物理前沿知識作為新課導入進入中學物理課堂

陳詠鉅 李 敏

（赤峰學院 物理與智能制造工程學院 內(nèi)蒙古自治 024000）

一、背景

二十一世紀科技迅速發(fā)展，學生可以通過手機、電腦、參觀科技園等方法，學習新鮮的、前沿的物理知識。在新高考改革背景下，物理學科進一步得到國家以及理工科高校重視。在某中學見習時，發(fā)現(xiàn)物理教師新課導入新課內(nèi)容差異不大，內(nèi)容不新穎，不容易吸引學生興趣。根據(jù)一份調(diào)查報告顯示[1]：多數(shù)物理教師未能夠明白新課導入的重要性、局限于形式——“可有可無”“設計隨意”。以新穎的、引人入勝的物理學科前沿知識導入新課，會提升學生學習興趣以及對物理學習的熱愛。

二、理論依據(jù)

1.馬斯洛需要層次理論

馬斯洛需要層次理論，被比喻為一個七層金字塔。這個金字塔由低到高為生理的需要，安全的需要，歸屬與愛的需要，尊重的需要，求知與理解的需要，審美的需要，還有自我實現(xiàn)的需要。因此，學生為了進一步發(fā)展，會踏向第五層——求知與理解的需要——也是成長性需要的開始。永遠不會滿足是成長性需要的重要特征。

2.陳述性知識建構的基本機制

從赫爾巴特提出“同化”這一概念，皮亞杰對其進行了發(fā)展，提出了“同化與順應”才是能形成“圖式”。“同化”是將新知識融入現(xiàn)有的認知結構中。新知識如果與原有知識產(chǎn)生了沖突，則會更改學生原有的認知結構，這一過程被稱為“順應”。后來，奧蘇伯爾在皮亞杰的理論上，進一步提出“上位學習”“下位學習”和“并列學習”。

3.耶基斯-多德森定律

這一定律講述了學習動機與學習效果之間的關系。學習動機與學習效果并不是線性相關或者正比關系，而是倒“U”關系。影響學習效果的因素有任務難易程度、動機強烈與否、學習者本身能力等諸多因素。對于復雜的物理前沿知識，作為新課導入來簡單介紹是合適的。

三、物理前沿知識

1.物理前沿知識

顧名思義，即在物理學科發(fā)展的前端研究性知識。與之相對應的還有經(jīng)典物理，甚至還有物理學史。物理知識可以分為經(jīng)典物理和前沿物理（現(xiàn)代物理）兩部分，這兩部分知識有著各自不同的思維、方法和研究思路[2]。筆者認為完整的物理知識，應當是這經(jīng)典物理、物理學史與物理前沿知識的結合。隨著信息技術的提高，經(jīng)典物理學內(nèi)容、物理學史在中學物理課堂得到了較好的展現(xiàn)，但物理前沿知識，并沒有充分融入教師實施的課程中。

物理前沿知識有什么特點呢？通過查閱相關文獻[3，4]，綜合整理過后并且結合自身所上的“物理學科前沿”專業(yè)課程，得出了以下特點：

（1）復雜性。物理前沿知識，是研究物理最前端的知識。關于這一類知識的研究，基本都是科學家們在研究。專家與普通學者有著巨大的差別，例如知識的完整性、檢索知識的能力、思考的全面性、知識運用的熟練性、反復作業(yè)次數(shù)等等。

（2）學科交叉性。解決一個前沿物理問題，除了需要有熟練的物理學知識以外，還要擁有各個學科的知識，例如大學課程中有“數(shù)學物理方法”“物理化學”等綜合課程。只有通過廣泛涉獵各個學科，才能夠更好解決問題。例如要想解決“孔雀開屏”“壁虎變色”等問題，就需要了解光的性質(zhì)與特點，還需要了解動物身體構造。

（3）非常識性。《普通高中物理新課程標準》明確指出：高中物理課程應當引導學生經(jīng)歷科學探究過程，體會科學研究方法，增強創(chuàng)新意識和實踐能力，形成科學態(tài)度、科學世界觀和正確價值觀[5]。物理前沿知識則非常重視創(chuàng)新與實踐能力。

