位)很多時候不一定是對的,需要台下聽眾參與和指正。

教育改革和學制改革已觸發起社會廣泛的關注。看見這麼多老師出席,証明老師們關心這個問題,是可喜的現象。愈多人熱誠參與、積極投入,改革成功的機會就愈高。

關於物理課程改革,現在有一個建議,是要推行情景教學法。這種教學手段,從學生熟悉的實際事例和情景出發,使學生易於直接從感觀理解問題,當然是好的。這種教學的經驗各位比我更多,理論依據各位比我更清楚,在這裡不必冗述。我們建立這個物理園的宗旨,也是基於情景教學的某些優點。例如在物理園裡有很多示範實驗,希望讓同學接觸實在(最少是虛擬實在)的東西,從而學習物理。

但如果情景教學要取得較大的成效,我認為還要注意幾點。

認知論

首先從認知論開始。柏拉圖對認知論有這樣的說法:人類認識自然世界,好比住在洞穴裡的人,背向洞口,面向洞壁,只看見影子而看不見投射影子的實物 ─ 這就是哲學裡有名的『洞穴學說』。正如現在於屏幕上,各位可以看見我手掌五指的影子一樣。洞穴人花了很長時間,對影子深入研究,得出了結論,以為認識了真實世界。這當然是不正確的。正如剛才屏幕上的手影,不是實物,它只是由實物產生的投影而已。柏拉圖認為:我們目睹的一切,即是今天我們所說的情景,不等於知識;知識是造成情景的實在。

柏拉圖進一步舉出一個例子:我們向學生介紹正方形時,不是指左面這個紅色的、線條不太直、又粗幼不一、內角成 89.5 o 或 90.5 o、不完全閉合的正方形;也不是指右面這個藍色的、有類似問題的正方形。我們希望學生了解抽象的正方形概念;這個在意念世界裡的正方形沒有顏色、沒有線條粗細、完美準確、沒法畫出。他認為真正的認知,必須提升至意念層面,不能停留在看得見、摸得到、畫得出來的情景層面。我們的學生學習幾何,對正方形的認識已能到達意念層面。

又例如教小朋友數目時,老師可從所見到的事物,即情景開始。譬如使用三個蘋果,三個橙,三塊積木等。到了小學一、二年級,小朋友終能掌握 "3" 這個數目的抽象意念,而不再需要連繫到蘋果、橙和積木了。這是從情景提升到抽象、普遍層面的另一個例子,是學習中一個重要的過程。

在中學物理科也有很好的例子。在講授運動學裡的碰撞問題時,我們會用小車作示範。小車是木製的、有顏色的、有三或四只輪子,又附上其他裝置等等。這是情景,是同學見到的事物。我們希望學生最終能藉此提升到抽象層面的認識,即小車的質量 m、速度 v 和動量 p 等觀念。如果學會了小車而未能掌握 m, v, p 等觀念,未算學好物理。反之,如果學會了m, v, p 等觀念,即使忘卻了小車,也算得上是修成正果。

在文學藝術也有這種例子。孩童熟習的詩句『床前明月光』,重點不在於床、不在於月、也不在於光,而在於描繪一個意境。意境看不到、摸不到、嗅不到。意境超越情景,而只有超越情景的意念才是藝術的真諦;也只有超越情景的意念才是科學的真諦。

且讀一段有關繪畫的論說:『我逐漸認識到抽象與具象的分野未必是絕然的。』(按:具象即情景,抽象即提升後的境界。)『在我的畫中,有人看出的是具象,又可以看得出抽象,既是形象,又是形式,這也就是我追求的繪畫性,在筆墨之中,也在筆墨之外。點、線、面要有筆墨的情趣。具象與抽象的分野,對我來說也就無所謂,也就無所約束,盡興而為。』作者認為一幅好畫,應該將這兩個層面打成一片,於兩者之間沒有隔膜。科學教學也如此。如果能夠幫助學生從具體事物和情景出發,聯繫到抽象普遍的科學理論,兩者渾然一體,這便達到了教學目的。以上關於繪畫的論述出自高行健先生1995年7月著的《對繪畫的思考》。

在宗教上也有這樣的說法:我們生活在物質世界,宗教要把我們引領到靈性的世界,使我們『得道』。在科學教育,我們也希望能把學生引領到靈性世界,使他們在科學上『得道』、開竅。

