論物理前沿知識課堂教學滲透的路徑選擇

摘 要：把物理前沿知識在高中階段基礎物理教學中進行有效滲透，具有十分重要的意義。本文深入探討了物理前沿知識有效滲透的多種路徑。加強基礎教學中物理前沿知識的有效滲透，有助于激發學生興趣，深化基礎知識，并幫助學生形成合理的科學觀和世界觀。

關鍵詞：物理教學 前沿知識 有效滲透 路徑選擇

縱觀世界各國，各發達國家的科學教育改革均重視前沿科學，作為對國際科學教育改革的積極回應與推動，我國更加重視物理前沿教學滲透。結合新課程改革，人們已經關注這個問題，但教學實踐如何進行有效滲透，值得進一步探討。

一、物理前沿知識教學滲透的內涵及必要性

所謂物理學前沿，就是當前物理學家正在關注和深入研究的現象和規律，如天體物理、粒子（高能）物理、凝聚態物理、核物理，以及與其他學科交叉產生的邊緣學科，如物理學和材料科學、地球物理學、物理化學、生物物理學、能源物理學等，都是今天物理學的前沿。所謂物理前沿知識教學滲透，就是將這些知識結合基礎教學加以適當傳授。

環視各國高中物理前沿的教育，各發達國家的科學教育改革均重視前沿科學，其重點也都落實在教學內容上，它是科學素質教育的體現。美國物理教師協會（AAPT）近年發表的《中學物理課程內容》的報告中就指出：“應當讓中學生體驗到物理學是一門發展中的科學，是現代前沿科學中最為激勵人心的學科之一?！?/p>

作為對國際科學教育改革的積極回應與推動，我國新一輪課改適當加大了物理前沿知識的比重，在確保基礎性的前提下，對教學內容進行了一定的揚棄，新增內容的教學要求雖不高，卻有助于彌補物理教學長期存在的不足。

《普通高中物理課程標準（實驗）》指出：“課程基本理念是在課程內容上體現時代性、基礎性、選擇性……加強與學生生活、現代社會及科技發展的聯系，反映當代科學技術發展的重要成果和新的科學思想……”①全日制普通高中課程標準實驗教科書《物理》（人民教育出版社等2006年11月第2版）不僅在理念上，而且在實踐上體現了新課標。在不打破原來的知識體系，不增加學生學業負擔的前提下，滲透了許多物理學前沿知識。

高中物理新教材主要涉及夸克理論、黑洞、宇宙大爆炸理論、納米技術、液晶、湍流現象、混沌、超導、磁懸浮等前沿知識。其內容主要有：超重和失重一節的閱讀材料中有“失重和宇宙開發”的前沿知識，萬有引力定律一節的習題背景中有“計算u夸克與d夸克的相互作用力”的前沿知識，人造衛星、宇宙速度一節的閱讀材料中有“黑洞”的前沿知識，原子核一節的閱讀材料中有“粒子物理簡介”的前沿知識等等。此外，還有一些未列入書本，但正在探索的前沿知識，如：中國的探月工程、美國的火星探測、核物理前沿等，也可適當引入教學。

我國著名的物理學家、教育家趙凱華教授指出：“許多前沿課題與基礎物理課的內容有聯系的，在適當的地方開一些‘窗口’，引導學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?！雹谛陆滩囊焉婕爱斍按蟛糠值奈锢韺W前沿課題，其主要以閱讀材料、正文選學內容、習題的背景知識出現，這些前沿課題的出現并沒有改變原有課程的知識體系，也沒有給學生作認知目標上的要求，僅僅為學生打開一個“窗口”，但作為物理教師如何引導學生向“窗外”看，卻非一件容易的事。

許多教師沒有這方面的理念，有些教師甚至認為物理前沿知識應是學生進大學后的任務，高中階段可不作要求，而事實上大多數的學生日后可能不再運用物理知識，等到以后再進行物理前沿的滲透就不現實了，為了培養具有現代物理意識、具有現代創新精神的人，在中學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路徑

