德國物理教育的實(shí)踐特色_宣桂鑫.pdf

0 0 32 年第 3期 總第 178 期 全球教育展望 GL OBLAEU CD 才 T ION N o 3 2 0 0 3 G中er a l No 187 德國物理教育的實(shí)踐特色 宣桂鑫 摘 要 教育的實(shí)踐特色 關(guān)鍵詞 作者簡 介 本文從德國實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新性 課程 資源的 開放性和職后教育的普及性闡述了德國物理 物 理教育實(shí)驗(yàn)教學(xué) 課程資源 職后教育 宜桂鑫 華 東師范大學(xué)物理系教授 上海2 00 06 2 我 于1989一1995年 2000一2001 年期間相 繼 赴德國 的杜伊斯堡大學(xué) 法蘭克福大 學(xué) 多特蒙德大 學(xué) 埃爾蘭根一紐倫堡大學(xué) 慕尼黑 大學(xué) 西班牙 的 馬德里 大學(xué) 瑞典的隆德 大學(xué) 英國的英國 開放大 學(xué) 意大利的羅馬大學(xué)等講學(xué)并與之進(jìn)行合作研究 還曾9次 出席國 際學(xué)術(shù)會(huì)議 訪 問過法國 丹麥 荷 蘭和盧森堡 所 到之處 常 留心于各國物理教育的 現(xiàn)狀 深感在世紀(jì)之交歐洲各國 的物理教育無論在 內(nèi)容上 還 是在方法上都有 重大的改革 很值得 我們 研究 借鑒 其中德國的物理教育更富有特色 印象 至為深刻 一 不斷創(chuàng)新 的實(shí)驗(yàn)教學(xué) 在慕尼黑大學(xué)物理系 的迎賓廳里 德國 物理學(xué) 教授卡爾 魯赫納博士接受了我的采訪 已有50 0 多年歷史的慕尼黑大學(xué)堪稱 科學(xué)家的搖籃 物理 學(xué)大師歐姆 倫琴 維恩等都在這所 大學(xué)執(zhí)教過 倫 琴和維恩曾獲得過諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 魯赫納教授在 談到當(dāng)前國 際物理教育動(dòng)向時(shí)說 傳統(tǒng)教學(xué)法是 學(xué)院式 的 對(duì)物理的新發(fā)展 和技術(shù)上 的應(yīng)用缺乏 足夠的重視 在教學(xué)要求上統(tǒng)得過死 沒 有給學(xué)生 留 有個(gè)性發(fā) 展 的充分空 間 教學(xué)方法 上 主 要承襲著 粉筆 加談話 學(xué) 生每人一本教科書 教師尋章摘句 抄在黑板上 學(xué) 生再把它搬遷到自己的筆 記本上 為 了應(yīng)付考試而記憶和背誦 一旦離開學(xué)校就忘記得 一干 二凈 宛如一 張布告以劣質(zhì) 的膠 水貼在土墻上 秋風(fēng)蕭蕭 布告一會(huì)兒就掉下來了 留在墻上 的是干 枯了的粘膠 而 學(xué) 生 留下 的是一大堆物理學(xué)名詞 諸 如路程 速度 加速度 慣性 力 魯赫納強(qiáng) 調(diào)必 須提倡探究式教學(xué)法 這種教學(xué) 法以實(shí)驗(yàn)為核心 竭力創(chuàng)造條件使教學(xué) 活動(dòng)圍繞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行 突 出物理 實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)物理人才 中的作用 要盡可 能保留研究 性質(zhì) 將教學(xué)過程變成模擬科研過程 在教師有的放 矢的啟發(fā) 引 導(dǎo)下讓學(xué) 生 自己去研究 分析 解 決問 題 使學(xué)生成為知識(shí)的探索者和 發(fā)現(xiàn)者 這種 教學(xué) 方法的最大特點(diǎn)是由 注 變 導(dǎo) 學(xué) 生在學(xué)習(xí) 上變 