（4）時代性。科學是一直在進步的，隨著人們對某一物理現(xiàn)象、理論有了更加深入的認識之后，便會朝著不同方向去深入研究。例如，在航空航天領域，過去科學家在研究怎們飛上天，現(xiàn)在科學家們在研究怎們在太空中立足。中國科學家在航空航天領域取得了卓越成就，建立起了完全屬于中國的太空空間站。

2.初中、高中物理教材的前沿知識分析

教材會與時俱進。教材編寫專家會不斷地增加前沿物理知識。在前人研究的基礎上，對文獻中表格進行分析[3，4，6]，并針對初中與高中光學部分的內(nèi)容對比分析，繪制了以下表格。

綜合前人的分析與表1中內(nèi)容，得出以下特點：

表1 人教版初、高中有關光學部分前沿知識

（1）初中、高中物理教材中，涉及非常多的物理前沿知識，有一定的占比。

（2）在教材中，物理前沿知識涉及面廣闊，從宏觀物體到微觀粒子，從聲、光、熱、力、電、磁、宇宙都有涉及。

（3）物理前沿知識展現(xiàn)形式多樣。有正文必學、正文了解、習題了解，科學漫步（世界）等多種形式。并且必學與選學分布上差不多。并且高中物理課本對物理前沿知識對初中物理前沿知識要求更加深入。

（4）從非前沿知識來看，高中物理還涉及更多的光學知識，例如光的衍射、光柵實驗等等，與大學物理中光學能夠更好地接軌，更加接近物理前沿知識。

因此，教材編寫專家們早就認識到物理前沿知識的重要性并且滲透進入了教材方方面面。然而，由于教師地對前沿知識不甚了解、學生學業(yè)繁忙等因素，所以這一部分內(nèi)容并未真正意義上滲透進入教學課堂。

四、學科前沿導入新課

一堂好的課堂，從新課導入開始。筆者從物理學科前沿知識著手解決新課導入問題。閱讀文獻，發(fā)現(xiàn)大部分教學工作者以及研究人員對課程導入的方式方法、原則單獨研究居多，對于解決導課問題相對較少[7-9]。

1.什么是新課導入及其重要性

開始一堂新課，往往是從導入環(huán)節(jié)開始，這一環(huán)節(jié)被稱為新課導入。新課導入重要性體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）喚醒學生的情緒，吸引學生注意力。無論是在第一堂課還是其余某一個時刻的課程，學生的注意力是渙散的。老師采用“提問”“看視頻”“動手實驗”等多樣性方式，來提醒學生開始上課了。學生在課堂情緒高，注意力集中，那么課堂效果好，已成為不爭的事實。

（2）提升學生的學習興趣。課堂導入如果能夠進入學生的興趣所在處，那么學生的學習便會很快進入主動狀態(tài)。一個會主動學習的學生，成績也不會差。口頭上對學生灌輸“學習是你自己的事，要主動”等，遠不及一個優(yōu)秀的新課導入來喚醒學生主動學習。

2.結合物理前沿知識導入新課的原則

由于物理前沿知識的特點，普通的課程導入原則是不能夠很好地解決這一個問題。因此，列出了如下的導入新課原則：

（1）擇性。選擇性體現(xiàn)在二個方面：首先，選擇內(nèi)容為該堂課的課程目標服務，這也是導課基本原則之一。學生通過新課導入，應當抓住該課程的要點。其次，選擇的內(nèi)容應該具有顯著物理前沿知識特點。物理前沿知識具有學科交叉性特點，我們要重點突出物理部分。

（2）適度性。首先，在導入新課只是作為一堂課的開端，是上好一堂課的重要環(huán)節(jié)之一，因此要把握好時間的長短。3到5分鐘能夠完美完成新課導入，同時也能夠為后面正式講解知識點留下充分時間。失敗的新課導入原因之一就有導課時間太長。其次，物理前沿知識難度很大，并不適合學生深入學習，容易使學生產(chǎn)生挫敗感，反而對教學效果起了抑制作用，因此要把握好前沿知識內(nèi)容的難度。

