论物理前沿知识课堂教学渗透的路径选择

2022-03-12 08:45:49 | 浏览次数：

摘要：把物理前沿知识在高中阶段基础物理教学中进行有效渗透，具有十分重要的意义。本文深入探讨了物理前沿知识有效渗透的多种路径。加强基础教学中物理前沿知识的有效渗透，有助于激发学生兴趣，深化基础知识，并帮助学生形成合理的科学观和世界观。

关键词：物理教学前沿知识有效渗透路径选择

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，人们已经关注这个问题，但教学实践如何进行有效渗透，值得进一步探讨。

一、物理前沿知识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，如天体物理、粒子（高能）物理、凝聚态物理、核物理，以及与其他学科交叉产生的边缘学科，如物理学和材料科学、地球物理学、物理化学、生物物理学、能源物理学等，都是今天物理学的前沿。所谓物理前沿知识教学渗透，就是将这些知识结合基础教学加以适当传授。

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，其重点也都落实在教学内容上，它是科学素质教育的体现。美国物理教师协会（AAPT）近年发表的《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物理前沿知识的比重，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。

《普通高中物理课程标准（实验）》指出：“课程基本理念是在课程内容上体现时代性、基础性、选择性……加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，反映当代科学技术发展的重要成果和新的科学思想……”①全日制普通高中课程标准实验教科书《物理》（人民教育出版社等2006年11月第2版）不仅在理念上，而且在实践上体现了新课标。在不打破原来的知识体系，不增加学生学业负担的前提下，渗透了许多物理学前沿知识。

高中物理新教材主要涉及夸克理论、黑洞、宇宙大爆炸理论、纳米技术、液晶、湍流现象、混沌、超导、磁悬浮等前沿知识。其内容主要有：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，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。此外，还有一些未列入书本，但正在探索的前沿知识，如：中国的探月工程、美国的火星探测、核物理前沿等，也可适当引入教学。

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。”②新教材已涉及当前大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引导学生向“窗外”看，却非一件容易的事。

许多教师没有这方面的理念，有些教师甚至认为物理前沿知识应是学生进大学后的任务，高中阶段可不作要求，而事实上大多数的学生日后可能不再运用物理知识，等到以后再进行物理前沿的渗透就不现实了，为了培养具有现代物理意识、具有现代创新精神的人，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路径

高中物理教学中渗透的物理前沿知识，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，应有多种学习方式和教学手段。

1. 通过直觉和猜想教学法加以渗透

将物理前沿的抽象理论对高中生直接传授，不利于物理基础教育，将抽象转化成直觉，并引发猜想，是进行物理前沿知识渗透的首要考虑方法。

直觉思维有多种形式，主要有直觉判别、直觉想象、直觉启示。直觉判别是对物理事物的一种快速识别，是一种非逻辑性的识别，是在知识累积的基础上逐渐养成的一种识别能力；直觉想象是在直觉判别的基础上，跨越逻辑链，对于未知的物理知识领域进行合理的联想、思考和探索的探索过程；直觉启示是在直觉想象的基础上，陷入百思不得其解的时候，被外界的某种信息所激发而进入豁然开朗的境地的直觉思维状态。爱因斯坦的相对性理论实验、升降机理想实验、伽利略的斜面实验等，都是借助直觉完成的。爱因斯坦说：“物理学最高使命是得到那些普遍的规律，而通向这些规律，并没有逻辑的道路，只有通过那种对经验的共鸣的理解为依据的直觉，才能得到这些规律。”③学生直觉思维能力的养成，不是一蹴而就的，需要对学生不断由浅入深地加以训练。④

牛顿曾经说过：“没有大胆的猜想，就不可能有伟大的发现。”物理猜想实际上是一种物理想象，是人的思维在探索物理规律、本质时的一种策略，一种合理推理。在众多引入新知的方法中，以猜想方式引入，以它独有的魅力，能很快地扣住学生的心弦，使其情绪高涨、思维活跃，产生良好的学习动机，从而步入学习的最佳境地。⑤

物理前沿教学中通过直觉和猜想加以渗透，能有效联结物理基础知识与物理前沿知识，使高中学生通过直觉和猜想加强对物理前沿知识的感悟，从而牢固物理基础知识。

2. 利用现代教育技术手段加以渗透

现代教育技术的发展，特别是多媒体教学、录像教学、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，如用多媒体来模拟宇宙大爆炸，声、光、画、动态的结合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。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，对学生进行物理前沿知识的渗透起到了很好的效果。通过互联网查询物理前沿知识，为学生将来进一步追寻“嫦娥一号”的月球之旅动态，探索月球的起源和演化的奥秘，揭开月球之迷，提供了良好的资料，从而开阔了学生的视野。

3. 以“引人入胜”的课堂教学方式加以渗透

物理前沿知识较深，其教学比常规教学难得多，为了激发学生兴趣，在教学之前，教师可以根据教学内容，设置相应的由浅入深的各种问题，以便“引人入胜”。比如，观看“嫦娥一号”发射和模拟登月的视频之前，可提问：“‘嫦娥一号’的火箭上升时要承受多大的压力？”“‘嫦娥一号’漫长旅途中如何应对太阳电子风暴？”“‘嫦娥一号’在月球是背面如何保持正常工作？”在此基础上进一步提问：在未来几年的“探月工程” 中，“飞行舱内宇航员的生理系统会发生变化吗？” “完全失重情况下宇航员怎样洗脸刷牙？”“飞船中有白天夜晚的变换吗？”“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？”“飞船到达预定轨道需要依靠助推器变轨，怎样做到助推剂的量恰到好处呢？”“为什么太空舱内轻微的碰撞都会让物体弹出很远？”“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的？”等等，探月工程的物理前沿知识可以引起学生们的极大兴趣，使其带着问题层层深入学习，能增强学生思维的积性极，突出学生的主体地位，这正是问题形式教学的魅力所在，从而增强物理前沿知识渗透的有效性。

