論物理前沿知識(shí)課堂教學(xué)滲透的路徑選擇

摘 要：把物理前沿知識(shí)在高中階段基礎(chǔ)物理教學(xué)中進(jìn)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(shí)有效滲透的多種路徑。加強(qiáng)基礎(chǔ)教學(xué)中物理前沿知識(shí)的有效滲透，有助于激發(fā)學(xué)生興趣，深化基礎(chǔ)知識(shí)，并幫助學(xué)生形成合理的科學(xué)觀和世界觀。

關(guān)鍵詞：物理教學(xué) 前沿知識(shí) 有效滲透 路徑選擇

縱觀世界各國(guó)，各發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)教育改革均重視前沿科學(xué)，作為對(duì)國(guó)際科學(xué)教育改革的積極回應(yīng)與推動(dòng)，我國(guó)更加重視物理前沿教學(xué)滲透。結(jié)合新課程改革，人們已經(jīng)關(guān)注這個(gè)問題，但教學(xué)實(shí)踐如何進(jìn)行有效滲透，值得進(jìn)一步探討。

一、物理前沿知識(shí)教學(xué)滲透的內(nèi)涵及必要性

所謂物理學(xué)前沿，就是當(dāng)前物理學(xué)家正在關(guān)注和深入研究的現(xiàn)象和規(guī)律，如天體物理、粒子（高能）物理、凝聚態(tài)物理、核物理，以及與其他學(xué)科交叉產(chǎn)生的邊緣學(xué)科，如物理學(xué)和材料科學(xué)、地球物理學(xué)、物理化學(xué)、生物物理學(xué)、能源物理學(xué)等，都是今天物理學(xué)的前沿。所謂物理前沿知識(shí)教學(xué)滲透，就是將這些知識(shí)結(jié)合基礎(chǔ)教學(xué)加以適當(dāng)傳授。

環(huán)視各國(guó)高中物理前沿的教育，各發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)教育改革均重視前沿科學(xué)，其重點(diǎn)也都落實(shí)在教學(xué)內(nèi)容上，它是科學(xué)素質(zhì)教育的體現(xiàn)。美國(guó)物理教師協(xié)會(huì)（AAPT）近年發(fā)表的《中學(xué)物理課程內(nèi)容》的報(bào)告中就指出：“應(yīng)當(dāng)讓中學(xué)生體驗(yàn)到物理學(xué)是一門發(fā)展中的科學(xué)，是現(xiàn)代前沿科學(xué)中最為激勵(lì)人心的學(xué)科之一。”

作為對(duì)國(guó)際科學(xué)教育改革的積極回應(yīng)與推動(dòng)，我國(guó)新一輪課改適當(dāng)加大了物理前沿知識(shí)的比重，在確保基礎(chǔ)性的前提下，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了一定的揚(yáng)棄，新增內(nèi)容的教學(xué)要求雖不高，卻有助于彌補(bǔ)物理教學(xué)長(zhǎng)期存在的不足。

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》指出：“課程基本理念是在課程內(nèi)容上體現(xiàn)時(shí)代性、基礎(chǔ)性、選擇性……加強(qiáng)與學(xué)生生活、現(xiàn)代社會(huì)及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要成果和新的科學(xué)思想……”①全日制普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(shí)踐上體現(xiàn)了新課標(biāo)。在不打破原來的知識(shí)體系，不增加學(xué)生學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)的前提下，滲透了許多物理學(xué)前沿知識(shí)。

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(shù)、液晶、湍流現(xiàn)象、混沌、超導(dǎo)、磁懸浮等前沿知識(shí)。其內(nèi)容主要有：超重和失重一節(jié)的閱讀材料中有“失重和宇宙開發(fā)”的前沿知識(shí)，萬(wàn)有引力定律一節(jié)的習(xí)題背景中有“計(jì)算u夸克與d夸克的相互作用力”的前沿知識(shí)，人造衛(wèi)星、宇宙速度一節(jié)的閱讀材料中有“黑洞”的前沿知識(shí)，原子核一節(jié)的閱讀材料中有“粒子物理簡(jiǎn)介”的前沿知識(shí)等等。此外，還有一些未列入書本，但正在探索的前沿知識(shí)，如：中國(guó)的探月工程、美國(guó)的火星探測(cè)、核物理前沿等，也可適當(dāng)引入教學(xué)。