（3）引導性。學習是一項腦力活動，教師的任務就是要讓學生在學習過程之中積極思考。新的學生觀告訴我們，學生是獨立的人，是教學活動中學習的主體。物理前沿知識導課的目的，就是為了讓學生成為學習的主人，徹底擺脫“老師牽著鼻子走”的現(xiàn)象。同時還能夠激發(fā)學生對科學的熱愛、對未知世界探索的熱情，真正地擁有科學素養(yǎng)。

（4）可操作性。絕大部分初中和高中，并不像大學或科研所一樣，能夠擁有豪華的實驗室、昂貴的實驗設備。因此，價格是影響該前沿知識能否展現(xiàn)在學生面前的一個因素。同時，如果我們采用視頻、文獻等資料來展現(xiàn)，要考慮能否展示，是否合法、合規(guī)。學生的實際情況，也是同樣重要的。同一份材料，教師面對物理平均水平不同的學生，要做出調(diào)整，否則達不到預期的效果，甚至會產(chǎn)生抑制作用。

（5）完整性。雖然物理前沿知識具有“不完整性”，但是導課應該具備完整性。教師在使用物理前沿知識材料時，根據(jù)需要可以適當提出問題；但是在一堂課結束（或者一章節(jié)結束）后，教師要回到導課材料中，通過向?qū)W生提問或者其他方式，對提出的問題用已有的知識進行初步地解答。

五、教師做好物理前沿知識導課

由于中考和高考等因素的影響，大多數(shù)學生并沒有更多的時間閱讀物理前沿知識的科普讀物、參觀科技館學習新知識。因此，學生希望物理前沿知識由老師帶領了解和學習。因此，這一節(jié)具體討論教師專業(yè)化發(fā)展之一，學科知識專業(yè)化發(fā)展。物理教師怎樣用學科前沿知識導好新課呢？本文從思想上、行動上兩個方面來做出解答，并且給出了不同方法來進行物理前沿知識來進行新課導入。

要解決問題，首先要抓思想。一，教師要重視課程導入環(huán)節(jié)，不能夠簡單地認為它只是上課一環(huán)節(jié)，不能夠流于形式，應當深刻認識到課程導入的重要性。二，時代是發(fā)展的、進步的，身為教師要緊隨時代步伐。在這個知識更新速率極其快速的時代，物理教師應當學習物理前沿知識。三，學生與教師都是發(fā)展的，都應向更好的一面發(fā)展。在《學記》中，對于教學相長，有著詳細描述，可以這么理解：學生的發(fā)展與進步，可以帶動教師的發(fā)展與進步。四，教師要有終身發(fā)展的意識。

作為一名物理教師，應該有豐富并且正確的經(jīng)典物理學內(nèi)容傳授給學生。其次，物理教師關注到學生的學校之外的生活，發(fā)現(xiàn)學生學習物理的興趣點并且充分利用。最后，物理教師要學習物理前沿知識。當然，教師不是專門研究物理學術的科學家，是會存在一些文獻看不懂的情況。因此可以從最基本的原理、功能以及應用方面，來拓寬自身的視野。

新課導入除了形式、方法多種多樣之外，內(nèi)容也是多種多樣的。教師除了使用教材和教案提供的素材，還可以加入物理前沿知識來進行新課導入。

六、基于物理前沿知識進行導課設計

1.設計一：圖文結合導課法——以“光導纖維傳感器”導入《全反射》

以人教版高中物理選擇性必修第一冊（國家教材委員會專家委員會審核通過2019年版）第四章《光》第二節(jié)《全反射》內(nèi)容為例[10]。在分析初中、高中人民教育出版社的物理教材時，發(fā)現(xiàn)對光導纖維的介紹，僅僅停留在通信方面；對傳感器的介紹中，缺少了光纖傳導器。光纖傳感器在生活中也使用較多，例如光纖傳感器感應溫度、震動等，并且給人民的生活帶來巨大的經(jīng)濟效益。根據(jù)這一分析，筆者借助文獻[11-13]，設計了圖文結合新課導入法，從嶄新的角度來介紹光導纖維進行《全反射》導課。

