1、1论前沿物理教学渗透的内涵、途径及作用郭华芳（浙江省杭州市长河高级中学物理组 浙江杭州 310025）内容提要：纵观世界各国，各发达国家的科学教育改革均重视前沿科学，作为对国际科学教育改革的积极回应与推动，我国更加重视物理前沿教学渗透。结合新课程改革，人们已经逐步关注起这个问题，但教学实践如何进行有效渗透，值得进一步探讨。关键词：物理教学 前沿知识 渗透一、高中物理前沿教学渗透的内涵及必要性所谓物理学前沿，就是当前物理学家正在关注和深入研究的现象和规律。如：粒子（高能）物理、天体物理、凝聚态物理以及与其他学科交叉产生的边缘学科象物理化学、物理学和材料科学、地球物理学、生物物理学、能源物理学等，
2、都是今天物理学的前沿。所谓物理前沿教学渗透，就是将这些知识在基础教学中加以传授。环视各国高中物理前沿的教育，各发达国家的科学教育改革均重视前沿科学，其重点也正落实在教学内容上，它是科学素质教育的体现。美国物理教师协会（AAPT）在 1988 年发表中学物理课程内容的报告中就指出：“应当让中学生体验到物理学是一门发展中的科学，是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一。 ” 作为对国际科学教育改革的积极回应与推动，我国新一轮课改适当加大了前沿物理知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃，新增内容的教学要求虽不高，却有助于弥补物理教学长期存在的不足。高中物理新教材渗透了大量的物理学
3、前沿课题，如夸克理论、黑洞、宇宙大瀑炸理论、纳米技术、液晶、湍流现象、混沌、超导、磁悬浮等。中学物理新教材所涉及到的物理前沿内容主要有：超重和失重一节的阅读材料中有“失重和宇宙开发”的前沿知识；万有引力定律一节的习题背景中有“计算 u 夸克与 d 夸克的相互作用力”的前沿知识；人造卫星、宇宙速度一节的阅读材料中有“黑洞”的前沿知识；行星、恒星、星系与宇宙一节的正文选学中有“宇宙大爆炸理论”的前沿知识；反冲运动、火箭一节的阅读材料中有“航天技术的2发展和宇航行”的前沿知识；物体是由大量分子组成一节的阅读材料中有“纳米技术”的前沿知识；液晶一节的正文选学中有“液晶”的前沿知识；湍流现象一节的正文选
4、学中有“湍流现象”的前沿知识；超导及其应用一节的正文选学中有“超导及其应用”的前沿知识；磁场一节的阅读材料中有“磁与生物”的前沿知识；电磁感应一节的阅读材料中有“寻找单极子”的前沿知识；交变电流一节的阅读材料中有“直流电机和磁悬浮列车”的前沿知识；激光一节的正文内容中有“利用强激光引起核聚变”的前沿知识；原子核一节的阅读材料中有“粒子物理简介”的前沿知识等等。我国著名的物理学家、教育家赵凯华教授指出：“许多前沿课题与基础物理课的内容有联系的，在适当的地方开一些窗口 ，引导学生向窗外的世界望一望，哪怕是一瞥 ，都会对开阔他们的眼界，启迪他们的思维，加深他们对课程的理解有好处。新教材已涉及到当前大
5、部分的物理学前沿课题，其主要以阅读材料、正文选学内容、习题的背景知识出现，这些前沿课题的出现并没有改变原有课程的知识体系，也没有给学生作认知目标上的要求，仅仅为学生打开一个“窗口” ，但作为物理教师如何做好“接口”工作，引导学生向“窗外” ，看，却非一件容易的事。物理课程标准（实验稿） 指出：“课程的基本理念是在内容上体现时代性、基础性、选择性。反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想” 。全日制普通高级中学教科学物理 （人民教育出版社物理室 2007 年 6 月）在理念上已向新课标靠近了它。在不打破原来知识体系，不增加学生学业负担的前提下，渗透了许多物理学前沿（包括理论技术、材料等） 。
6、教材是根据新课程标准编写的，里面渗透的物理前沿自然专家们通过论证的，必要的。那么，问题就在许多教师未作出相应的调整和学习，有些教师认为前沿物理应是学生进大学后的任务，高中阶段可不作要求。大多数的学生今后可能根本不再碰物理，谈何学习物理前沿，等到以后进行物理前沿的渗透是不现实的，为了培养具有现代物理意识、具有现代创新精神，在中学阶段渗透物理前沿知识显然是必要的。二、物理前沿知识渗透的有效方法高中物理教学中，渗透物理前沿知识，不仅要求内容上使学生容易接受，在教学方法上更应符合学生的认识特点，选择适宜的方式方法和教学手段，就如新课程标准所提倡的那样，要改变过去单一的学习方式和教学手段，应有多种学习方
