高中物理教学视域下中学物理与前沿物理.doc

1、新课程视域下中学物理渗透前沿物理的教学构建 内容摘要：基础物理教学中渗透前沿物理，引起了世界各国物理教育工作者的高度关注和重视，是各国中学物理课程改革的一个热点。我国物理新课标中提出“课程基本理念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”。新课程视域下，中学物理渗透前沿物理的教学构建，则是一个非常重大、非常有意义的现实课题。本文分别在目标层面、原则层面、策略层面上加以探讨，构建相对完整的教学体系，期待对物理新课程教学理论与实践起一定的推动作用。 关键词：新课程视域 渗透前沿物理 教学构建 实践目标 原则 策略 一问题的提出近、现代物理学革命带来了科学图景的巨大变革：相对论打破了经典力学的绝对时空观，量子力学打破了可测量过程的梦想，混沌粉碎了拉普拉斯的机械决定论。这种科学范式的转换，不仅引起了具体科学知识的变化，更引起了科学的基本思想、基本观念的深刻变革。物理教学就是物理科学范式的教学，包括物理学的具体知识、物理学的基本思想和观念。传统的物理教学是“片断式”的，“片断式”的物理教学机械地类比学习和科学发展的智力，科学发现和学生学习的背景历程，将中学

2、物理教学严格禁锢在经典物理的范畴。学生形成的是有待于突破和发展的虚假科学观，如“确定性”是不证自明的，物理现象和规律是受严格因果律支配的，知识的最基本特征是它的稳定和不可变性等等。而更能反映世界真实的前沿物理范式中的不确定性、相对性、复杂性等问题的解读则是继续深造的责任。无疑，“片断式”的传统物理教学将导致：经典物理范式成为现代物理范式的错误概念与前概念，顽固地妨碍学生的学习与发展；前后两套知识体系分裂地占据学生的大脑；同时造成目前尚紧缺的教学资源的浪费。基础物理教学中渗透前沿物理，引起了世界各国物理教育工作者的高度关注和重视，是各国中学物理课程改革的一个热点。我国物理新课标中提出“课程基本理念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”。新课程视域下，中学物理渗透前沿物理的教学构建，则是一个非常重大、非常有意义的现实课题。二中学物理渗透前沿物理教学的实践目标1.使学生深入理解物理概念和原理，纠正片面、错误认识实践和教育心理学的研究表明：许多知识是通过多方面的接触而学到的，学一点“高”的东西，对“低”的东西往往有更深入的理解。教学应该遵循循序渐进的

3、原则，但也不能对此作绝对化的理解，不能认为什么知识都应该按部就班地从基础学起。因为知识是一个整体，各种知识是相互联系的，学习过程不一定在任何一步上都要严格地按部就班。有时进行一点“跳跃式”学习不仅有利于学习兴趣的激发，也有利基础知识的深化理解。物理学概念和原理反映的是在一定历史条件下人们对客观世界本质的认识，随着时代的发展、科技的进步、科学共同体认知能力的提高，建构的物理学对世界本质的反映必将更加准确、深刻和全面。中学物理渗透前沿物理的教学，有助于使学生对基础概念和原理的理解更加深刻、全面，纠正一些不正确的、片面的认识。例如，“惯性”是力学中最重要的概念，随着物理前沿研究的深入，人们对惯性本质的认识也不断发展。伽利略通过斜面实验提出惯性概念。牛顿发展了伽利略的惯性思想，建立了惯性定律，并提出“绝对空间”观点，马赫在对绝对空间的批判中提出“惯性起源于引力”的思想。在此基础上，爱因斯坦建立了广义相对论，他认为惯性运动是弯曲时空中的自由运动，随着前沿研究的进展，循着历代物理大师的思路，直蹈当代时空观的精髓。人们对惯性本质的认识不断得到深化。再如对真空的认识：在经典物理学的观念中，真空是一无所

