論前沿高中物理教學(xué)滲透的內(nèi)涵、途徑及作用人教版（通用）

1、論前沿物理教學(xué)滲透的內(nèi)涵、途徑及作用 郭華芳（浙江省杭州市長河高級中學(xué)物理組 浙江杭州 310025）內(nèi)容提要：縱觀世界各國，各發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育改革均重視前沿科學(xué)，作為對國際科學(xué)教育改革的積極回應(yīng)與推動，我國更加重視物理前沿教學(xué)滲透。結(jié)合新課程改革，人們已經(jīng)逐步關(guān)注起這個問題，但教學(xué)實踐如何進(jìn)行有效滲透，值得進(jìn)一步探討。關(guān)鍵詞：物理教學(xué) 前沿知識 滲透一、高中物理前沿教學(xué)滲透的內(nèi)涵及必要性所謂物理學(xué)前沿，就是當(dāng)前物理學(xué)家正在關(guān)注和深入研究的現(xiàn)象和規(guī)律。如：粒子（高能）物理、天體物理、凝聚態(tài)物理以及與其他學(xué)科交叉產(chǎn)生的邊緣學(xué)科象物理化學(xué)、物理學(xué)和材料科學(xué)、地球物理學(xué)、生物物理學(xué)、能源物理學(xué)等，

2、都是今天物理學(xué)的前沿。所謂物理前沿教學(xué)滲透，就是將這些知識在基礎(chǔ)教學(xué)中加以傳授。環(huán)視各國高中物理前沿的教育，各發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育改革均重視前沿科學(xué)，其重點也正落實在教學(xué)內(nèi)容上，它是科學(xué)素質(zhì)教育的體現(xiàn)。美國物理教師協(xié)會（AAPT）在1988年發(fā)表中學(xué)物理課程內(nèi)容的報告中就指出：“應(yīng)當(dāng)讓中學(xué)生體驗到物理學(xué)是一門發(fā)展中的科學(xué)，是現(xiàn)代前沿科學(xué)中最為激勵人心的學(xué)科之一?！弊鳛閷H科學(xué)教育改革的積極回應(yīng)與推動，我國新一輪課改適當(dāng)加大了前沿物理知識的比重，在確?；A(chǔ)性的前提下，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一定的揚棄，新增內(nèi)容的教學(xué)要求雖不高，卻有助于彌補物理教學(xué)長期存在的不足。高中物理新教材滲透了大量的物理學(xué)前沿課題

3、，如夸克理論、黑洞、宇宙大瀑炸理論、納米技術(shù)、液晶、湍流現(xiàn)象、混沌、超導(dǎo)、磁懸浮等。中學(xué)物理新教材所涉及到的物理前沿內(nèi)容主要有：超重和失重一節(jié)的閱讀材料中有“失重和宇宙開發(fā)”的前沿知識；萬有引力定律一節(jié)的習(xí)題背景中有“計算u夸克與d夸克的相互作用力”的前沿知識；人造衛(wèi)星、宇宙速度一節(jié)的閱讀材料中有“黑洞”的前沿知識；行星、恒星、星系與宇宙一節(jié)的正文選學(xué)中有“宇宙大爆炸理論”的前沿知識；反沖運動、火箭一節(jié)的閱讀材料中有“航天技術(shù)的發(fā)展和宇航行”的前沿知識；物體是由大量分子組成一節(jié)的閱讀材料中有“納米技術(shù)”的前沿知識；液晶一節(jié)的正文選學(xué)中有“液晶”的前沿知識；湍流現(xiàn)象一節(jié)的正文選學(xué)中有“湍流現(xiàn)象”

4、的前沿知識；超導(dǎo)及其應(yīng)用一節(jié)的正文選學(xué)中有“超導(dǎo)及其應(yīng)用”的前沿知識；磁場一節(jié)的閱讀材料中有“磁與生物”的前沿知識；電磁感應(yīng)一節(jié)的閱讀材料中有“尋找單極子”的前沿知識；交變電流一節(jié)的閱讀材料中有“直流電機(jī)和磁懸浮列車”的前沿知識；激光一節(jié)的正文內(nèi)容中有“利用強激光引起核聚變”的前沿知識；原子核一節(jié)的閱讀材料中有“粒子物理簡介”的前沿知識等等。我國著名的物理學(xué)家、教育家趙凱華教授指出：“許多前沿課題與基礎(chǔ)物理課的內(nèi)容有聯(lián)系的，在適當(dāng)?shù)牡胤介_一些窗口，引導(dǎo)學(xué)生向窗外的世界望一望，哪怕是一瞥，都會對開闊他們的眼界，啟迪他們的思維，加深他們對課程的理解有好處。新教材已涉及到當(dāng)前大部分的物理學(xué)前沿課題，