被動(dòng)為 主動(dòng) 正確處 理 了教與學(xué)的關(guān)系 既發(fā)揮了教 師的主導(dǎo)作用 也發(fā)揮了學(xué)生 的 主體作用 德國的物理教 學(xué)有重視實(shí)驗(yàn)的傳統(tǒng) 在德國的 基礎(chǔ)物理 教材中編 人了大量的演示實(shí)驗(yàn) 有的基礎(chǔ) 物理教材索性就叫做實(shí)驗(yàn)物理學(xué) 它的插圖很多 對(duì) 現(xiàn)象的描述也比較詳盡 德國物理學(xué)界流傳著這樣 一種說法 一堂沒 有演示實(shí)驗(yàn)的物理課是不可想像 的 除了純理論課或習(xí)題課 一般每堂課做2一3個(gè) 演示實(shí)驗(yàn) 對(duì)一些 難以演示的內(nèi)容 也盡可 能采用 掛 圖 實(shí)物模型 直觀教具 薄膜或?qū)?物 投影 電視 錄相 多媒體等現(xiàn)代信息技術(shù)手段的應(yīng)用越來越廣 泛 近一 二十年來德國物理教學(xué)在演示實(shí)驗(yàn)和學(xué) 生實(shí)驗(yàn)方面 的創(chuàng)新集中體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 1 從雜散 型 向系列型模式的轉(zhuǎn)化 以擺的教學(xué)為例 單擺 復(fù)擺 藕合擺 U型管 中的水柱擺動(dòng) 由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄 機(jī)械混沌擺 混 沌碗和磁混沌擺等構(gòu)成擺的系列 一個(gè)由 5個(gè)復(fù)擺 聯(lián)成的構(gòu)件顯示 的 物理 現(xiàn)象十分奇特 像復(fù)雜美妙 的舞蹈動(dòng)作 卻生動(dòng)地揭示了物理學(xué)中的混沌現(xiàn)象 從而以簡單的實(shí)驗(yàn)取 得了介紹 近代非線性物理內(nèi)容 的 良好效果 2 從單調(diào) 型 向趣味型模式的轉(zhuǎn)化 用日常物 品或玩具經(jīng)改裝 組合后來做與教學(xué) 內(nèi)容相關(guān)的課堂 小實(shí)驗(yàn) 由于 取 材容易 設(shè)計(jì)新穎 趣味盎然 最能 激發(fā)起學(xué)生的參 與熱情 例如 附有 彈簧的小 鳥在直桿上爬行的 鳥啄 玩 具 顯 示 彈性 勢 能 與動(dòng) 能的關(guān) 系 游 一 游 一種類 似于溜溜球 的玩 具 顯示轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 如何隨 圓盤位置而改變 轉(zhuǎn) 軸 的變化 如何影 響轉(zhuǎn) 動(dòng) 的穩(wěn) 定 性 激 光唱片 CD 因 其上 刻蝕細(xì)而密 的螺 旋 線凹槽軌 跡 可作 為反射 光 柵用以演示 光 的衍 射 現(xiàn)象 德國 的物理學(xué) 同行甚至 把 我國的二胡 魚 洗 透 光 古 銅 鏡 仙 女 杯和桿秤 作 為演示教具 3 從 小型 向大型 模 式的 轉(zhuǎn)化 為了適 應(yīng) 大型階梯教 室上大 課 演示實(shí) 驗(yàn) 的需 求 提高演 示實(shí)驗(yàn)的 可 見度 某 些 儀 器尺寸很 大 結(jié) 構(gòu) 力求 簡單明了 例 如 演示薄 膜干 涉 采用2 x 3平 方 米 的大型豎直 框架 其 中一條 水平 框邊可以移動(dòng) 沿著肥皂液徐 徐上升 形 成 6平 方米的巨型肥 皂膜 當(dāng)用強(qiáng)光照射 時(shí) 肥皂膜上 呈現(xiàn)斑斕 的彩色條 紋 蔚 為壯 觀 而模 擬 X 射 線通過 單晶 的聲 勞 厄衍 射 的 演示實(shí)驗(yàn)裝 置 采用1 0 丫10 1 0個(gè) 直徑 為 2 厘米的 木球 用線栓 在 木框上 木 框 