摘 要：本科教育是我国高级教育的主体，在高级教育结构中居中心方位。它不同于以升学为意图的初等教育，也不同于以研讨、立异为方针的研讨生教育。长期以来，我国本科教育把根本常识、根本技能（简称“双基”）的了解和把握作为本科教育的中心内容，一切教育环节环绕这个中心来进行。而科学启蒙包含科学发现知道的觉悟、科学研讨办法的把握和科学研讨精力的培育。从科学启蒙的这个界说来说，显着，现在的大学教育未能在大学生中完结科学启蒙的教育使命。本文研讨科学启蒙教育融入本科教育中的必要性、急迫性和可行性，并以“多普勒效应”一讲为例介绍现在上海交通大学在“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
本科教育归于高级教育系统。它与以升学为意图的初等教育有实质的差异，与以研讨为意图的研讨生教育也有不同。本科教育具有承上启下的效果，是我国高级教育的主体，在高级教育结构中居中心方位。按我国教育部的规则，高中结业生经过升学考试（高考）到达必定的分数规范能够选取为高级教育校园学生，承受本科教育。在本科教育阶段，学生依照本科教育纲要与方案学习有关的课程、进行试验、教育实习和社会调查，承受某些学科的科研练习，写作结业论文与完结结业设计。学生学完依据教育方案所规则的悉数课程，考试合格者，准予结业，发给本科结业证书。高级院校在教育教育的详细履行中，大多数高校在四年本科教育中的前三年半进行“双基”教育，终究半年实习，承受科学练习，完结结业论文；少量研讨型大学急进的做法是让“大一”学生就走进试验室，跟着教师进行科学研讨。笔者以为这两者各有优缺点。榜首种着重“双基”的教育为我国培育了许多技能性人才，在我国跟上发达国家的技能开展中起到了巨大的效果。但进入21世纪后，我国对科学技能开展提出了新方针——期望在往后的科学技能开展中起到引领效果。显着，现在着重“双基”教育的本科教育是不能完结这个使命的。第二种把“大一”学生直接带进试验室的办法则有些过分急进，学生“双基”常识学习不结壮、把握不结实，科学研讨就是在沙滩上起楼房，楼建不高也不稳。本文主张把科学启蒙教育融于本科“双基”教育中，这种两者统筹的教育办法或许是完结新时期新使命一种好的本科教育培育人才的办法。下面从三个方面论述把科学启蒙（启迪学生的科学发现知道，让学生了解科学研讨办法，培育学生的科学研讨精力）融于“双基”教育中的必要性、急迫性和可行性。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育中的实践，共享咱们将科学启蒙融于“双基”教育中，让学生在把握根底常识的一起取得研讨学识的才智的教育理念。
一、我国本科教育与科学启蒙的前史回忆
咱们首先从前史开展的视点谈谈科学启蒙融入本科教育中的必要性。前史上，我国有几回科学启蒙运动。明末清初有过榜初次比较系统地引进了其时西方刚刚开展起来的科学，可是很快失去了爱好，因为觉得科学对我国没有用；清朝的先贤们以为技能才是解救国家的法宝，宣布“以夷制夷”的标语，因此有了闻名的洋务运动。第2次是五四运动时期，又一次把科学——“赛先生”引进我国。1917年1月9日，蔡元培正式上任北大校长的上任讲演中说：“大学不是换卖结业文凭的机关，也不是灌注固定常识的机关，而是研讨学理的机关。大学生要以研讨学术为本分，不妥以大学为升官发财之阶梯！”[1]能够看出，是北大校长蔡元培先生初次把科学启蒙引进了大学本科教育中。在北京大校园长蔡元培、清华大校园长梅贻琦、南开大校园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建议下，民国时期的大学引进了一大批海外留学归国学者，后来他们大多成为闻名的科学家。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，气候学家竺可桢、赵九章，等等。民国时期也培育了一批科学家，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。可是，那时中华民族面对的是生死存亡的问题，刚刚鼓起的科学还起不到多大效果，因此，很快又失利了。“文革”完毕、变革开放以来，科学教育康复开展。但我国刚刚开端由方案经济向市场经济转型，榜首要务是处理温饱问题，以至于钱学森先生临终前留下了闻名的“钱学森之问”。