我國(guó)著名的物理學(xué)家、教育家趙凱華教授指出：“許多前沿課題與基礎(chǔ)物理課的內(nèi)容有聯(lián)系的，在適當(dāng)?shù)牡胤介_一些‘窗口’，引導(dǎo)學(xué)生向窗外的世界望一望，哪怕是一‘瞥’，都會(huì)對(duì)開闊他們的眼界，啟迪他們的思維，加深他們對(duì)課程的理解有好處。”②新教材已涉及當(dāng)前大部分的物理學(xué)前沿課題，其主要以閱讀材料、正文選學(xué)內(nèi)容、習(xí)題的背景知識(shí)出現(xiàn)，這些前沿課題的出現(xiàn)并沒有改變?cè)姓n程的知識(shí)體系，也沒有給學(xué)生作認(rèn)知目標(biāo)上的要求，僅僅為學(xué)生打開一個(gè)“窗口”，但作為物理教師如何引導(dǎo)學(xué)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(rèn)為物理前沿知識(shí)應(yīng)是學(xué)生進(jìn)大學(xué)后的任務(wù)，高中階段可不作要求，而事實(shí)上大多數(shù)的學(xué)生日后可能不再運(yùn)用物理知識(shí)，等到以后再進(jìn)行物理前沿的滲透就不現(xiàn)實(shí)了，為了培養(yǎng)具有現(xiàn)代物理意識(shí)、具有現(xiàn)代創(chuàng)新精神的人，在中學(xué)階段滲透物理前沿知識(shí)顯然是必要的。

二、物理前沿知識(shí)滲透的有效路徑

高中物理教學(xué)中滲透的物理前沿知識(shí)，不僅要求內(nèi)容上使學(xué)生容易接受，在教學(xué)方法上更應(yīng)符合學(xué)生的認(rèn)識(shí)特點(diǎn)，選擇適宜的方式方法和教學(xué)手段，就如新課程標(biāo)準(zhǔn)所提倡的那樣，要改變過去單一的學(xué)習(xí)方式和教學(xué)手段，應(yīng)有多種學(xué)習(xí)方式和教學(xué)手段。

1. 通過直覺和猜想教學(xué)法加以滲透

將物理前沿的抽象理論對(duì)高中生直接傳授，不利于物理基礎(chǔ)教育，將抽象轉(zhuǎn)化成直覺，并引發(fā)猜想，是進(jìn)行物理前沿知識(shí)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(duì)物理事物的一種快速識(shí)別，是一種非邏輯性的識(shí)別，是在知識(shí)累積的基礎(chǔ)上逐漸養(yǎng)成的一種識(shí)別能力；直覺想象是在直覺判別的基礎(chǔ)上，跨越邏輯鏈，對(duì)于未知的物理知識(shí)領(lǐng)域進(jìn)行合理的聯(lián)想、思考和探索的探索過程；直覺啟示是在直覺想象的基礎(chǔ)上，陷入百思不得其解的時(shí)候，被外界的某種信息所激發(fā)而進(jìn)入豁然開朗的境地的直覺思維狀態(tài)。愛因斯坦的相對(duì)性理論實(shí)驗(yàn)、升降機(jī)理想實(shí)驗(yàn)、伽利略的斜面實(shí)驗(yàn)等，都是借助直覺完成的。愛因斯坦說：“物理學(xué)最高使命是得到那些普遍的規(guī)律，而通向這些規(guī)律，并沒有邏輯的道路，只有通過那種對(duì)經(jīng)驗(yàn)的共鳴的理解為依據(jù)的直覺，才能得到這些規(guī)律。”③學(xué)生直覺思維能力的養(yǎng)成，不是一蹴而就的，需要對(duì)學(xué)生不斷由淺入深地加以訓(xùn)練。④