的尺寸是 100 義 1 0O x 5 6 立方厘 米 儼然是個(gè)大箱子 C 有些 需 學(xué)生觀察細(xì) 微 結(jié)構(gòu) 的演示實(shí) 驗(yàn) 則 結(jié)合采用投影放大 或 電視攝 像 實(shí)時(shí)播 放 等手段 務(wù) 求清 晰可見 4 從經(jīng)典 型向近代型模式 的轉(zhuǎn) 化 德 國 物理 學(xué) 界 很 重視把近代 物 理 高新 技 術(shù) 轉(zhuǎn) 化 為物 理教學(xué) 內(nèi)容 實(shí) 現(xiàn)這一轉(zhuǎn) 化的關(guān)鍵之 一是 努力簡 化近代 物 理 實(shí) 驗(yàn) 裝 置 設(shè)計(jì)切實(shí)可行的新型 演示儀器 例 如 高 臨界 溫度的超 導(dǎo)材 料 T 液氮 的沸點(diǎn)7 7 K 問世以后 現(xiàn) 在已經(jīng)可以在 課堂上演示 許多已知 的超 導(dǎo) 效 應(yīng) 我 在德國所 見 的激光利薩如 圖形 紅外輻射 聚集 掃描 隧 道顯微 術(shù) 在納 米技術(shù)中 的應(yīng)用等演示 實(shí) 驗(yàn) 對(duì)于向?qū)W生介紹高新 科技知識(shí) 發(fā)揮了巨大的作用 5 從單一型向綜合型 模式的轉(zhuǎn) 化 這 是 指 對(duì) 那些 復(fù)雜 的難以直接 觀 測 的物理現(xiàn) 象可以使用計(jì)算 機(jī) 模 擬 也可以綜 合使用多種現(xiàn)代 信息技術(shù) 如計(jì)算 機(jī)輔助設(shè) 計(jì) 系統(tǒng) 電視 錄相 多媒 體技術(shù)等班行 交叉和滲透 如晶體的傅里葉譜 計(jì) 算 機(jī)模 擬電多 極子的三維 場圖 光聲轉(zhuǎn) 換 聲光轉(zhuǎn)換 等實(shí)驗(yàn)都不是單 一 的實(shí)驗(yàn) 手 段所能 圓滿完成 的 除了精心安排課堂 演示 外 為了提高學(xué)生 的參 與性 使他們 的實(shí) 踐 能 力和創(chuàng) 新精神 得 到 充分的 發(fā) 展 德國各 大學(xué)的演 示實(shí) 驗(yàn)形 式 從課內(nèi)拓寬到課外 從封 閉型拓寬到開放 型 從 被 動(dòng)型拓 寬 到 主動(dòng)型 逐 步走 向開放 性 實(shí) 驗(yàn) 正 是 這 多種 形 式 拓 寬 的集 中 體現(xiàn) 對(duì)一些大型器 材 的實(shí)驗(yàn) 例如 大型球面反射 鏡 的聲聚集 茹可夫斯 基 轉(zhuǎn) 椅 動(dòng)量守 恒平 板車 大 型回轉(zhuǎn) 儀 水三棱鏡的色 散 傅科 擺 等 實(shí)驗(yàn) 利用大 樓 的長 廊空間 讓學(xué)生在 實(shí) 驗(yàn)人 員 的關(guān)注 下課外參 與 這 稱為 走廊 實(shí) 驗(yàn) 那 些 小巧精 致的實(shí)驗(yàn) 器 材 則 放在 實(shí)驗(yàn)室 的櫥窗里 全天候地向?qū)W生開放 這 稱 為 櫥 窗 實(shí) 驗(yàn) 屬于這 類 實(shí) 驗(yàn)的有 伽耳頓 板 牛頓 環(huán) 聲 駐波 克拉尼砂圖 肥 皂膜的干 涉圖樣 渦 電流 實(shí)驗(yàn) 等 此 外還 有 所 謂 的 展示 實(shí) 驗(yàn) 展示的 實(shí) 驗(yàn) 儀器形 成 系列 讓學(xué)生 了解 儀 器的歷史 演 變過程 有 棱 鏡 系列 透鏡 系列 杜瓦瓶 系列 長度 計(jì) 量系列 磁 場測量系列 輻 射測量系列等多種 其 中最 完 備的 是 電學(xué)計(jì)量儀 器 系列 分 電流計(jì) 伏 特計(jì) 電阻器 電 橋等幾個(gè)類 別 各個(gè) 展示了這 幾 類 儀器是 如 何 從開 放式 演變到封閉式 從指針式 演 