现在，温饱问题已处理，大多数国人在奔小康了，我国也成为国际第二大经济体。下一阶段，经济假如要再上一层楼，需求有颠覆性的立异，这个难度会十分大。这必定需求我国未来的科学研讨、科学发现的支撑。因此，现在在我国本科教育中引进科学启蒙教育应该是最好的时期，也是有必要下决心做的一件事。
二、我国本科教育中科学启蒙教育的现状
实践上，在欧美国家科学启蒙从小学就开端了，他们的小学生作业就充溢各种读书陈述、调研论文。美国不太注重“根底常识”的学习，但却极端垂青学生“创造力”的培育，因此才会有美国白领不会算“10减6等于几”形似“可笑”的工作发作，他们觉得要趁孩子年纪小时捉住培育创造性思想；而我国教育特别注重所谓的“双基”，重在练“根本功”，不注重对学生创造力和思想才能的培育。我国的升学选拔准则强化了“双基”教育。咱们的中学教育系统没有进行严厉含义上的科学启蒙，主要是给学生灌注科学常识（有人以为有了科学常识就完结了科學启蒙，科学常识教育就是科学启蒙教育。这显着不符合咱们对科学启蒙的界说，本文不评论这个论题）。这是因为现在的升学考试需求考生在2到3小时内完结必定数量的习题，质量上越挨近规范答案考分越高，所以，学生只能靠平常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，然后立刻写出来才干做完做好相关考题。这种应试考试实践上考的是学生的回忆才能，至于这个学生是否了解、是否有思想新意、是否能把学到的常识融入日子、出产实践中一概无法在考试中查验出来。由此一来我国的学生高分低能就是自但是然的事了。这也形成我国的科学启蒙教育只能在大学本科教育中进行了。
现在我国的大学本科教育怎样呢？以上海交通大学为例，2015年曾经上海交通大学“高级数学”教育纲要如下：本课程是以极限为东西，研讨函数的微分和积分的一门学科，其主要内容包含极限、接连、一元微积分及导数的使用等。经过对本课程的学习，使学生了解“高级数学”的常识系统，了解“高级數学”的根本概念和根本理论，把握微积分的根本运算技能，进而进步学生的数学素质及运用数学办法剖析问题和处理问题的才能。2015年曾经上海交通大学“大学物理”课程教育纲要如下：经过本课程的教育，应使学生对物理学所研讨的各种运动办法以及它们之间联络，有比较全面和系统的知道；对本课程中的根本理论、根本常识和根本技能能够正确地了解，并具有开始使用的才能。在本课程的各个教育环节中，应留意对学生进行严厉的科学态度、严厉的科学作风和科学思想办法的培育和练习，应注重对学生才能的培育。（1）要求学生对某些常识透彻了解、结实把握，并能推导出相关定理；（2）要求学生对某些常识了解并能把握，对定理的推导不作要求，但要求会用它们剖析、核算有关简略问题。
从这两个教育纲要中能够看出，“大学数学”教育和“大学物理”教育着重的是让学生把握“根本常识”，学会“根本技能”，即所谓的“双基”教育。这种教育培育了千千万万的技能管理人才，在将我国从文盲率90%的赤贫落后国家提升到国际第二大经济体中发挥了巨大的效果。显着的比方是，日本有东芝五颜六色电视后，咱们研制出长虹、康佳；美国有苹果手机，咱们也研制出华为、中兴手机；欧美有波音、空客客机，咱们有C919，等等。现在，咱们在许多职业技能上根本追上了发达国家。可是，这种教育的缺点也是显着的，它使得咱们学生的立异才能还比较短缺，原创理论还很少。更为严重的是，在现在的高级教育常识系统中，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根本理论、根本常识。不管是数学教育中仍是物理教育中，教师没有帮学生把这些东西很好地串联起来，使学生在这种割裂式的教育中成为牺牲品。