7、式和教学手段。31、通过直观教学法加以渗透前沿物理的理论抽象，不利于对高中生教育，将抽象化转化成直观化是进行前沿物理渗透的首要考虑方法。形象直观运用的是直觉思维，直觉思维没有严格的步骤和规则，突破常规和定势，跳跃式地思考，想象出最终结果，然后用逻辑手段进行分析、论证。开普勒在分析第谷的天文观察资料时，第一次假设太阳绕地球转，与资料不符；第二次假设火星绕太阳作圆周运动，也不符合资料；假设火星绕太阳作椭圆运动，才得出正确结果，这一过程运用的就是直觉思维。2、利用录像手段加以渗透从教学实际来看， 我国的航天 、 新型天文望远镜 、 原子激光 、 太阳能等，都是录像性质的资料，对学生进行前沿物理的渗透
8、起到很好的效果。现代教育技术的发展，特别是多媒体教学、远程教育，网络教育的发展，突破了时间与空间的限制，极大地方便了中学物理教学，使中学物理知识与现代物理学的前沿知识更能有机地联系起来，如用微机来模拟宇宙大爆炸，使学生了解宇宙初始阶段的物理过程，从宇宙大爆炸开始，宇宙经历了一个由热到冷、由密到稀的演化史，经历了漫长的年代，弥漫的气体凝聚为气体星云，气体星云再慢慢地收缩成星系和恒星，逐渐成为今天我们所观测到的宇宙，目前，研究人员了解到，宇宙中的大多数物质是暗物质，它们不同于地球上所观测到的任何物质，随着高能对撞机和粒子天体物理的并行发展，也许在不久的将来可以识别暗物质，研究人员利用未来的加速器实
9、验有望看见这些“暗物质” 。这就为学生将来进一步探索宇宙起源和演化的奥秘，揭开暗物质之迷，建立新的时空观埋下了伏笔，从而为学生提供了广阔的视野。3、以自学提问的方式加以渗透由于物理前沿知识较深，教起来，比常规教学显得难，为了激发学生兴趣，就要多种教学形式，除了常见的授课方法，还可以以讲座、辩论、商讨，自学，提出问题，试题等等形式进行渗透。比如，观看太空之旅视频之前，我提出“你们看后，每人至少提出一个问题，问题最好与物理有关，可不做问题的解释”结果学生提出的问题五花八门。如：“火箭上升时杨利伟要承受多大的压力？” ， “在神州五号舱内杨利伟的生理系统会发生变化吗？” ， “为什么飞船里的东西很容
10、易翻转？” ， “完全失重情况下宇航员怎样洗脸刷牙？” ， “没有了大气层的保护，飞船和宇航员会不会因为强烈辐射而受到伤害？” ， “飞船是怎样发射出去到达预定轨道的，又怎样顺利返回地球？” ， “飞船中有白天夜晚的昼变吗？” ， “听说飞船到达预定4轨道需要依靠助推器变轨，怎样做到助推剂的量恰倒好处，不多不少呢？” ，“为什么太空舱内轻微的碰撞都会让物体弹出很远？”因为只需提出问题可不做解答，学生心理轻松，所以提问时异常活跃。看似无结果的问题但实际上它为学生提供了思考的方向，学生的思维很积极，各自有一定的结论或看法，这或许正是问题形式教学的魅力所在。以提出问题的方式进行教学，它不仅适用于渗透
11、前沿物理，而且是当前教育界认为十分重要的教育观念，强调学生不能只停留在“分析问题、解决问题”的阶段，更要有“提出问题”的能力。4、将物理前沿的新思想、新方法在传统教学中加以渗透现代物理中的某些基本观念中与经典物理相比发生了根本性的变化，这在物理教学中应体现出来，传统教学认为只要满足零电阻效应（=o）的材料就是超导体，而在零电阻效应发现 20 多年后，人们又发现了超导体的迈斯纳效应（B=o） ，因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻效应和迈斯纳效应，而仅仅满足零电阻效应只能称为理想导体；又如对真空的认识，在经典物理学的观念中，真空是一无所有的空间，而现代物理从更细微的尺度（10
12、-13cm）或更高能量上（1GeV ）进行考察，得出真空实际就是量子场的基态，存在真空涨落和真空极化等效应，这些效应对库仑定律、原子光谱等都有影响；再如在受迫阻尼运动中，描述单摆的动力学方程已经不再是线性方程，其运动反映出混沌现象的某些基本特征三、物理前沿知识在基础教学中渗透的积极作用1、有助于复习、深化教材中其他的知识高中物理前沿的渗透一般与高中物理课程相衔接，在与教材的非前沿知识有接口、渗透前沿物理时，自然对其他知识进行了深化， 我们的宇宙有对万有引力定律、多普勒效应等教材中知识的复习，而且有深化， 超导中金属导电理论是金属电阻的原因，对电阻进行了复习，同时从另一角度思考电阻，还对它如果温