變到數(shù)字 式 的 許 多年代久遠(yuǎn) 的老式 儀 器 都還能運(yùn)作 學(xué)生 在今 昔 儀 器 的對(duì)比使 用 中獲取了物 理 學(xué)進(jìn)化 的有用 知識(shí) 二 多姿多彩的科 技博物館 歐洲 各國極 為珍 視 科 技文化 遺 產(chǎn) 星羅棋布 各具 特色 的科技 博物 館對(duì)于普及科 學(xué) 知識(shí)起了很 大 的作 用 科 技博 物館 是學(xué)習(xí)物理 學(xué) 的課程 資源 德國技術(shù)博 物 館是世界 聞名的科學(xué) 技 術(shù)博物 館 它座 落在慕尼黑 市區(qū)風(fēng) 景綺麗的伊 薩河 中的 小 島上 巍 峨 壯美 富麗 堂皇 館 內(nèi)點(diǎn) 綴 著 噴泉 池榭 奇花異 木 在這 里 參 觀 者可以觀察到很 多 物 理 實(shí) 驗(yàn)的過程 例如 激光全息 激 光陀螺 儀 電磁波的發(fā) 射和接 收 核磁 共振 成像術(shù) 彩 色攝 影 電視原 理 核 輻射 威爾 遜云室 X 射線 衍射 原 子鐘 等 大型實(shí)驗(yàn) 而且 德國技術(shù)博 物 館一反 嚴(yán)禁 撫 摸 展品 的傳統(tǒng) 把陳列式 的展品改 為可動(dòng)式 的展品 在不 少 展 品上 掛 出 歡迎 操作 的牌子 吸引參 觀 者 動(dòng)手 動(dòng)腦 參 與 探索 科技的奧 妙 例 如 參 觀 者可以爬到飛機(jī) 座艙 機(jī)帆 船 火 車 頭里去 體 驗(yàn) 交 通 工 具 是 如 何 運(yùn) 行 的 還可去天 象館 爬進(jìn)宇航空間實(shí)驗(yàn) 室 在茫 茫星空中 遨游 領(lǐng) 略宇宙 的廣 漠 深邃 也可騎 上 原地轉(zhuǎn) 動(dòng)的 自行 車 測試自己做 功 的多少 并從 顯示 屏 上顯 示的 15焦 耳去體會(huì)1焦耳 功的大小 在微波蕩 漾 風(fēng)光 旖 旎 的柏林運(yùn) 河 畔 矗 立 著 一 組風(fēng) 格相 異而 和諧的建筑 物 那里就 是 柏林交通與 技術(shù)博物館 博物 館始建于 188 6 年 迄今已有百多 年歷 史了 建館之初 除博物 館 陳列 的一般圖片 實(shí) 驗(yàn)外 還 備有通光口徑為1 2英寸的天文 望遠(yuǎn)鏡向公 眾開放 這一創(chuàng) 舉可以說開了開 放實(shí) 驗(yàn) 室的先 河 也決定了博物館的 發(fā) 展 方 向 18 蛇年 開館僅 1 6 年 它就擴(kuò)展成為包 括 天空巡禮 生 物探 秘 物理世 界 科學(xué)戲劇 4個(gè) 部分的世界上首屈一指 的博物館 我 不能不欽佩歷 屆博物 館 領(lǐng) 導(dǎo)人銳利的科學(xué) 眼光 強(qiáng)烈的 時(shí)代意識(shí) 當(dāng)時(shí)的開放實(shí)驗(yàn)室共有 8 8個(gè)基 本實(shí)驗(yàn) 其中物理實(shí)驗(yàn)3 4個(gè) 多數(shù)是 1 9世紀(jì)中葉與 重大技術(shù)發(fā)明有關(guān)的關(guān)鍵性物理實(shí)驗(yàn) 至1978年 柏林交通與技術(shù)博物館已擴(kuò)展成為一個(gè)熔科學(xué) 技 術(shù) 自然 和 文化于 一 爐 的 大型綜合科技博物館 主 樓共 4 個(gè)樓面 1 0 個(gè)展 室 除展出 展品外 還安排 150 個(gè)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)室 每 天 約接待1 0 0 0人 瀏覽氣 勢恢宏 的展覽廳 步人一間間精心 布置 的實(shí)驗(yàn)室 我 仿佛看 到科技列車的巨輪 正輾過時(shí) 空軌道風(fēng)馳 電掣 般隆隆向前 一 流 的器材 優(yōu)質(zhì) 