比方，我在教育中发现学生在“高级数学”课程中学习了微积分，仅知道把给定的积分式按要求写出成果，却不知道里面的被积函数代表什么，积分微元又是什么含义，怎样选取积分微元等等。物理课上这些都要从头教，不然，学生仍是模糊的。这也导致学生在出国留学等进一步的学习中感到史无前例的苍茫，需求一到两年的从头学习和习惯欧美发达国家的教育环境。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讨生时写道：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，合计1个小时。要求考生在台上当场考虑，在白板上画图剖析，用英语解说和答复问题。拿着问题直接树立数学模型，然后用数学参数、物理公式解题的我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想办法而不具备一个工程师的根本素质。更为严重的是，现在的本科教育还导致在我国发作了千千万万的高分低能结业生，并且还在持续不断涌现。
咱们本科教育的问题出在哪儿呢？咱们教师不是终年都是这样教育生的吗？——教训学生看到问题，考虑该问题与哪个公式挨近就套用哪个公式就把问题处理了。咱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适宜的公式处理问题。咱们的本科教育还有哪些缺少呢？在美国教授思想系统里一个合格的工程师的根本素质是什么？要知道自己的间隔，能够先从欧美发达国家的教育下手，看看他们是怎样学习、怎样对待教授的问题的。因为美国学生从小学教育就着重Presentation（展示）的练习，练的就是站在讲台上侃侃而谈的本事。他们提到与自己专业有关的常识就精力焕发，喋喋不休，如数家珍。在答复教授问题时他们中的大多数能有用地将不知道的问题简化成了解的办法，然后言必有中地指出问题的关键地点，猜出开始答案。诺贝尔物理学奖取得者杨振宁在与诺贝尔文学奖取得者莫言的对话中，杨振宁说：“科学是一个猜测的学识”。美国学生的“猜”答案，居然与物理学家杨振宁对科学研讨的观念惊人地符合！这个“猜”是随意的吗？是任何人都能够完结得很好的吗？我想不是。我暂时把杨先生的“猜测”了解为或人对某个工作、某种现象的直觉反应，这种直觉反应来自于人们长期考虑某个现象、某个工作后一种豁然醒悟。咱们的教育尽管不能直接教育生怎样“猜”，但咱们能够培育学生遇到新现象或许新事物的时分快速思索、得出一个开始定论的才能。咱们现在的教育进程就缺少了这一个环节。所以，不管从头时期新需求动身，仍是从开展学生的本身的立异才能动身，变革咱们的本科教育势在必行，并且也是十分急迫的使命。
三、在本科教育创始科学启蒙教育的测验
我国经济的变革开放进行了近40年了，我国的教育变革也一直在进行，但与国际尤其是美国、欧洲、日本教育的间隔还很大。为了顺应年代的要求，2017年，上海交通大学物理与地理学院，从头拟定了工科“大学物理”的教育纲要。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办法和研讨问题的办法，较系统地打好必要的物理根底而预备的。在培育科学思想办法与科学素质、工程才能与工程素质方面起到引领性效果。它不只对在校学生的学习十分重要，并且对学生结业后的工作和进—步学习新理论、新技能都将发作深远的影响。经过课程的学习，要到达以下方针——使学生对物理学的概念、模型、规则的树立进程有清楚、正确的了解，由此了解并把握物理学的思想办法，对物理学研讨的各种运动办法以及它们之间联络，有比较全面和系统的知道；把握本课程介绍的根本理论、根本常识和根本技能，具有开始使用的才能。使学生逐渐知道到物理学是一套取得、安排、运用和根究常识的有用进程和办法。在注重常识系统完好的一起，进步学生的爱好，让其自动参加实践探求进程，完结工程人才的常识、才能、科学素质的一体化培育。