4、有的空间，而现代物理从更细微的尺度或更高能量上进行考察，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。随着物理前沿研究的进展，物理学中一些基础概念的内涵和外延不断更新、发展，呈现出动态变化的特征2.让学生了解物理学的基本框架及其发展变化学习物理知识的同时将不可避免地学习物理的框架。关于物理学的框架及其发展变化，萨拉姆曾作如下概括：“物理学在于发现事物为什么是那样的。对为什么给出的回答必须比观察的现象更深入、更普适、更具公理性而更少受到直接的实验检验。一代人所谓的为什么常常是下一代人的偏离点，亦即，在下一代人看来，上一代人所谓的为什么本身就是主观的”。即物理学的目标是解释“为什么”。什么叫做解释了“为什么”，一代人有一代人的标准，这就是框架。下一代人认为上一代人对问题的提法本身就不对，解释“为什么”的方式或框架本身就不对。这表明物理学框架本身也是发展变化的。渗透前沿物理的中学物理教学，有助于让学生了解：物理知识是一定物理学框架内的知识，物理学框架是发展变化的。例如，哥白尼开普勒时代，人们认为“和谐”是至高的标准。哥白尼之所以怀疑托勒密体系，主要是他认为托勒密构建的地球中心体

5、系很不和谐，如果将中心从地球移到太阳，则行星的运动就显得和谐。开普勒也用“和谐性”研究行星的运动。认为宇宙只能由体现和谐的正多面体组合而成，并在此和谐性的框架中他得到了行星运动三定律。开普勒的许多著作，是用音乐符号写的，因为他认为天上的事物应当与音乐一样，是十分和谐的。到了牛顿时代，不再采用和谐性框架，不再认为寻找和谐就是寻找“为什么”的解释。牛顿框架的核心是力，是力所决定的因果性，但力的框架也不是唯一的。根据爱因斯坦的广义相对论，运动是用弯曲时空来解释的，在这种体系中，并没有牛顿意义下的引力，要解释物体的运动就要弄清时空的弯曲特性。牛顿的理论基于欧几里德几何再加上力，而爱因斯坦的理论则基于时空流形。这至少告诉我们，用追求和谐来回答“为什么”似乎有主观的、“非科学”的成分，而用寻找力的办法来回答“为什么”，似乎也不一定总是没有主观的“非科学”的成分。3.对学生开展有效的“求美”、“求善”教育科学求“真”，但对科学真理的追求往往也是对“美”和“善”的追求。这一点在物理前沿教学中很明显。将物理学前沿融入中学物理课堂教学中，可使学生在学习具体物理知识的同时进行“附带学习”，自然而然地渗透美育

6、与德育。物理学前沿领域既变革了对“美”的传统看法，它本身又蕴含着大量深邃、内洽的美。如弱相互作用下宇称不守恒的发现使人们反思以往的审美观，在今天“对称中存在破缺”已经成为一条基本的美学原则。物理之美是抽象的：如狭义相对论的数学基础是四维连续时空概念，广义相对论是建立在黎曼几何基础上的，量子力学概念的数学是希尔伯特空间，非阿贝尔规范物理理论是建立在纤维丛几何上。这些数学相当抽象却又非常美丽。物理学之美也可以是直观的：通过计算机对微观世界、分形理论的模拟研究形成了大量的绘制图，这些图形本身就具有很高的美学价值。将这些物理之美呈现于教学中，能帮助审美主体去发现美、鉴赏美，进而热爱美、追求美。物理学前沿对“善”的追求，具体体现在科学家的价值追求上。这种价值追求本身也是美的，将这种美融入教学中，也就提供了德育的契机。如爱因斯坦放弃就任以色列国总统的机会，因为对他来说，“方程对我而言更重要此。政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西”。当代伟大的理论物理学家霍金几乎全身瘫痪，却无妨他继续投身于钟爱的科学事业。4.开阔视野,帮助学生形成合理的科学观通过科学教育,让学生形成合理的科学观,是新课程改革

7、的基石。以往的教育发展主要是实证主义科学观。实证主义经历了三代：孔德实证主义、马赫主义、逻辑实证主义。这三种形态虽有区别，但都认为科学是最高的、绝对的真理，科学定律是跨越时空、永远正确的普遍法则，而获得知识的唯一途径就是经验实证与归纳。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：（1）否认科学发展的累积性，认为科学中主要的进展是革命性的，是科学范式或元叙述的转换过程（库恩）；（2）否认科学的客观性，认为科学的结论具有猜测性，科学是一种猜想加反驳的动态认识过程（波普尔、卡尔纳普等）；（3）否认真理的永恒性，认为科学研究是一种“纲领性文件”，其合理性只是暂的（拉卡托斯）；（4）否认科学的确定性，认为观察未必可靠，所谓观察到的事实是观察者和他的仪器创造的（如托马斯“观察渗透理论”）；（5）否认科学的价值中立性，认为科学与意识形态一样，也是一种支配性的话语（韦伯、福柯）；（6）否认科学的绝对意义，认为科学是各种精神活动的一种汇集，是受到教育的人的一种习惯（威尔逊）。这些科学观均将科学视为一种文