高中物理教學中滲透的物理前沿知識，不僅要求內容上使學生容易接受，在教學方法上更應符合學生的認識特點，選擇適宜的方式方法和教學手段，就如新課程標準所提倡的那樣，要改變過去單一的學習方式和教學手段，應有多種學習方式和教學手段。

1. 通過直覺和猜想教學法加以滲透

將物理前沿的抽象理論對高中生直接傳授，不利于物理基礎教育，將抽象轉化成直覺，并引發猜想，是進行物理前沿知識滲透的首要考慮方法。

直覺思維有多種形式，主要有直覺判別、直覺想象、直覺啟示。直覺判別是對物理事物的一種快速識別，是一種非邏輯性的識別，是在知識累積的基礎上逐漸養成的一種識別能力；直覺想象是在直覺判別的基礎上，跨越邏輯鏈，對于未知的物理知識領域進行合理的聯想、思考和探索的探索過程；直覺啟示是在直覺想象的基礎上，陷入百思不得其解的時候，被外界的某種信息所激發而進入豁然開朗的境地的直覺思維狀態。愛因斯坦的相對性理論實驗、升降機理想實驗、伽利略的斜面實驗等，都是借助直覺完成的。愛因斯坦說：“物理學最高使命是得到那些普遍的規律，而通向這些規律，并沒有邏輯的道路，只有通過那種對經驗的共鳴的理解為依據的直覺，才能得到這些規律。”③學生直覺思維能力的養成，不是一蹴而就的，需要對學生不斷由淺入深地加以訓練。④

牛頓曾經說過：“沒有大膽的猜想，就不可能有偉大的發現。”物理猜想實際上是一種物理想象，是人的思維在探索物理規律、本質時的一種策略，一種合理推理。在眾多引入新知的方法中，以猜想方式引入，以它獨有的魅力，能很快地扣住學生的心弦，使其情緒高漲、思維活躍，產生良好的學習動機，從而步入學習的最佳境地。⑤

物理前沿教學中通過直覺和猜想加以滲透，能有效聯結物理基礎知識與物理前沿知識，使高中學生通過直覺和猜想加強對物理前沿知識的感悟，從而牢固物理基礎知識。

2. 利用現代教育技術手段加以滲透

現代教育技術的發展，特別是多媒體教學、錄像教學、遠程教育，網絡教育的發展，突破了時間與空間的限制，極大地方便了中學物理教學，使中學物理知識與現代物理學的前沿知識更能有機地聯系起來，如用多媒體來模擬宇宙大爆炸，聲、光、畫、動態的結合使學生了解宇宙初始階段的物理過程，從宇宙大爆炸開始，宇宙經歷了一個由熱到冷、由密到稀的演化史，經歷了漫長的年代，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。從教學實際來看，《我國的航天》、《新型天文望遠鏡》、《原子激光》、《太陽能》等，都是錄像性質的資料，對學生進行物理前沿知識的滲透起到了很好的效果。通過互聯網查詢物理前沿知識，為學生將來進一步追尋“嫦娥一號”的月球之旅動態，探索月球的起源和演化的奧秘，揭開月球之迷，提供了良好的資料，從而開闊了學生的視野。

3. 以“引人入勝”的課堂教學方式加以滲透

物理前沿知識較深，其教學比常規教學難得多，為了激發學生興趣，在教學之前，教師可以根據教學內容，設置相應的由淺入深的各種問題，以便“引人入勝”。比如，觀看“嫦娥一號”發射和模擬登月的視頻之前，可提問：“‘嫦娥一號’的火箭上升時要承受多大的壓力？”“‘嫦娥一號’漫長旅途中如何應對太陽電子風暴？”“‘嫦娥一號’在月球是背面如何保持正常工作？”在此基礎上進一步提問：在未來幾年的“探月工程” 中，“飛行艙內宇航員的生理系統會發生變化嗎？” “完全失重情況下宇航員怎樣洗臉刷牙？”“飛船中有白天夜晚的變換嗎？”“沒有了大氣層的保護，飛船和宇航員會不會因為強烈輻射而受到傷害？”“飛船到達預定軌道需要依靠助推器變軌，怎樣做到助推劑的量恰到好處呢？”“為什么太空艙內輕微的碰撞都會讓物體彈出很遠？”“飛船是怎樣發射出去到達預定軌道的，又怎樣順利返回地球的？”等等，探月工程的物理前沿知識可以引起學生們的極大興趣，使其帶著問題層層深入學習，能增強學生思維的積性極，突出學生的主體地位，這正是問題形式教學的魅力所在，從而增強物理前沿知識滲透的有效性。