5、其主要以閱讀材料、正文選學(xué)內(nèi)容、習(xí)題的背景知識出現(xiàn)，這些前沿課題的出現(xiàn)并沒有改變原有課程的知識體系，也沒有給學(xué)生作認(rèn)知目標(biāo)上的要求，僅僅為學(xué)生打開一個“窗口”，但作為物理教師如何做好“接口”工作，引導(dǎo)學(xué)生向“窗外”，看，卻非一件容易的事。物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗稿）指出：“課程的基本理念是在內(nèi)容上體現(xiàn)時代性、基礎(chǔ)性、選擇性。反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想”。全日制普通高級中學(xué)教科學(xué)物理（人民教育出版社物理室2020年6月）在理念上已向新課標(biāo)靠近了它。在不打破原來知識體系，不增加學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)的前提下，滲透了許多物理學(xué)前沿（包括理論技術(shù)、材料等）。教材是根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)編寫的，里面滲透的物理

6、前沿自然專家們通過論證的，必要的。那么，問題就在許多教師未作出相應(yīng)的調(diào)整和學(xué)習(xí)，有些教師認(rèn)為前沿物理應(yīng)是學(xué)生進(jìn)大學(xué)后的任務(wù)，高中階段可不作要求。大多數(shù)的學(xué)生今后可能根本不再碰物理，談何學(xué)習(xí)物理前沿，等到以后進(jìn)行物理前沿的滲透是不現(xiàn)實的，為了培養(yǎng)具有現(xiàn)代物理意識、具有現(xiàn)代創(chuàng)新精神，在中學(xué)階段滲透物理前沿知識顯然是必要的。二、物理前沿知識滲透的有效方法高中物理教學(xué)中，滲透物理前沿知識，不僅要求內(nèi)容上使學(xué)生容易接受，在教學(xué)方法上更應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)識特點，選擇適宜的方式方法和教學(xué)手段，就如新課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡的那樣，要改變過去單一的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)手段，應(yīng)有多種學(xué)習(xí)方式和教學(xué)手段。1、通過直觀教學(xué)法加以滲透前

7、沿物理的理論抽象，不利于對高中生教育，將抽象化轉(zhuǎn)化成直觀化是進(jìn)行前沿物理滲透的首要考慮方法。形象直觀運用的是直覺思維，直覺思維沒有嚴(yán)格的步驟和規(guī)則，突破常規(guī)和定勢，跳躍式地思考，想象出最終結(jié)果，然后用邏輯手段進(jìn)行分析、論證。開普勒在分析第谷的天文觀察資料時，第一次假設(shè)太陽繞地球轉(zhuǎn)，與資料不符；第二次假設(shè)火星繞太陽作圓周運動，也不符合資料；假設(shè)火星繞太陽作橢圓運動，才得出正確結(jié)果，這一過程運用的就是直覺思維。2、利用錄像手段加以滲透從教學(xué)實際來看，我國的航天、新型天文望遠(yuǎn)鏡、原子激光、太陽能等，都是錄像性質(zhì)的資料，對學(xué)生進(jìn)行前沿物理的滲透起到很好的效果。現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，特別是多媒體教學(xué)、遠(yuǎn)程

8、教育，網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展，突破了時間與空間的限制，極大地方便了中學(xué)物理教學(xué)，使中學(xué)物理知識與現(xiàn)代物理學(xué)的前沿知識更能有機(jī)地聯(lián)系起來，如用微機(jī)來模擬宇宙大爆炸，使學(xué)生了解宇宙初始階段的物理過程，從宇宙大爆炸開始，宇宙經(jīng)歷了一個由熱到冷、由密到稀的演化史，經(jīng)歷了漫長的年代，彌漫的氣體凝聚為氣體星云，氣體星云再慢慢地收縮成星系和恒星，逐漸成為今天我們所觀測到的宇宙，目前，研究人員了解到，宇宙中的大多數(shù)物質(zhì)是暗物質(zhì)，它們不同于地球上所觀測到的任何物質(zhì)，隨著高能對撞機(jī)和粒子天體物理的并行發(fā)展，也許在不久的將來可以識別暗物質(zhì)，研究人員利用未來的加速器實驗有望看見這些“暗物質(zhì)”。這就為學(xué)生將來進(jìn)一步探索宇宙起源