的服務(wù) 一塊塊精 致的說明牌 向你詳細(xì)介紹 實(shí)驗(yàn)的物理意義和操作方 法 講解員言傳身教 彬彬有禮 錄音 錄相等復(fù)合 媒體運(yùn)用得當(dāng) 諸如核能 開發(fā) 粒子加速器的工作 航天器中的失重現(xiàn)象等用 錄 相顯示 清晰生 動(dòng) 計(jì) 算機(jī)也 大展身手 它除了提供模擬和展示動(dòng)態(tài)外 還 給出實(shí)驗(yàn)的詳細(xì) 背 景材 料 文獻(xiàn) 資料和 原理分析供 實(shí)驗(yàn)者閱讀 激光打 印機(jī)可方便地打印出實(shí)驗(yàn)者感 興趣 的材料 實(shí)驗(yàn)完畢 計(jì)算機(jī)還會(huì)出幾道選擇題 考考你 評(píng)估一下寒驗(yàn)效果 處處提供方便 設(shè)想實(shí) 在周到 柏林交通與技術(shù)博物館給每個(gè)參觀者留下 了終身難忘 的印象 德國各國眾多的科技博物館匯成浩瀚的知識(shí)海 洋 它滿足 了不同層次 不同年齡 不同專業(yè)的參觀 者的需求 它 吸引了世界各地成百 萬 的科學(xué) 朝圣 者 它在青少年的心中點(diǎn)燃起科學(xué)的圣火 它理所當(dāng) 然地成為未來的科學(xué)家和 發(fā) 明者的搖籃 三 面向社 會(huì)的物理教育 重視經(jīng)常性的職業(yè)培訓(xùn) 重視職工的學(xué)后教育 是二次大戰(zhàn)后德國經(jīng)濟(jì)騰飛 的原 因之一 德國各大 學(xué)在這方面發(fā)揮著 越來越大 的作用 例 如杜伊斯堡 大學(xué)的做法就很為人所稱道 杜伊斯堡位于德國西 北部的魯爾工業(yè)區(qū) 萊茵河和魯爾河的交匯 處 它 是德國重 要 的工業(yè)城市 和 內(nèi)陸港 口 市中心的杜伊 斯 堡大學(xué)是一所有3 0 0 多年歷史的綜合性理工科 大學(xué) 在 國內(nèi)外享有盛譽(yù) 杜伊斯堡大學(xué)技術(shù)物理 系的哈瑞斯教授向我介紹他 們開 展 社區(qū)教育的經(jīng) 驗(yàn) 大學(xué)定期舉辦面向社區(qū)的講座 免費(fèi)開放演示 實(shí)驗(yàn) 以期達(dá)到讓社會(huì)了解大學(xué) 讓大學(xué)服務(wù)社會(huì)的 目的 在抵達(dá)杜伊斯堡 大 學(xué) 的第二天 我 出席了哈 瑞斯教授給杜伊斯 堡 地區(qū)在 職人員作的 專題講座 題目是 高溫超導(dǎo)和宏觀量 子效應(yīng) 20 0 多人 的教 室座 無虛席 據(jù)了解 其 中大 多是該地區(qū)的 中學(xué) 教 師 起先我很為 聽眾 的 理解能 力擔(dān)心 但講演過程 中聽眾表露的濃厚興趣和 隨后討論時(shí) 的熱烈情緒勾 銷了我的疑 慮 究其原 因是講演者語言生 動(dòng) 深人 淺出 加上演示 使用投影儀和放映錄相片等輔助 手 段運(yùn) 用得宜 講演取 得 了很好的效果 杜伊斯堡大 學(xué)技術(shù)物理系在那半 年內(nèi)就安排了以下幾個(gè)系列 的 專題報(bào)告 新型火警探測器的物理原理 科學(xué) 技 術(shù)和文化中的嫡規(guī)律 計(jì)算機(jī)人工智能 等 此 外 還開 了 自動(dòng)控制原理 凝聚 態(tài)物理新進(jìn)展 等短 訓(xùn)班 短訓(xùn)班利用業(yè)余時(shí)間 收費(fèi)都很低廉 深受相 對(duì)清貧的社區(qū)廣大中學(xué)教師 的歡 迎 在德國也有類似 廠校掛鉤 的做法 杜伊斯堡 大學(xué)就和市郊的蒂森鋼鐵聯(lián)合企業(yè)建立了親密的合 作關(guān)系 杜伊斯堡大學(xué)承擔(dān)蒂森廠 的部分科研任務(wù) 和職工崗位培訓(xùn)任務(wù) 而蒂林廠提供科研經(jīng)費(fèi)