4. 結合物理前沿的新思想、新方法在傳統教學中加以滲透

現代物理中的某些基本觀念中與經典物理相比發生了根本性的變化，這可在物理前沿教學中體現出來，如傳統教學認為只要滿足零電阻效應（р=o）的材料就是超導體，而在零電阻效應發現20多年后，人們又發現了超導體的邁斯納效應（B=o），因此，衡量一種材料是否是超導體，必須看是否同時具備零電阻效應和邁斯納效應，而僅僅滿足零電阻效應只能稱為理想導體。這一新判別標準的比較，有利于學生充分認識超導的前沿知識與基礎知識的關系。又如對真空的認識，在經典物理學的觀念中，真空是一無所有的空間，而現代物理從更細微的尺度（≤10-13cm）或更高能量上（≥1GeV）進行考察，得出真空實際就是量子場的基態，存在真空漲落和真空極化等效應，這些效應對庫侖定律、原子光譜等都有影響，這一新思想，有利于學生認識到關于真空的前沿科研。再如在受迫阻尼運動中，描述單擺的動力學方程已經不再是線性方程，其運動反映出混沌現象的某些基本特征，這一新發現，有利于學生對單擺的動力學的進一步探究。

5. 以課后作業或參觀、訪問的形式加以滲透

課堂教學時間畢竟是有限的，物理前沿知識的有效滲透可以向課外延伸。教師可以結合當時所傳授的知識，提出相關的問題，讓學生帶回家去完成?？勺寣W生作多方面的設想，并通過互聯網加以查證。也許學生的搜索和想象并不一定正確，但卻將物理前沿教學特別是物理前沿知識與基礎物理知識的關系巧妙地聯系在一起。此外，有條件的學?？梢越M織學生參觀先進的物理實驗室、物理展覽，以增強學生對物理前沿知識的感性認識，在看展覽、聽報告、聽講座等過程中，將物理前沿知識加以滲透。如：筆者曾帶學生參觀過中國航天搭載物品巡展，中國航天的五大系統，包括火箭系統、衛星系統、發射系統、探測系統和應用系統，此次展覽都已齊全，如此規模的航天實物展覽在國內尚屬首次。給學生留下深刻印象的是“神州五號”返回艙，圍繞這個“傳奇物”，學生們提出了許多問題。這說明通過參觀訪問的形式滲透物理前沿知識是十分有效的，可以作為課堂教學滲透的有益補充。

三、物理前沿知識在基礎教學中滲透的積極作用

在基礎教學中，積極滲透物理前沿知識，將對開闊學生眼界、提高學生素質、培養科學探究精神、樹立正確的科學觀和世界觀起到重要作用，具體表現在以下幾個方面：

1. 有助于學生樹立合理的科學觀和科學的世界觀

縱觀當前發達國家的科學教育改革，由于教育已經步入大眾化的時代，面向全體學生，讓他們深入了解科學，特別是當今物理科學以形成合理的科學觀、科學的世界觀，正是國際科學教育改革的基石。

近現代科學的發展，特別是相對論與量子理論的提出，使西方的科學觀發生了很大變化，機械的、實證的科學觀受到了普遍懷疑，涌現出一些新的科學觀，這些科學觀均將科學視為一種文化，力圖說明科學文化的相對性、可變性、價值負載性與進化過程的革命性，這符合真理具有相對性的原理。這些新觀點的出現為我們認識科學提供了不同的視角。物理前沿知識中有大量說明科學相對性、不確定性的事例，將其滲透于教學中，能夠使學生開闊視野，啟迪他們質疑舊的科學觀，逐漸形成具有現代意蘊的科學觀。