13、度降低到趋近于绝对零度时的突变电阻为零的思维的深化，知识的掌握和理解，教育理论和实践都证明不可能一次性完成，需要反复不断的复习。现在进行“题海战术”反复机械地训练，看似复习教材知识，提高了学生的能力，将学生的分数硬拔上去了，而实际上它并不代表学生的真正水平，它靠的是条件反射，一旦消除刺激，他（她）的物理知识也就忘得差不多了，因此学生如果以后没学物理，那么头脑中剩下的就是一些没血没肉的物理概念，物理前沿的渗透正是要学生将前沿知识渗透于脑海中，让学生多了解物理学日5新月异、激动人心的变化，往往能够激发他们认知兴趣，引起内心深处的探究欲望，促进学生终身学习、复习有关知识，达到随机通达教学。2、有助于
14、激发学习兴趣，培养学生的自学能力高中物理前沿尽管大多数未完全脱离教材，但是都是对教材的深化和延伸，而延伸出的观念和思想大都出乎我们的想象，开拓了学生的视野。 原子激光告诉我们，物质（原子）也能发光，而且是非常好的相干光源。激光拥有许多神奇的力量，我们几乎每天都在不知不觉和它打交道。购物时结帐柜台上的激光扫描仪能够准确读出你手中每一件商品条形码；上网冲浪，激光光缆可以快速传递你所需要的信息；学习累了，听会激光唱机里放出的优美音乐，激光已经广泛应用于各个领域。在医学上，外科手术中的激光刀，能够在切割血管的同时封闭血管，不但防止了出血，更减少了感染的危险；激光还可以美容。在军事领域，高能量的激光引起
15、了军事装备的革命，它可以准确瞄准并快速摧毁目标，各种激光致盲致眩武器，可以使人眩晕失明，而激光雷达、激光测距技术更是为各种武器装上了“千里眼” 。前沿物理的渗透，教师仅将学生“领进门”，激发学生的兴趣，更多深入的了解是学生自学或今后的深造。长期对前沿物理教学的相对忽略，导致了科学教育的“片断化” ，物理教育成了物理“断代史”的教育，使学生只知物理的昨天，不知物理学的今天，不见物理学的明天，物理学前沿作为物理中最有活力的部分，将其渗透于教学中，不仅是需要的，而且是必需的，它有利于学生的发展，也有利于教师的发展。3、有助于开阔视野，帮助学生形成合理的科学观纵观当前发达国家的科学教育改革，纯粹的“精
16、英”教育已广受诟病“科学为大众（science for all） ”的口号逐渐深入人心，面向全体学生，让他们深入了解科学以形成合理的科学观，才真正是国际科学教育改革的基石。近、现代科学的发展，特别是相对论与量子理论的提出，使西方的科学观发生了很大变化，机械的、实证的科学观受到了普遍怀疑，涌现出一些新的科学观，主要有：否认科学的客观性而认为科学的结论具有猜测性；否认真理的永恒性而认为科学研究是一种“纲领性文件” ； 否认科学发展的累积性而认为科学中主要的进展是革命性；否认科学的确性而认为观察未必可靠；否认科学的价值中立性而认为科学与意识形态一样；否认科学的绝对意义而认为科学是各种精神活动的一种汇
17、集，是受过教育的人的一种习惯。这些科学观均将科学视为一种文化，力图说明科学文化的相对性、可变性、价值负载性与进化过程的革命性，英国著名科学史专家贝尔纳（J.D.Bernald）6说：“科学是不能用一个定义来把握的” ，新观点的出现为我们认识科学提供了不同的视角，既然对科学有多重阐释，科学教育也就不能以偏概全，以单维度的实证科学观来代替全面、立体的科学观，物理前沿知识中有大量说明科学相对性，不确定性的事例，将其渗透于教学中，能够使学生开阔视野，启迪他们质疑旧的科学观，逐渐形成具有现代意蕴的科学观。参考文献：1、潘建标：高中物理新教材渗透物理学前沿的探讨 ，J.物理教学探讨 ，2004 年第 4 期。2、杨道密：高中物理前沿渗透的探讨 ，J.学科教学 ，2007 年第 3 期。3 袁振国：教育研究方法M北京：2000，7 高等教育出版社4、D.M. Turner. Makers of Science: Electricity and Magnetism M.Oxford, 1927,34-35.5、J.C.Maxwell. A Treatise on Electricity and Magnetism M. 1892,80-85.
