諾獎得主提出的科學研究方法論，僅供參考。

撰文?|?姬揚

卡爾·威曼（Carl E. Wieman, 1951-）是美國著名的實驗物理學家，因為在堿金屬原子稀薄氣體中實現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚（BEC），他與埃里克 ·康奈爾（Eric A. cornell）和沃爾夫?qū)?·科特勒（Wolfgang Ketterle）共同獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。

威曼不僅在物理學研究方面造詣不凡，對物理學教學乃至一般性的科學教育也很感興趣。在2008年出版的《卡爾·威曼論文集》中[1]，他用一句話總結(jié)了自己的工作：“用激光轟擊原子?！痹诳蒲蟹矫妫粌H開展新的物理實驗，還致力于推動實驗技術的發(fā)展。這本論文集包括五個部分：物理研究成果分為三大類（精密測量和宇稱不守恒、激光冷卻和陷俘、玻色-愛因斯坦凝聚），實驗技術的發(fā)展單獨列為一類（主要是用半導體二極管來實現(xiàn)激光冷卻原子和精密光譜測量，把實驗成本降低了大約一千倍），還有一部分是他對科學教育的思考。

2001年的諾貝爾物理學獎既是對他職業(yè)生涯的肯定，也讓他更加關注科學教育了。他早就注意到，學生們在課堂上學到的知識，跟他們能不能成為卓有建樹的物理學家，幾乎沒有什么關系——如果不是完全沒有關系的話。在研究型的實驗室里干上兩三年，比在學校教室里待上十六七年，更容易讓他們成為技巧嫻熟的物理學工作者。獲得了諾貝爾獎以后，他覺得自己已經(jīng)達到物理科研生涯的頂點，所以決定把更多的時間投入到科學教育的研究中去。從文集里的教育論文發(fā)表情況也可以看到這個明顯的分水嶺，2000年以前只有幾篇如何用半導體二極管進行光譜測量和激光冷卻的科普性文章，而2000年以后就有很多篇文章，涉及到教育的多個方面——從闡述物理學的重要性，到如何激發(fā)學生主動思考；從教室座位對學生成績的影響，到如何衡量學生對物理學的信念。他在這方面最重要的貢獻可能是PhET，一個交互式仿真的物理教學網(wǎng)站，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為一個把理科知識轉(zhuǎn)換成互動游戲的虛擬實驗平臺，內(nèi)容包括數(shù)學、物理、化學和生物學和地球科學，水平也包括了小學、中學直到大學[2]。

威曼教授認為，科學研究里重要的是解決問題，科學和工程教育的主要目標是培養(yǎng)善于解決問題的人。
關于如何傳授和評價解決問題的能力，威曼教授和他的團隊進行了系統(tǒng)的研究，通過對許多科學和工程領域的成功人士進行訪談，總結(jié)出為了解決問題經(jīng)常要做的一些決定。最近，這項社會調(diào)查發(fā)表在CBE-Life Scinece Education?[3]（詳細的描述）和Physics Today[4]（在物理學方面的具體體現(xiàn)）。
解決問題總是基于一些基本的知識，做出一系列的決定。這項調(diào)查工作[3]包括兩個階段：非正式的采訪，目的是得到為解決問題所需要的知識和決定的初始清單；有針對性的采訪，驗證和細化第一階段得到的初始清單。他與研究團隊總共采訪了53人次（包括17名女性和5位少數(shù)民族），分別來自生物學、醫(yī)學、物理學、電氣工程、化學工程、力學工程、地球科學、化學、計算機科學和生物工程等領域的成功人士，不僅有大學還有產(chǎn)業(yè)界，其中第一階段采訪了22人，第二階段采訪了31人，只有1個人接受了兩次采訪。
調(diào)查結(jié)果可以用下面這個圖表示。為了解決問題，通常需要適當?shù)闹R和技能，以及6種決定（括號里是每種決定又可以細分為更多的小決定的數(shù)目，總計29個）：A.選擇和目標（3）；B.確定問題（6）；C.解決問題的計劃過程（6）；D.解讀信息并選擇解決方案（7）；E.反思（4）；F.影響和交流（3）。G代表持續(xù)的技能和知識發(fā)展。