近現代物理科學是馬克思主義哲學的科學基礎，近現代物理科學的發展，為馬克思主義哲學揭示世界的普遍聯系和變化發展奠定了基礎。學生們深入學習和了解物理前沿知識，樹立現代科學觀念，也有利于樹立科學的世界觀。

2. 有助于學生激發學習興趣、開拓視野、培養自學能力

高中物理教學中的前沿知識盡管大多數超出基礎知識，但都是對教材的深化和延伸，而延伸出的觀念和思想大都有利于創新學生的想象、開拓學生的視野?！霸蛹す狻备嬖V我們，物質（原子）也能發光，而且是非常好的相干光源。當今世界激光已經廣泛應用于各個領域。激光廣泛運用于經濟社會生活的方方面面：交通、商業、醫學、美容，激光擁有許多神奇的力量，給我們生活帶來了翻天覆地的變化，如激光唱機、激光光纜、激光掃描儀、激光條形碼、激光磁卡、激光刀等等。在軍事領域，正在研發高能量的各種激光武器，將引起軍事裝備的革命。物理前沿知識與我們的生活結合得如此緊密，易于激發學生興趣。

長期對物理前沿知識教學的相對忽略，導致了科學教育的脫節，似乎當代前沿科技與物理基礎教育毫無關系，物理教育成了純知識的傳授，與豐富多彩的現代生活沒有絲毫關聯。在純知識傳授中，學生只知物理的過去時，不知物理學的現在時，更不見物理學的將來時，物理前沿作為物理中最有活力的部分，將其滲透于課堂教學中，不僅是學生現實生活中所必需的，它有利于學生視野的開闊，而且新課程教學中突出學生主體作用，也有利于學生自學能力的培養和提高。

3. 有助于學生對物理基礎知識的有效掌握與深化

過去，物理教學常進行反復機械的訓練，表面看來鞏固了所授知識，提高了學生的能力，學生的分數也有所提高，但實際上它并不代表學生的真正水平，只是沒有理解消化的機械記憶，一旦考試過后，枯燥的物理知識也就全忘記了，因此，學生如果對物理沒有興趣，如果以后不繼續學習物理，那么，物理的基礎知識就不能有效掌握。

高中物理前沿知識的滲透與高中物理課程相銜接。在與教材的基礎知識相對應的基礎上有效滲透物理前沿知識，自然能對基礎知識進行深化，“超導”中金屬導電理論是金屬電阻的原因，對電阻進行了較好的復習；“我們的宇宙”有對萬有引力定律、多普勒效應等基礎知識的復習，而且進一步深化了。

教育理論和實踐都證明，物理知識的掌握，不可能一次性完成，需要在激發興趣的情況下反復不斷地復習鞏固，而物理前沿的滲透正是要學生將前沿知識滲透于腦海中，讓學生多了解物理學日新月異、激動人心的變化，往往能夠激發他們認知興趣，激發學生的主體性，引起其內心深處的探究欲望，這是合乎我們新課程教育改革的目的的。

注釋：

①普通高中物理課程標準（實驗）［M］.北京：人民教育出版社，2003.2.

②趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程——力學(序言)［M］.北京：高等教育出版社，1995.7.

③愛因斯坦文集.商務印書館［M］.1977年版，第256頁.

④郭華芳.物理教學中發揮學生直覺與“猜想”的積極作用［J］.考試周刊，2007年第38期.

⑤肖金梅，葉登樣.猜想在物理教學中的運用［J］.物理教學探討，2007年第17期.

參考文獻：

［１］楊道密.高中物理前沿滲透的探討［J］.教育前沿（理論版），2007年第3期.

［２］潘建標.高中物理新教材滲透物理學前沿的探討［J］.物理教學探討，2004年第4期.

［３］陳世鷗，王輝.前沿物理教學與新課程改革［J］.中學物理教學參考，2005年第9期.