牛頓曾經(jīng)說過：“沒有大膽的猜想，就不可能有偉大的發(fā)現(xiàn)。”物理猜想實(shí)際上是一種物理想象，是人的思維在探索物理規(guī)律、本質(zhì)時(shí)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(dú)有的魅力，能很快地扣住學(xué)生的心弦，使其情緒高漲、思維活躍，產(chǎn)生良好的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，從而步入學(xué)習(xí)的最佳境地。⑤

物理前沿教學(xué)中通過直覺和猜想加以滲透，能有效聯(lián)結(jié)物理基礎(chǔ)知識(shí)與物理前沿知識(shí)，使高中學(xué)生通過直覺和猜想加強(qiáng)對(duì)物理前沿知識(shí)的感悟，從而牢固物理基礎(chǔ)知識(shí)。

2. 利用現(xiàn)代教育技術(shù)手段加以滲透

現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，特別是多媒體教學(xué)、錄像教學(xué)、遠(yuǎn)程教育，網(wǎng)絡(luò)教育的發(fā)展，突破了時(shí)間與空間的限制，極大地方便了中學(xué)物理教學(xué)，使中學(xué)物理知識(shí)與現(xiàn)代物理學(xué)的前沿知識(shí)更能有機(jī)地聯(lián)系起來，如用多媒體來模擬宇宙大爆炸，聲、光、畫、動(dòng)態(tài)的結(jié)合使學(xué)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(jīng)歷了一個(gè)由熱到冷、由密到稀的演化史，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)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(cè)到的宇宙。從教學(xué)實(shí)際來看，《我國(guó)的航天》、《新型天文望遠(yuǎn)鏡》、《原子激光》、《太陽(yáng)能》等，都是錄像性質(zhì)的資料，對(duì)學(xué)生進(jìn)行物理前沿知識(shí)的滲透起到了很好的效果。通過互聯(lián)網(wǎng)查詢物理前沿知識(shí)，為學(xué)生將來進(jìn)一步追尋“嫦娥一號(hào)”的月球之旅動(dòng)態(tài)，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(xué)生的視野。

3. 以“引人入勝”的課堂教學(xué)方式加以滲透

物理前沿知識(shí)較深，其教學(xué)比常規(guī)教學(xué)難得多，為了激發(fā)學(xué)生興趣，在教學(xué)之前，教師可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置相應(yīng)的由淺入深的各種問題，以便“引人入勝”。比如，觀看“嫦娥一號(hào)”發(fā)射和模擬登月的視頻之前，可提問：“‘嫦娥一號(hào)’的火箭上升時(shí)要承受多大的壓力？”“‘嫦娥一號(hào)’漫長(zhǎng)旅途中如何應(yīng)對(duì)太陽(yáng)電子風(fēng)暴？”“‘嫦娥一號(hào)’在月球是背面如何保持正常工作？”在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提問：在未來幾年的“探月工程” 中，“飛行艙內(nèi)宇航員的生理系統(tǒng)會(huì)發(fā)生變化嗎？” “完全失重情況下宇航員怎樣洗臉?biāo)⒀溃俊薄帮w船中有白天夜晚的變換嗎？”“沒有了大氣層的保護(hù)，飛船和宇航員會(huì)不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)烈輻射而受到傷害？”“飛船到達(dá)預(yù)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(nèi)輕微的碰撞都會(huì)讓物體彈出很遠(yuǎn)？”“飛船是怎樣發(fā)射出去到達(dá)預(yù)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(shí)可以引起學(xué)生們的極大興趣，使其帶著問題層層深入學(xué)習(xí)，能增強(qiáng)學(xué)生思維的積性極，突出學(xué)生的主體地位，這正是問題形式教學(xué)的魅力所在，從而增強(qiáng)物理前沿知識(shí)滲透的有效性。