6種具體決定如下，括號中百分比指的是有多少被采訪人認為這類或這個問題在解決問題時很重要：

A. 選擇和目標（100%）。

1.（61%）在該領域中什么是重要的？

2.（77%）機會是否符合你的專長？

3.（100%）目標、標準和限制是什么？

B. 設定問題（100%）。

4.（100%）有哪些重要特征和信息？

5.（100%）什么樣的預測框架？

6.（97%）如何縮小問題范圍？

7.（97%）有什么相關問題？

8.（100%）有潛在的解決方案嗎？

9.（74%）這個問題能不能解決？

C. 解決問題的計劃過程（100%）。

10.（100%）要進行哪些近似和簡化？

11.（68%）如何把問題分解？

12.（90%）什么是最困難或不確定的東西？

13.（100%）需要哪些信息？

14.（87%）有什么需要優(yōu)先解決的？

15.（100%）怎么樣具體獲取信息？

D. 解讀信息并選擇解決方案（100%）。

16.（81%） 需要哪些計算和數(shù)據(jù)分析？

17.（68%） 如何表示和組織信息？

18.（77%）信息的可信度如何？

19.（100%）信息符合預測嗎？

20.（71%）有沒有明顯的異常？

21.（97%）有哪些適當?shù)慕Y(jié)論？

22.（97%）什么是最佳解決方案？

E. 反思 （100%）

23.（77%）假設和簡化是不是合適？

24.（84%）需要額外的知識嗎？

25.（94%） 解決方法的效果怎么樣？

26.（100%）解決方法有多好呢？

F. 影響和交流（84%）。

27.（65%）怎么能擴大影響？

28.（55%）交流的受眾是誰？

29.（68%）怎么樣最好地展示工作呢？

G.?持續(xù)的技能和知識發(fā)展

30. 熟悉該領域的最新進展

31. 直覺和經(jīng)驗

32. 人際關系和團隊合作

33. 效率

34. 態(tài)度

這些條目仍然不夠仔細，更多的內(nèi)容可以在上面提到的兩篇文章里找到（它們都可以自由下載）。為了解決某個具體問題，這些決定也只是起參考作用，既不需要按順序執(zhí)行，也不需要全部做到，重要的是解決問題，沒有誰規(guī)定你必須怎么做。Just do it.
你也許會覺得，這些東西好像也沒有什么特別的，只是老生常談而已。但是，至少這是有大量的采訪結(jié)果支持的老生常談，而且威曼教授在物理學和科學教育方面都做出了非同凡響的成就，他關于解決問題所需要的知識和決定的調(diào)查以及相關的建議，應該值得我們認真思考。

后記

應該說，威曼教授在教育方面很有理想，得了諾獎也給他了平臺和機會去實踐自己的理想。他描述的現(xiàn)象也對，就是上學十年不如進實驗室一年，但是，我們也要認識到，他說的那種實驗室不是誰都能隨便進的。他的這些結(jié)論也沒有特別任何神奇的地方，任何愿意思考的大學生都可以想到的。
前幾年，我給本科新生上《力學》課，對物理教學和“人才培養(yǎng)”也有些粗淺的認識，寫了兩篇關于教學目標的博文（一篇是簡潔版）[5, 6]。作為普通老師，面對的絕大多數(shù)是普通學生，正所謂“上智不教而成，下愚雖教無益，中庸之人，不教不知也?！睂τ谔觳?，不必勞我們苦心，他們也不需要多少經(jīng)驗之談（但他們可能會從老生常談中獲得更多）。重要的是，做出重大發(fā)現(xiàn)并不一定需要真正的聰明人才行。有些得了諾獎的科學家，也跟我們普通人差不太多，只是在適當?shù)臅r間遇到了適當?shù)膯栴}。真的有那么多“沒有愛因斯坦就沒有廣義相對論”之類的重大發(fā)現(xiàn)嗎？在這一點上，科學教育的研究或許有一些參考意義。
在我看來，“優(yōu)秀大學的教學目標是，讓普通人表現(xiàn)得與天才無異，好像什么人都可以做任何事情的樣子。這樣就可以讓任何挑選機能都失效，最后只能隨機挑選?！碧觳抛罱K會忍無可忍而鶴立雞群，順便推動社會發(fā)展。但如今的科學事業(yè)已不是靠幾個天才建功立業(yè)，而需要更多有良好訓練的普通人。對于有準備的人，做出重大發(fā)現(xiàn)是可以再現(xiàn)的，當然還要靠一些運氣。
但是，總會有人成功的——也許這個人就是你呢。

參考資料

[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] 力學教學筆記之教學目標，https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1016591.html

[6] 簡潔版的教學目標，https://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1016816.html

出品：科普中國