这份教育纲要初次把培育学生科学发现知道、科学思想办法和科学素质（科学启蒙）置于重要方位，理顺了“双基”教育与培育科学思想才能的联络，把科学启蒙融于本科“双基”教育进程。下面以本课程中的第二十二讲“多普勒效应”为例来剖析怎样引导在大学物理教育中敞开学生的科学启蒙教育[2]。
1.多普勒效应的研讨布景——用前史故事引出常识点
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。其时的人们都遍及以为，不管声源和调查者做着怎样的运动，频率总是必定的。即浅显地说，两个跋涉速度不同的人边走路旁边说话，听到的声响的凹凸，与他们停下来说话的声响频率是相同的。但是多普勒推翻了人們的这必定论。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响变响，腔调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，腔调变低。他对这个物理现象发作了极大爱好，并进行了研讨，发现这是因为振源与调查者之间存在着相对运动，使调查者听到的声响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”。
这件工作多数人都或许遇见过，但为什么直到1842年才由多普勒提出来呢？或许一些人听得不细心，没有发现什么不同；或许一些人对该现象习以为常，不感爱好，放过了身边的时机。故事通知咱们遇事多听听，多看看，并且要坚持猎奇的心态。爱因斯坦说，天然往往只给咱们显露那么一点点可调查的现象，只要细心倾听它的人才有或许捉住这个现象，发现隐藏在现象背面原因。 做一个坚持猎奇心的学者，一个细心倾听天然的人是科学启蒙的榜首步。
2.多普勒效应的试验验证
多普勒仅仅调查到了这一现象，但没有给出理论上的解说，也没有经过试验来证明这一现象。在多普勒年代，试验条件还比较落后，不或许经过核算机记载波形，然后经过比较几幅波形图，核算出波的频率。所以许多人并不认同他的观念，他们的理由是多普勒的假说缺少满足的试验数据支撑，也没有得到有力的理论证明。直到1845年，荷兰气候学家拜斯·巴洛特（Buys Ballot）经过一个试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。试验中，巴洛特请了许多吹小号的大师在一节平稳车厢上吹打作为声源。当火车快速跋涉过来时，由一些专业的音乐家判别腔调的改动，然后将小号手与音乐家的方位对换，从头进行丈量。进行屡次重复试验，巴洛特终究成功地验证了多普勒效应在声学上的正确性，使多普勒效应得到咱们的认可。现代科学试验中已开宣布多种类型的多普勒效应归纳试验仪来丈量声频的多普勒效应。
这个故事阐明真理往往把握在少量人手里，多数人都是或许习惯于其时的环境，懒得考虑，或许跳不出本身思想的结构发现不了新事物。只要英勇、睿智的人才有期望摘取天然奉送的明珠。试验验证是科学研讨许多办法中的一种，这个故事也让学生了解试验验证在科学研讨中的重要性。
3.多普勒效应的数学描绘及物了解析
因为多普勒效应是指当波源与调查者有相对运动时，调查者实践接纳的频率与波源宣布波的振荡频率不一致的现象，咱们研讨这个问题的意图就是要清晰这两者之间的定量联络。假如咱们用v0表明波源的频率，vR表明调查者接纳的频率，波在介质中的传播速度为u。在波源停止，调查者以速度uR挨近（或许远离）波源运动，则波相对于调查者的速度为u±uR（挨近取“+”，远离取“-”）。进一步，在波源停止景象下，波长不变。依据频率、波长、波速三者之间的联络，咱们得到接纳器接纳到的频率为
从式（1）能够看出，调查者向着波源运动时，接纳频率大于波源宣布的频率；当调查者远离波源运动时，接纳频率小于波源宣布的频率。
现在假定波源以uS的速度运动，调查者停止，则波相对于调查者的速度为一常数。如下图所示，波源运动导致两相邻相差2π相位的空间点间隔发作改动，也就是波长发作改动，即，（波源挨近调查者运动取“-”，远离取“+”），这样调查者接纳到的频率为
从式（2）式能够看出，波源向着调查者运动时，接纳频率大于波源频率；当调查者远离波源运动时，接纳频率小于波源频率。
