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高中阶段现代物理学教学内容的选择

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:本站整理  发布时间:2017-05-11 21:02:29

高中阶段现代物理学教学内容的选择
    高中物理教育的主干内容属于物理课程的核心,主要包括最基本的物理知识、学科方法、科学态度、科学思想和科学精神等,它们是学生智力开发、能力发展、个性形成以及后续学习的基本条件。高中阶段现代物理学教学内容的选择,毫无疑问应依据以上要求,注重对量和深度的把握。
  (一)现代物理学教学内容安排的总体顺序
    从新课标高中物理教科书来看,除了现代物理学支柱性的内容单独列章外,其它部分仍以经典物理学为主。因此,现代物理学的渗透,应当围绕经典物理学,寻找最佳切入点,把握恰当的时机,选择合适的内容,方可收到好的效果。上一章所阐述的现代物理学教学原则,其中之一是“适时性原则”。高中物理教科书对现代物理学内容的呈现不如经典物理学那样逻辑严密,这给予了教学内容选择更大的灵活性。为了让学生能够平稳过渡,现代物理学在高中物理教学的渗透,要充分考虑如何从“经典”到“现代”。
1.力学部分
    力学是历史上发展最早的学科之一,从某种意义上说是一门古老、成熟的学科。然而,20世纪以来,力学己发展的枝繁叶茂,以现代力学的新面貌出现在人们的面前。以状态波函数、力学量算符及实验测量值三者分离为特点的微观客体运动描述方式,显示了一种与经典力学中的客体运动的轨道描述方式根本不同的非轨道描述方式的新特征。与牛顿运动方程根本不同的新的运动方程的确立,标志着力学定律普适性假定的完结,标志着新力学代替了旧力学。以航天、原子能、电子计算机为标志的新技术和物理学的新成就,使力学发生了许多新变化。这也说明它还是一门年轻的、正在蓬勃发展的、具有旺盛生命力的学科。今天的力学己不是牛顿时代的力学,也不是一百年以前的力学。更不是如我们高中物理教科书中所呈现的那样,仅仅包含“斜面上滑块的受力分析”、“水平面上具有相对运动或相对运动趋势物体间的受力分析”,抑或是“万有引力”、“电场力”、“安培力”、“洛伦兹力”等力的作用下的运动问题的解决。由于力学很强的基础性与应用性,已使之从物理学的其它分支相互渗透,与天文、地理、化学等的相互结合,已形成了多种新的交叉学科分支。如固体力学、等离子体动力学和电磁流体力学、生物力学、地球构造力学、爆炸力学等等。因此,借助新课程改革的这个平台,高中物理教学可在大量的经典力学问题之中,渗透现代力学内容。
    此外,力学部分,结合“万有引力定律”,能够有效地介绍航空航天、现代宇宙学以及与其相关的理论和技术方面的知识。深受青少年学生喜爱的航空航天技术是高度综合的现代科学技术,它们以基础科学和技术科学为基础,集中应用了20世纪许多工程技术新成就,包括力学、热力学、材料学、电子技术、自动控制、喷气推进、计算机、制造工艺学等,都对航空航天的进步发挥了重要作用。新材料在航空航天领域应用最为敏感,也往往最先使用,新材料的提出和应用为力学带来许多新的问题,丰富了力学的研究内容。自上世纪20年代爱因斯坦根据广义相对论提出宇宙无限的思想及美国天文学家哈勃发现红移定律,认识到宇宙在膨胀始至今,宇宙演化的观念进入人类的意识,宇宙学的发展己进入现代宇宙学的阶段,人类研究的触角早己伸向了广裹的宇宙。尤其是最近30年,是宇宙学发展史上取得辉煌成就的年代。
2.热学部分
    目前,在高中阶段涉及的热学部分内容主要包括分子运动理论和能量转化与守恒定律,以及热力学第一、第二定律、嫡。联系这部分内容,可以渗透统计理论初步的相关概念以及嫡概念应用、耗散结构理论等。嫡是一个极其重要的物理量,1865年,克劳修斯首次引入嫡的概念,用来定量地阐明热力学第二定律。1872年,玻尔兹曼(Boltzmann)推导了玻尔兹曼方程式和H定理,并且赋予了嫡的统计解释,极大地丰富了嫡的物理内涵,明确了嫡的应用范围。按时间划分,嫡似乎属于经典物理,但是嫡在科学发展进程中曾被频繁地讨论。特别是在20世纪,嫡又被赋予了新的内涵。1929年,西拉德(Leo Szilard)又发现了嫡与信息的关系,揭示了嫡含义的新层次,进一步扩大了嫡的应用面。1943年,量子力学的创始人薛定愕在《生命是什么》一书中写到:“生命之所以能存在,就在于从环境中不断得到‘负嫡”,。“有机体是依赖负嫡为生的”。①这就是生命的热力学基础。上世纪60年代的普利高津的耗散结构理论,证实了薛定愕的预言,并指出,在科学史的进程中,没有什么问题比嫡曾被更为频繁地讨论过。当前,不仅在自然科学与工程技术的许多领域,如物理学、化学、生物学、宇宙学、信息论、控制论、经济学及各种工程科学等领域,会遇到它的踪迹,甚至在社会科学和人文科学的书籍和文章中也广泛为人们所应用。此外,还可穿插介绍有关负温度、低温技术、超导技术及其应用等现代物理学理论与技术。