4. 結(jié)合物理前沿的新思想、新方法在傳統(tǒng)教學(xué)中加以滲透

現(xiàn)代物理中的某些基本觀念中與經(jīng)典物理相比發(fā)生了根本性的變化，這可在物理前沿教學(xué)中體現(xiàn)出來，如傳統(tǒng)教學(xué)認(rèn)為只要滿足零電阻效應(yīng)（р=o）的材料就是超導(dǎo)體，而在零電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)20多年后，人們又發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)體的邁斯納效應(yīng)（B=o），因此，衡量一種材料是否是超導(dǎo)體，必須看是否同時(shí)具備零電阻效應(yīng)和邁斯納效應(yīng)，而僅僅滿足零電阻效應(yīng)只能稱為理想導(dǎo)體。這一新判別標(biāo)準(zhǔn)的比較，有利于學(xué)生充分認(rèn)識(shí)超導(dǎo)的前沿知識(shí)與基礎(chǔ)知識(shí)的關(guān)系。又如對(duì)真空的認(rèn)識(shí)，在經(jīng)典物理學(xué)的觀念中，真空是一無所有的空間，而現(xiàn)代物理從更細(xì)微的尺度（≤10-13cm）或更高能量上（≥1GeV）進(jìn)行考察，得出真空實(shí)際就是量子場(chǎng)的基態(tài)，存在真空漲落和真空極化等效應(yīng)，這些效應(yīng)對(duì)庫(kù)侖定律、原子光譜等都有影響，這一新思想，有利于學(xué)生認(rèn)識(shí)到關(guān)于真空的前沿科研。再如在受迫阻尼運(yùn)動(dòng)中，描述單擺的動(dòng)力學(xué)方程已經(jīng)不再是線性方程，其運(yùn)動(dòng)反映出混沌現(xiàn)象的某些基本特征，這一新發(fā)現(xiàn)，有利于學(xué)生對(duì)單擺的動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步探究。

5. 以課后作業(yè)或參觀、訪問的形式加以滲透

課堂教學(xué)時(shí)間畢竟是有限的，物理前沿知識(shí)的有效滲透可以向課外延伸。教師可以結(jié)合當(dāng)時(shí)所傳授的知識(shí)，提出相關(guān)的問題，讓學(xué)生帶回家去完成。可讓學(xué)生作多方面的設(shè)想，并通過互聯(lián)網(wǎng)加以查證。也許學(xué)生的搜索和想象并不一定正確，但卻將物理前沿教學(xué)特別是物理前沿知識(shí)與基礎(chǔ)物理知識(shí)的關(guān)系巧妙地聯(lián)系在一起。此外，有條件的學(xué)校可以組織學(xué)生參觀先進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)室、物理展覽，以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理前沿知識(shí)的感性認(rèn)識(shí)，在看展覽、聽報(bào)告、聽講座等過程中，將物理前沿知識(shí)加以滲透。如：筆者曾帶學(xué)生參觀過中國(guó)航天搭載物品巡展，中國(guó)航天的五大系統(tǒng)，包括火箭系統(tǒng)、衛(wèi)星系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)，此次展覽都已齊全，如此規(guī)模的航天實(shí)物展覽在國(guó)內(nèi)尚屬首次。給學(xué)生留下深刻印象的是“神州五號(hào)”返回艙，圍繞這個(gè)“傳奇物”，學(xué)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(shí)是十分有效的，可以作為課堂教學(xué)滲透的有益補(bǔ)充。

三、物理前沿知識(shí)在基礎(chǔ)教學(xué)中滲透的積極作用

在基礎(chǔ)教學(xué)中，積極滲透物理前沿知識(shí)，將對(duì)開闊學(xué)生眼界、提高學(xué)生素質(zhì)、培養(yǎng)科學(xué)探究精神、樹立正確的科學(xué)觀和世界觀起到重要作用，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1. 有助于學(xué)生樹立合理的科學(xué)觀和科學(xué)的世界觀

縱觀當(dāng)前發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)教育改革，由于教育已經(jīng)步入大眾化的時(shí)代，面向全體學(xué)生，讓他們深入了解科學(xué)，特別是當(dāng)今物理科學(xué)以形成合理的科學(xué)觀、科學(xué)的世界觀，正是國(guó)際科學(xué)教育改革的基石。