9、和演化的奧秘，揭開暗物質(zhì)之迷，建立新的時空觀埋下了伏筆，從而為學(xué)生提供了廣闊的視野。3、以自學(xué)提問的方式加以滲透由于物理前沿知識較深，教起來，比常規(guī)教學(xué)顯得難，為了激發(fā)學(xué)生興趣，就要多種教學(xué)形式，除了常見的授課方法，還可以以講座、辯論、商討，自學(xué)，提出問題，試題等等形式進(jìn)行滲透。比如，觀看太空之旅視頻之前，我提出“你們看后，每人至少提出一個問題，問題最好與物理有關(guān)，可不做問題的解釋”結(jié)果學(xué)生提出的問題五花八門。如：“火箭上升時楊利偉要承受多大的壓力？”，“在神州五號艙內(nèi)楊利偉的生理系統(tǒng)會發(fā)生變化嗎？”，“為什么飛船里的東西很容易翻轉(zhuǎn)？”，“完全失重情況下宇航員怎樣洗臉?biāo)⒀?？”，“沒有了大氣層的

10、保護(hù)，飛船和宇航員會不會因為強烈輻射而受到傷害？”，“飛船是怎樣發(fā)射出去到達(dá)預(yù)定軌道的，又怎樣順利返回地球？”，“飛船中有白天夜晚的晝變嗎？”，“聽說飛船到達(dá)預(yù)定軌道需要依靠助推器變軌，怎樣做到助推劑的量恰倒好處，不多不少呢？”，“為什么太空艙內(nèi)輕微的碰撞都會讓物體彈出很遠(yuǎn)？”因為只需提出問題可不做解答，學(xué)生心理輕松，所以提問時異?；钴S?？此茻o結(jié)果的問題但實際上它為學(xué)生提供了思考的方向，學(xué)生的思維很積極，各自有一定的結(jié)論或看法，這或許正是問題形式教學(xué)的魅力所在。以提出問題的方式進(jìn)行教學(xué)，它不僅適用于滲透前沿物理，而且是當(dāng)前教育界認(rèn)為十分重要的教育觀念，強調(diào)學(xué)生不能只停留在“分析問題、解決問題”

11、的階段，更要有“提出問題”的能力。4、將物理前沿的新思想、新方法在傳統(tǒng)教學(xué)中加以滲透現(xiàn)代物理中的某些基本觀念中與經(jīng)典物理相比發(fā)生了根本性的變化，這在物理教學(xué)中應(yīng)體現(xiàn)出來，傳統(tǒng)教學(xué)認(rèn)為只要滿足零電阻效應(yīng)（=o）的材料就是超導(dǎo)體，而在零電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)20多年后，人們又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)（B=o），因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時具備零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)，而僅僅滿足零電阻效應(yīng)只能稱為理想導(dǎo)體；又如對真空的認(rèn)識，在經(jīng)典物理學(xué)的觀念中，真空是一無所有的空間，而現(xiàn)代物理從更細(xì)微的尺度（10-13cm）或更高能量上（1GeV）進(jìn)行考察，得出真空實際就是量子場的基態(tài)，存在真空漲落和真空極化

12、等效應(yīng)，這些效應(yīng)對庫侖定律、原子光譜等都有影響；再如在受迫阻尼運動中，描述單擺的動力學(xué)方程已經(jīng)不再是線性方程，其運動反映出混沌現(xiàn)象的某些基本特征三、物理前沿知識在基礎(chǔ)教學(xué)中滲透的積極作用1、有助于復(fù)習(xí)、深化教材中其他的知識高中物理前沿的滲透一般與高中物理課程相銜接，在與教材的非前沿知識有接口、滲透前沿物理時，自然對其他知識進(jìn)行了深化，我們的宇宙有對萬有引力定律、多普勒效應(yīng)等教材中知識的復(fù)習(xí)，而且有深化，超導(dǎo)中金屬導(dǎo)電理論是金屬電阻的原因，對電阻進(jìn)行了復(fù)習(xí)，同時從另一角度思考電阻，還對它如果溫度降低到趨近于絕對零度時的突變電阻為零的思維的深化，知識的掌握和理解，教育理論和實踐都證明不可能一次性完

13、成，需要反復(fù)不斷的復(fù)習(xí)?，F(xiàn)在進(jìn)行“題海戰(zhàn)術(shù)”反復(fù)機(jī)械地訓(xùn)練，看似復(fù)習(xí)教材知識，提高了學(xué)生的能力，將學(xué)生的分?jǐn)?shù)硬拔上去了，而實際上它并不代表學(xué)生的真正水平，它靠的是條件反射，一旦消除刺激，他（她）的物理知識也就忘得差不多了，因此學(xué)生如果以后沒學(xué)物理，那么頭腦中剩下的就是一些沒血沒肉的物理概念，物理前沿的滲透正是要學(xué)生將前沿知識滲透于腦海中，讓學(xué)生多了解物理學(xué)日新月異、激動人心的變化，往往能夠激發(fā)他們認(rèn)知興趣，引起內(nèi)心深處的探究欲望，促進(jìn)學(xué)生終身學(xué)習(xí)、復(fù)習(xí)有關(guān)知識，達(dá)到隨機(jī)通達(dá)教學(xué)。2、有助于激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力高中物理前沿盡管大多數(shù)未完全脫離教材，但是都是對教材的深化和延伸，而延伸出