当波源和调查者都在运动时，归纳上面两种状况，调查者接纳到的波的频率与发射源发射的频率有如下联络
咱们留意到，波源宣布的频率是固定不变的，它不随物体运动状况的改动而改动。而接纳者接纳到的频率是改动的，是因为调查者和波源之间存在相对运动，并不能以为仅仅是因为接纳者在运动。假如波源和接纳者以相同的速率朝同一方向运动，即相对速度为0，此刻调查到的频率即为波源宣布的频率。别的，多普勒效应只发作在波源与调查者连线方向，笔直方向没有多普勒效应，所以多普勒效应发作时承受波的频率的一般表达式为
式（4）中θ1，θ2分别为调查者运动方向和波源运动方向与波源与调查者连线之间的夹角。
这一节归纳运用学生现已学习的波长、频率、波速这些概念来深化了解隐藏在多普勒效应背面的原因，发现现象中蕴藏的遍及原理，这是科学启蒙知道培育的关键环节。
4.多普勒效应的拓宽——光的多普勒效应
多普勒效应不只适用于声波，并且还适用于光波。因为光具有波动性，光的频率也会随光源运动速度或许调查者运动速度改动而改动。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）独登时对来自恒星的波长偏移做了解说，探究出使用多普勒效应丈量恒星相对速度的办法。光波频率的改动使人感觉到的是色彩改动。当恒星远离咱们远去时，光的谱线向红光方向移动，称为红移；当恒星向咱们运动时，光的谱线向紫光方向移动，称为蓝移。这一发现在地理学上具有严重的效果，经过剖析接纳光的频谱，人们能够研讨距地球恣意远的天体的运动。1868年，英国地理学家W.哈金斯用这种办法丈量了天狼星的视向速度。
这个末节扩展了学生的视界，让学生从陈旧文明走向现代文明；更重要的是这末节是一个开放性的论题，学生能够在这一节纵情发挥，各持己见，各展所长。
5.多普勒效应的物理含义及对人类日子的影响
由多普勒效应，爱德文·哈勃（Edwin Hubble）得出了世界正在胀大的定论。早在19世纪下半叶，地理学家也现已能够经过多普勒效应来丈量恒星的视向速度。多普勒效应在日子中也具有广泛的使用。超声波的多普勒效应现已用于医学的确诊，医院用的五颜六色超声波（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画的长处，又一起供给了血流动动力学的丰厚信息，它受到了医师们的注重和欢迎。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能够用来检测车辆是否超速。向跋涉中的车辆发射一束信号，经过核算回来信号与原信号频率的差值（拍频），就能够判别车辆是否超速。此外，它还能够用于气候预警、卫星通信、军用雷达等方面。
这个内容让学生了解科学与技能的联络。这是我国教育中短缺的，致使咱们大多数人分不清什么是科学、什么是技能。搭一座科学与技能联络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结了细心研读“多普勒效应”一讲后写道：“榜初次接触到这个常识是在高中的物理课本上，其时教师仅仅是一笔带过了，自己也没有多大的形象，觉得只需求记住一个公式就行了。但是在我读了这一讲后，发现多普勒效应效果如此之大。它在咱们的日子中简直无处不在。我深深感触到了多普勒效应的魅力地点，一起也知道到没有哪个物理常识是没用的，一个物理常识的完结与使用仅仅时间问题。”
综上所述，咱们在“多普勒效应”这个常识点解说顶用五个进程中的前四个，把科学启蒙的几个关键环节——倾听天然、发现问题的知道，研讨科学的一般办法，研讨科学的精力清清楚楚地展示在学习者的面前，经过终究一个进程把该科学常识在现代工业、医学、国防中的使用景象介绍给学生，并经过发问、答复问题环节赋予学生提出新问题的时机。这样，科学启蒙教育自但是然地在厚实的“双基”教育中完结了。所以，我以为科学启蒙教育是必要的、急迫的，也是完全能够融入现在的本科“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]