教師引導同學【回顧】“光的折射與反射”（注【】表示關鍵動作或環(huán)節(jié)，下同）

教師【展示文字與圖片】光導纖維，也被稱作光纖。現(xiàn)在光纖傳感器是一種典型的常見的傳感器。設計師人員用光導纖維傳感器去監(jiān)測橋梁【圖片】，礦井安全人員用光纖傳感器監(jiān)測設備安全【圖片】，中科大的教授團隊，還用光導纖維感應溫度【圖片】、感應地震等【圖片】，取得了顯著的成就。

教師【提出問題】它是什么？有什么作用？

同學【相互討論】并且抽取同學【回答】。

學生【閱讀完成并作答】。

教師根據(jù)同學作答情況【補充知識】，并開始【正式上課】。

分析：教師展現(xiàn)圖文，高度概括了光的全反射原理的應用，打開了學生的視野，讓學生知道身邊的光導纖維除了通信作用以外，還有傳感方面的應用。同時采用圖文并茂的導課方法，培養(yǎng)學生閱讀能力的同時，還給了學生一個清晰的表象。

2.設計二：視頻展示法——以“半導體與超導體”導入《導體的電阻》

在人民教育出版社高中物理必修三（國家教材委員會專家委員會審核通過2019年版），第十一章《電路及其應用》，第二節(jié)中講述導體的電阻知識點[14]。教材以導線損耗電能為例，來談論導體的電阻相關知識。在課本正文中簡單提及了超導體發(fā)展，拓展部分展現(xiàn)了半導體“單向?qū)ㄐ浴保灰髮W生選學。整體來說，學生了解此部分非常少。筆者另辟蹊徑，找到了展現(xiàn)半導體和超導體特點和應用的視頻，以此來作為導課。

教師【展示視頻】，并提出問題“半導體有什么特點和應用”與“超導體有什么特點和應用”

學生【看完視頻】，抽問【回答特點】。

教師根據(jù)學生回答情況，給出【評價和總結】，接著進入導體學習。

分析：結合小視頻，給同學們展現(xiàn)了半導體和超導體的特點，既給同學拓寬了視野，又為接下來導體的學習形成了對比——對比學習可以加深同學們的印象。

3.設計三：演示法——以“自制吸塵器”導入《流體壓強與流速的關系》

在人教版八年級下冊物理教材（教育部審定2012版），第九章《壓強》第四節(jié)《流體壓強與流速的關系》中，用了一個“口吹硬幣”的小實驗來引導接下來的學習[15]。雖然這個實驗簡單易操作，但是卻缺失了學生的生活感。筆者依據(jù)家庭常用的吸塵器制作了一個“自制吸塵器”來導入這一章節(jié)。“自制吸塵器”制作簡單，成本極低：一個空塑料瓶口、一個小馬達、幾張硬紙板、一小節(jié)電池、幾根導線。

教師【展示實物圖片】吸塵器，【提出問題】。

學生【回答】，并且分享【現(xiàn)象】。

教師結合同學作答【評價】，并且【演示實驗】，請同學【體驗】，并提出【問題】

同學【體驗】并且【觀察】，【描述實驗現(xiàn)象】。

教師【正式上課】。

分析：教師通過對該知識點的了解，自制了課程“核心”教具，并且請同學試玩、體驗。通過這樣的方法，吸引了學生注意力，對課程核心知識點有了清楚的表象。結合這一新生成的表象，教師開展教學，會讓學生學習知識點時不會空洞。

結語

物理前沿知識可以拓寬學生的視野，很好地吸引學生學習的興趣，使學生在學習的過程中感受到物理學科的飛速發(fā)展和卓越成就。通過對學科前沿知識的學習，培養(yǎng)學生的科學思維，讓學生更加熱愛物理，為國家未來發(fā)展打下堅實的基礎。