4. 结合物理前沿的新思想、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，这可在物理前沿教学中体现出来，如传统教学认为只要满足零电阻效应（р=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。这一新判别标准的比较，有利于学生充分认识超导的前沿知识与基础知识的关系。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（≤10-13cm）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，这一新思想，有利于学生认识到关于真空的前沿科研。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，这一新发现，有利于学生对单摆的动力学的进一步探究。

5. 以课后作业或参观、访问的形式加以渗透

课堂教学时间毕竟是有限的，物理前沿知识的有效渗透可以向课外延伸。教师可以结合当时所传授的知识，提出相关的问题，让学生带回家去完成。可让学生作多方面的设想，并通过互联网加以查证。也许学生的搜索和想象并不一定正确，但却将物理前沿教学特别是物理前沿知识与基础物理知识的关系巧妙地联系在一起。此外，有条件的学校可以组织学生参观先进的物理实验室、物理展览，以增强学生对物理前沿知识的感性认识，在看展览、听报告、听讲座等过程中，将物理前沿知识加以渗透。如：笔者曾带学生参观过中国航天搭载物品巡展，中国航天的五大系统，包括火箭系统、卫星系统、发射系统、探测系统和应用系统，此次展览都已齐全，如此规模的航天实物展览在国内尚属首次。给学生留下深刻印象的是“神州五号”返回舱，围绕这个“传奇物”，学生们提出了许多问题。这说明通过参观访问的形式渗透物理前沿知识是十分有效的，可以作为课堂教学渗透的有益补充。

三、物理前沿知识在基础教学中渗透的积极作用

在基础教学中，积极渗透物理前沿知识，将对开阔学生眼界、提高学生素质、培养科学探究精神、树立正确的科学观和世界观起到重要作用，具体表现在以下几个方面：

1. 有助于学生树立合理的科学观和科学的世界观

纵观当前发达国家的科学教育改革，由于教育已经步入大众化的时代，面向全体学生，让他们深入了解科学，特别是当今物理科学以形成合理的科学观、科学的世界观，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，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，这符合真理具有相对性的原理。这些新观点的出现为我们认识科学提供了不同的视角。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。

近现代物理科学是马克思主义哲学的科学基础，近现代物理科学的发展，为马克思主义哲学揭示世界的普遍联系和变化发展奠定了基础。学生们深入学习和了解物理前沿知识，树立现代科学观念，也有利于树立科学的世界观。

2. 有助于学生激发学习兴趣、开拓视野、培养自学能力

高中物理教学中的前沿知识尽管大多数超出基础知识，但都是对教材的深化和延伸，而延伸出的观念和思想大都有利于创新学生的想象、开拓学生的视野。“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。当今世界激光已经广泛应用于各个领域。激光广泛运用于经济社会生活的方方面面：交通、商业、医学、美容，激光拥有许多神奇的力量，给我们生活带来了翻天覆地的变化，如激光唱机、激光光缆、激光扫描仪、激光条形码、激光磁卡、激光刀等等。在军事领域，正在研发高能量的各种激光武器，将引起军事装备的革命。物理前沿知识与我们的生活结合得如此紧密，易于激发学生兴趣。

长期对物理前沿知识教学的相对忽略，导致了科学教育的脱节，似乎当代前沿科技与物理基础教育毫无关系，物理教育成了纯知识的传授，与丰富多彩的现代生活没有丝毫关联。在纯知识传授中，学生只知物理的过去时，不知物理学的现在时，更不见物理学的将来时，物理前沿作为物理中最有活力的部分，将其渗透于课堂教学中，不仅是学生现实生活中所必需的，它有利于学生视野的开阔，而且新课程教学中突出学生主体作用，也有利于学生自学能力的培养和提高。

3. 有助于学生对物理基础知识的有效掌握与深化

过去，物理教学常进行反复机械的训练，表面看来巩固了所授知识，提高了学生的能力，学生的分数也有所提高，但实际上它并不代表学生的真正水平，只是没有理解消化的机械记忆，一旦考试过后，枯燥的物理知识也就全忘记了，因此，学生如果对物理没有兴趣，如果以后不继续学习物理，那么，物理的基础知识就不能有效掌握。

高中物理前沿知识的渗透与高中物理课程相衔接。在与教材的基础知识相对应的基础上有效渗透物理前沿知识，自然能对基础知识进行深化，“超导”中金属导电理论是金属电阻的原因，对电阻进行了较好的复习；“我们的宇宙”有对万有引力定律、多普勒效应等基础知识的复习，而且进一步深化了。

教育理论和实践都证明，物理知识的掌握，不可能一次性完成，需要在激发兴趣的情况下反复不断地复习巩固，而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新月异、激动人心的变化，往往能够激发他们认知兴趣，激发学生的主体性，引起其内心深处的探究欲望，这是合乎我们新课程教育改革的目的的。

注释：

①普通高中物理课程标准（实验）［M］.北京：人民教育出版社，2003.2.

②赵凯华，罗蔚茵.新概念物理教程——力学(序言)［M］.北京：高等教育出版社，1995.7.

③爱因斯坦文集.商务印书馆［M］.1977年版，第256页.

④郭华芳.物理教学中发挥学生直觉与“猜想”的积极作用［J］.考试周刊，2007年第38期.

⑤肖金梅，叶登样.猜想在物理教学中的运用［J］.物理教学探讨，2007年第17期.

参考文献：

［１］杨道密.高中物理前沿渗透的探讨［J］.教育前沿（理论版），2007年第3期.