情景只是手段

從認知論出發,可以得出以下的結論:情景只是手段、不是目的,是開端、不是終點。譬如小孩子學走路,要使用『學行車』。這是一種非常有效的工具。但矛盾在於:正因為它很好、很有效,所以我們才應該盡早要它功成身退,而絕不是一輩子使用它、倚賴它。拋棄學行工具,並非低估它的價值,只是說明其價值的階段性而已。

在教學上也應如此。我們要清楚區分教學和考試。教學是手段、是過程,而考試則要評核學生是否達到了教學目的。例如學走路是手段,能行走自如是目的。田徑競賽裡,跑得快是目的,但不須計較選手是否把『學行車』用得最好。如果跑得快,兒時用那種『學行車』,甚或不用都無所謂。果如此,則我們在對學生考試或測驗時,設題便須謹慎。我留意到近期物理科考試中命題的一些失誤,就是混淆了手段和目的所致。很多時候,試題只針對學習過程中的手段,而不去考核學生所應達到的目的。

例如各位熟悉的紙帶計時器。我們做實驗時把打上點子的紙帶分段剪下,貼成速度-時間圖表;或從記錄小車碰撞的紙帶得出動量守琠w律等。但一些試題問及紙帶的剪法、小車的裝置等等。這些試題,牛頓再生也恐怕答不出。連牛頓也不懂的力學問題,應否作為物理科的學習目的呢?又例如使用水波槽講授波動學,不失為有效的教學手段,但如問及水波槽的很具體裝置,波動學鼻祖惠更斯也要名落孫山。這種試題就好比在田徑賽裡比試『學行車』的使用。

在高級程度物理電學課程,有一個示範實驗 ─ 『匙舀電荷』。它要顯示的內容其實很簡單,即電荷是實在的、可以輸運的。但有些教科書竟然詳細介紹這樣一個複雜的儀器 ─ 『靜電計』。不少學生以為儀器的設計和操作很重要,一定要把它弄清楚(不清楚的話就背誦有關課文),學習當然吃力。非但如此,把注意力放在儀器的細節上,反而忽略了真正的物理概念,事倍功半。如此課本,確實荒謬。我說荒謬,不怕開罪別人,因為我所說這課本是我寫的。而課本這樣寫,就是因為公開考試有傾向要這樣考 ─ 考情景而不考物理。

以情景為主,物理為輔,乃失誤之一。虛構情景,偏離實況,則為失誤之二。諸如解題得到人的質量為 1000 kg,水波的速度為 104 m s-1,或用金箔驗電器測一粒 alpha 粒子電荷等等。alpha 粒子的例子為多年前中學會考試題中所見的實例。這種偏離實況的『情景』,恐怕反映了擬題者本身水平的局限。當然,必須指出,有時我們故意設定偏離實際的數據,以強調物理定律放諸四海皆準,例如:『某外星人身重 1000 kg,處於引力場 g = 300 m s-2 中...』。以『外星人』之稱,暗示所述的並非日常實驗室所見的情況,如此則並無不妥。

情景是特殊的

舉出以上這些例子,在於指出:以情景作為教學工具時,不應注重其特殊性,而要引導同學從特殊性過渡到普遍性。情景是特殊的,而科學則是普遍的。它們之間的關係可以這樣說明:圖一左下的 abc 是一些情景現象,經過歸納後,得到上面方框的內容,即普遍的科學規律。再向下演繹、解釋、預測,得到在右下的新現象和情景 xyz。這樣一幅圖像,由情景歸納為科學規律,再演繹成新的情景,如此才構成完整的科學教學,才達致教育的目的。

圖一
圖一

如果由一個情景出發,向上歸納到理論,但再向下只能應用於原來的同一個情景,未算成功,甚至說不上是科學。如果上面的理論也忘記了,只停留在原來的情景中打圈,則民斯為下矣。中學生做完了小車實驗之後,既不能把知識應用到核子碰撞,對動量概念又依稀模糊,反而很清楚記著小車是木造的,不是鐵做的,有三個輪子,不是四個,這就是物理教學經常見到的悲劇。