14、的觀念和思想大都出乎我們的想象，開拓了學(xué)生的視野。原子激光告訴我們，物質(zhì)（原子）也能發(fā)光，而且是非常好的相干光源。激光擁有許多神奇的力量，我們幾乎每天都在不知不覺和它打交道。購物時結(jié)帳柜臺上的激光掃描儀能夠準(zhǔn)確讀出你手中每一件商品條形碼；上網(wǎng)沖浪，激光光纜可以快速傳遞你所需要的信息；學(xué)習(xí)累了，聽會激光唱機(jī)里放出的優(yōu)美音樂，激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)上，外科手術(shù)中的激光刀，能夠在切割血管的同時封閉血管，不但防止了出血，更減少了感染的危險；激光還可以美容。在軍事領(lǐng)域，高能量的激光引起了軍事裝備的革命，它可以準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)并快速摧毀目標(biāo)，各種激光致盲致眩武器，可以使人眩暈失明，而激光雷達(dá)、激光測距

15、技術(shù)更是為各種武器裝上了“千里眼”。前沿物理的滲透，教師僅將學(xué)生“領(lǐng)進(jìn)門”，激發(fā)學(xué)生的興趣，更多深入的了解是學(xué)生自學(xué)或今后的深造。長期對前沿物理教學(xué)的相對忽略，導(dǎo)致了科學(xué)教育的“片斷化”，物理教育成了物理“斷代史”的教育，使學(xué)生只知物理的昨天，不知物理學(xué)的今天，不見物理學(xué)的明天，物理學(xué)前沿作為物理中最有活力的部分，將其滲透于教學(xué)中，不僅是需要的，而且是必需的，它有利于學(xué)生的發(fā)展，也有利于教師的發(fā)展。3、有助于開闊視野，幫助學(xué)生形成合理的科學(xué)觀縱觀當(dāng)前發(fā)達(dá)國家的科學(xué)教育改革，純粹的“精英”教育已廣受詬病“科學(xué)為大眾（science for all）”的口號逐漸深入人心，面向全體學(xué)生，讓他們深入了

16、解科學(xué)以形成合理的科學(xué)觀，才真正是國際科學(xué)教育改革的基石。近、現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，特別是相對論與量子理論的提出，使西方的科學(xué)觀發(fā)生了很大變化，機(jī)械的、實證的科學(xué)觀受到了普遍懷疑，涌現(xiàn)出一些新的科學(xué)觀，主要有：否認(rèn)科學(xué)的客觀性而認(rèn)為科學(xué)的結(jié)論具有猜測性；否認(rèn)真理的永恒性而認(rèn)為科學(xué)研究是一種“綱領(lǐng)性文件”； 否認(rèn)科學(xué)發(fā)展的累積性而認(rèn)為科學(xué)中主要的進(jìn)展是革命性；否認(rèn)科學(xué)的確性而認(rèn)為觀察未必可靠；否認(rèn)科學(xué)的價值中立性而認(rèn)為科學(xué)與意識形態(tài)一樣；否認(rèn)科學(xué)的絕對意義而認(rèn)為科學(xué)是各種精神活動的一種匯集，是受過教育的人的一種習(xí)慣。這些科學(xué)觀均將科學(xué)視為一種文化，力圖說明科學(xué)文化的相對性、可變性、價值負(fù)載性與進(jìn)化過程的革命性，英國著名科學(xué)史專家貝爾納（J.D.Bernald）說：“科學(xué)是不能用一個定義來把握的”，新觀點的出現(xiàn)為我們認(rèn)識科學(xué)提供了不同的視角，既然對科學(xué)有多重闡釋，科學(xué)教育也就不能以偏概全，以單維度的實證科學(xué)觀來代替全面、立體的科學(xué)觀，物理前沿知識中有大量說明科學(xué)相對性，不確定性的事例，將其滲透于教學(xué)中，能夠使學(xué)生開闊視野，啟迪他們質(zhì)疑舊的科學(xué)觀，逐漸形成具有現(xiàn)代意蘊的科學(xué)