3.电磁学部分
    当前,以电磁理论为基础而发展起来的现代科学技术在日常生活中随处可见,如广播、电视、通信等。因此,对这部分内容,高中物理教学应当以技术应用为主。结合电磁学理论提供更多现代科技的应用,特别是日常生活中常用的技能。贴近实际,源于生活,更容易让学生产生认同感,从而乐于接受,甚至主动研究。还有电磁波与信息技术专题的渗透,电磁波与信息技术的发展及其应用,包含丰富的现代物理学知识,如半导体技术、超导技术以及近几年发展起来的等离子体技术等。从笔者当高中物理教师的体验,对现代生活产生巨大影响的现代科技,其理论基础和发展过程都很受学生的关注,兴趣也特别高昂。除了这些常见的与日常生活息息相关的科技知识之外,还存在大量的新概念、新知识。例如“太阳活动”、“宇宙射线”等相关概念,它们是如何产生的,对我们赖以生存的地球的影响如何等都是很受关注的前沿问题。而且,这些现象对人类的空间科学研究也会产生各种各样的影响。如太阳风是指太阳发出的由每秒几百公里速度的等离子体流组成的“风”。如果太阳风直接吹到地球上,对大气层影响不堪设想,而正是地球磁场把它挡在数万公里之外才免除人类受其危害。另外,由太阳活动所引起的全球性的强烈的地磁场扰动—磁暴,能够引起电离层暴,从而干扰短波无线电通讯;磁暴有可能干扰电工、磁工设备的运行;磁暴还有可能干扰各种磁测量工作。人类应当搞好磁暴的预测工作,从而减少由此带来的损失。类似的问题,学生平时接触少,若在教学中作相应介绍,必能收到较好的效果。
4.光学部分
    光学和电磁学一样,应用领域广泛。尽管光学是一门古老的学科,具有三百多年的历史,但随着1960年世界上第一台激光器的诞生,使光学这一古老学科换发了青春。光学领域已出现了许多新分支学科,如激光理论与技术、纤维光学,全息光学、集成光学、光电子学、非线性光学等等。而且在这些诸多分支学科中,有些已得到广泛的应用,如全息防伪、光纤通信等。高中物理教学的适当时机,可向学生展示与此相关的现代科学技术及其具体运用。利用普通光学与现代光学知识密切相联的知识点,加以扩展,是传统光学教学渗透现代光学知识的主要途径。比如,以全反射定律为基础,可以介绍光纤和光纤通信的知识,还可介绍利用光纤可进行光讯号或图像的传递,体现光纤通讯的新技术;讲述光纤通讯具有抗电磁干扰、容量大、频带宽、保密性好、节省金属材料等优点,因此得到日益广泛的应用。很自然地利用研究光学纤维的原理、制造及其应用的现代光学中的纤维光学等来充实传统光学教学。此外,光电效应是在我国高中物理教科书中一直都有体现的现代物理学内容之一,结合光电效应,可介绍量子化概念的提出及量子论乃至量子力学的建立。
5.原子核物理部分
    原子核物理本身就是20世纪发展起来的新兴物理学,虽然有关核物理的初步内容,高中物理教学自来就有所涉及,但可以从另一角度去重新组合这部分内容。比如,随着世界性的能源危机越来越凸显,核能的利用是目前世界性的研究课题。就发电来说,煤炭发电污染太重,天燃气发电代价太大,且化石燃料不可再生,储量有限。在目前太阳能没能很好利用的情况下,核能的安全利用无疑是解决能源危机的重要方式之一。这部分内容,可延伸介绍目前世界上有关核能利用的最新进展,主要是人工核聚变中诸难题的解决。然而核能的和平利用,更是全世界人民所关注的重要问题。因此,高中物理教学在介绍核物理知识时,可将重心放在核能的和平利用方面,也可介绍在核能利用的研究过程中做出过巨大贡献的科学家的事迹,体会他们崇高的科学精神。更多地关注科学技术的“双刃剑”效应,利用这部分内容很好地渗透STS教育。
    另外,还可结合原子核物理学,在高中物理教学中引入粒子物理学内容。从最初只知道几种基本粒子,发展到现在的几百种,反映了人们对物质认识的不断深化过程。而且,粒子加速器是研究核物理学和粒子物理学的强大实验手段,它的发展与核物理学和粒子物理学的发展休戚相关,也可以说是理论科学、实验科学和技术科学相互依存、相互促进的一个典型代表。当前,粒子物理学研究日新月异,相关的前沿研究不断出现。教学中可以引导学生的课外探究。
    这样安排现代物理学内容,既可体现内容上的自然过渡,更重要的是让学生体会物理学是处于不断发展中的学科,并非仅仅我们通常所理解的那样。如此以来,不仅渗透了现代物理知识,而且也培养了学生的辩证观点,从而使学生逐步树立一个发展变化的,而非静止、孤立、绝对的观点。以上讨论的是高中物理教学中选择现代物理学内容的总体顺序问题。需要注意的是,一方面现代物理学远不止以上所提及的那些内容,且并不是所有以上内容一定需要按以上顺序在课堂教学中予以体现;另一方面,以上也仅明确涉及到现代物理学知识部分,其中内涵的观念和方法,则需要结合教学内容,及时恰当地处理。实际的课堂教学,应依据课程标准的要求,并视当时学校、教师、学生等多方面的硬软件情况而定,遵循适时性原则和可接受原则。
 

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