情景是主觀的

跟著我要說明,情景是相對的、主觀的、個別的。第一,在程度上是相對的。例如對於中學生而言,小車碰撞,水波槽演示等是適宜的。對大學生提出 mv,這些概念已經在他的經驗和認識之內,已是情景。對於研究生,只提出作用量,事情已完全在他經驗範圍內。總之只要在經驗之內,便是情景。第二,情景和學生的背景有關(背景和程度其實也是分割不開的)。有個故事,不知是否屬實。話說牛頓坐在樹下,被掉下的蘋果打在頭上。牛頓想到的是蘋果的速度和加速度,從而發展了力學。換了別人,想到的恐怕是蘋果的顏色,是否熟了好吃。同一情景因背景知識不同,每個人所關注的部分和內容有別。下一位講者會演示一些實驗,各位物理老師一看便知精華所在。但對於小學生而言,他們看後定會想到其他不同的事情,等於想到蘋果是否好吃,而不會想到它的加速度一樣。所以情景和背景有關、是相對的。情景教學必須結合實際經驗,提高直覺觀感。若不配合學生的實際領悟能力,如與夏蟲語冰,只會歸於失敗,做的實驗再好,也是徒勞。

十多年前引入的中五物理課程有一個示範實驗,在真空的玻璃管內,讓羽毛和硬幣一起下墮。因為這實驗從英國引進,而當時又未實行母語教學,故直接引用英國的實驗名稱 "feather and guinea experiment",甚至在課程手冊也是這樣寫。所謂 guinea 也者,乃以前英國使用的金幣,價值為 21 先令,即 1.05 英鎊。但學生不知 guinea 為何物,便翻查字典,浪費了時間和精力,也分散了學習的注意力。當時沒有命名為『羽毛與硬幣』或 "feather and coin",沒有考慮到同學的實際經驗,是一項未照顧到情景的相對性的失誤。

小兒讀一年級時,向我問及數學家課:R+G=?。我說不懂。他以為我作弄他,大學教師豈有不懂一年級數學之理!但我真的不懂。後來知道,在上課時,老師使用積木作為教具。一格的積木是紅色的(R),兩格的積木是綠色的 (G),三格的積木是藍色的 (B)。所以 R+G=B,用以說明 1+2=3。R, G, B 不外乎是符號而已。在學校,這是情景教學,本來是好的(雖然也不是絕對恰當,因為香港一年級學生不一定掌握 red, green, blue)。但回家後,沒有積木,學生便須背記情景:不同格數,不同顏色,不同英文名稱的積木。這樣使用情景教學,效果只有適得其反。

為著要照顧同學的實際經驗,可能要隨時發揮,盡量利用突發的、即席的、真實的情景,才最能引起注意和興趣。譬如學校附近發生交通意外,我們把它納入物理學的碰撞問題,便能引起學生的興趣,效果最好。又例如我剛才在高映機上挪動手指,在屏幕上產生影子,藉以介紹『洞穴學說』。柏拉圖時代沒有高映機,我利用高映機介紹柏拉圖的理論,這也是一個即席利用情景的例子。先前我引用了高行健先生的話以說明一些觀點,因為在剛宣佈高行健先生獲諾貝爾文學獎的這幾天,高先生的說話可能會給人較深刻的印象。這也是照顧實際經驗的做法。

由老師策動

既然如此,情景教學的實際內容,或者可少由中央策劃,多由各位老師自行設計和推動,以致每校每課室用到的例子都不一樣,這樣才能照顧到個別同學碰到的突發情況。當然這還要考慮到考試的設計。考試總應是一致的,但這不要緊。雖然教學手段不一,只要試題著重學習目的,而不理會學習手段,各校各課程採取不同教學手段便不會引起問題了。

情景教學應該是『非唯一的』教學方法,不能一成不變。不同階段用不同的方法,甚至同一階段也可用不同的方法,從不同方向了解問題。對不同學生,由不同老師施教,方法也可不同。情景教學背後的哲理,最重要是結合實際經驗,而實際經驗因人、因時、因地而異,故教學方法一定要多元化,由老師按實際情況自由演譯、百花齊放。

要做到這點,老師必須清楚了解情景教學背後的意念。反之如果採用某一個創新的教學方法,由中央指令所有老師同學,都須依照這個創新的『指定動作』施行教和學,這樣千篇一律的教學法,創新也變成死板,了無新意,甚至弄巧反拙了。不幸這也是過去屢見不鮮的情況。所以情景教學要取得成功,須由各位前線老師主導帶領和發揮才可。看見這麼多老師在這裡,相信成功的機會是很高的。

後記及鳴謝

作者感謝方梓勳教授介紹高行健的繪畫論說。又感謝陳允武先生將當日的錄音加以整理成文。麥思源教授對初稿提出了寶貴的意見,修正稿因而作出了更正及增刪。