8、化，力图说明科学文化的相对性、可变性、价值负载性与进行过程的革命性。它们固然也需质疑，但正如英国著名科学史专家贝尔纳所说：“科学是不能用一个定义来把握的”，新观点出现为我们认识科学提供了不同的视角。科学教育也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。物理学前沿知识中有大量说明科学相对性、不确定性的事例，将其渗透于中学物理教学中，能使学生开阔视野，质疑旧的科学观，形成具有现代意蕴的科学观。5.引发认知兴趣，促进终身学习科学是具有内在价值和工具价值的统一体。科学教育应当指向学生认知兴趣。认知兴趣有三种：技术兴趣、实践兴趣与解放兴趣。技术兴趣指向外在目标，把环境当作客体，其核心是“控制”；实践兴趣指向行为自身的目的，强调理解环境以便能与环境相互作用，其核心是“理解”；解放兴趣是最基本、最“纯粹”的兴趣，它整合了自主和责任，其核心是“自我反思”。哈贝马斯认为，在经验分析学科（主要是自然科学）中体现的是技术兴趣，在历史解释学科（主要是人文科学）中体现的是实践兴趣。但这两种兴趣都必须与最基本的解放兴趣相联系，只有这样，才能作为指导认识的兴趣而不被误解，换言之，才不致陷入心理主义化和

9、新客观主义化。如果说经典物理学更多地表现为一种控制逻辑，体现了“知识即工具”理念的话，那么前沿科学研究特别是纯科学研究，则还能体现科学活动的反思向度。如人择原理、大统一理论，目前很难说有怎样的工具价值，但作为科学家对科学应然状态的一种自觉反思，这些理论的内在价值就是毋庸置疑的。将前沿物理渗透于中学教学中，让学生多了解物理学日新月异、激动人心的变化，往往能够激发他们的认知兴趣，引起内部的探究欲望，促进“终身学习”。6.潜移默化，帮助学生养成科学精神科学精神是科学的精髓。如何通过教育帮助学生养成科学精神，则是科学元勘要探讨的问题，科学元勘是一门综合学科，包括科学史、科学哲学和科学社会学等。前沿物理教育本身也是一种科学史教育。近期，科学史的教育功能逐渐得到一线教师的认同，涉及科学史的教育也越来越受到重视。近、现代物理学带来了科学图景的巨变，它在物理学史中也应有重要的地位。将近、现代物理学发展中的相关人物、事件告诉学生，这就是一种科学史教育，有利于学生科学精神的养成。前沿物理教育也是一种哲学教育。物理学与哲学存在高度的正相关，彼此构成对方发展的背景，这一点在近、现代尤其突出：一方面，哲学观点促成了某些现代物理理论的创立。如相对论的提出具有明显的唯理论色彩；量子论的成功可归属于实证论；当今物理学所追求的超对称、大统一，则显示了对和谐的追求。另一方面，物理学的发展也大大丰富了当代哲学。相对论、量子论引发了认识论和哲学领域的变革；混沌理论所涉及到的不确定性、非线性、耗散结构、自组织等概念也形成了相应思潮，开始深远地改变着传统哲学思想。对此，海森堡曾一针见血地指出：“无论是谁，如果他没有相当丰富的当代物理学知识，就不能理解哲学”。将物理学前沿渗透于教学中，还能够帮助学生“生态”地把握科学的社会功能。科学发展到今天，其负面影响逐渐显露：生态恶化、能源危机、贫富差异等问题尚未解决，恐怖主义又在本世纪初给人类带来新的阴霾。但瑕不掩瑜，不能只看负面而消极悲观，更不能全盘否定。“解铃还须系铃人”，这些消极影响仍要靠科学本身来解决，同时还需关注掌握科学技术的“人”。爱因斯坦把科学家分为

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