近現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，特別是相對(duì)論與量子理論的提出，使西方的科學(xué)觀發(fā)生了很大變化，機(jī)械的、實(shí)證的科學(xué)觀受到了普遍懷疑，涌現(xiàn)出一些新的科學(xué)觀，這些科學(xué)觀均將科學(xué)視為一種文化，力圖說明科學(xué)文化的相對(duì)性、可變性、價(jià)值負(fù)載性與進(jìn)化過程的革命性，這符合真理具有相對(duì)性的原理。這些新觀點(diǎn)的出現(xiàn)為我們認(rèn)識(shí)科學(xué)提供了不同的視角。物理前沿知識(shí)中有大量說明科學(xué)相對(duì)性、不確定性的事例，將其滲透于教學(xué)中，能夠使學(xué)生開闊視野，啟迪他們質(zhì)疑舊的科學(xué)觀，逐漸形成具有現(xiàn)代意蘊(yùn)的科學(xué)觀。

近現(xiàn)代物理科學(xué)是馬克思主義哲學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)，近現(xiàn)代物理科學(xué)的發(fā)展，為馬克思主義哲學(xué)揭示世界的普遍聯(lián)系和變化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。學(xué)生們深入學(xué)習(xí)和了解物理前沿知識(shí)，樹立現(xiàn)代科學(xué)觀念，也有利于樹立科學(xué)的世界觀。

2. 有助于學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、開拓視野、培養(yǎng)自學(xué)能力

高中物理教學(xué)中的前沿知識(shí)盡管大多數(shù)超出基礎(chǔ)知識(shí)，但都是對(duì)教材的深化和延伸，而延伸出的觀念和思想大都有利于創(chuàng)新學(xué)生的想象、開拓學(xué)生的視野。“原子激光”告訴我們，物質(zhì)（原子）也能發(fā)光，而且是非常好的相干光源。當(dāng)今世界激光已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。激光廣泛運(yùn)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活的方方面面：交通、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、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(jī)、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(lǐng)域，正在研發(fā)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(shí)與我們的生活結(jié)合得如此緊密，易于激發(fā)學(xué)生興趣。

長(zhǎng)期對(duì)物理前沿知識(shí)教學(xué)的相對(duì)忽略，導(dǎo)致了科學(xué)教育的脫節(jié)，似乎當(dāng)代前沿科技與物理基礎(chǔ)教育毫無關(guān)系，物理教育成了純知識(shí)的傳授，與豐富多彩的現(xiàn)代生活沒有絲毫關(guān)聯(lián)。在純知識(shí)傳授中，學(xué)生只知物理的過去時(shí)，不知物理學(xué)的現(xiàn)在時(shí)，更不見物理學(xué)的將來時(shí)，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(xué)中，不僅是學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活中所必需的，它有利于學(xué)生視野的開闊，而且新課程教學(xué)中突出學(xué)生主體作用，也有利于學(xué)生自學(xué)能力的培養(yǎng)和提高。

3. 有助于學(xué)生對(duì)物理基礎(chǔ)知識(shí)的有效掌握與深化

過去，物理教學(xué)常進(jìn)行反復(fù)機(jī)械的訓(xùn)練，表面看來鞏固了所授知識(shí)，提高了學(xué)生的能力，學(xué)生的分?jǐn)?shù)也有所提高，但實(shí)際上它并不代表學(xué)生的真正水平，只是沒有理解消化的機(jī)械記憶，一旦考試過后，枯燥的物理知識(shí)也就全忘記了，因此，學(xué)生如果對(duì)物理沒有興趣，如果以后不繼續(xù)學(xué)習(xí)物理，那么，物理的基礎(chǔ)知識(shí)就不能有效掌握。

高中物理前沿知識(shí)的滲透與高中物理課程相銜接。在與教材的基礎(chǔ)知識(shí)相對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)上有效滲透物理前沿知識(shí)，自然能對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行深化，“超導(dǎo)”中金屬導(dǎo)電理論是金屬電阻的原因，對(duì)電阻進(jìn)行了較好的復(fù)習(xí)；“我們的宇宙”有對(duì)萬(wàn)有引力定律、多普勒效應(yīng)等基礎(chǔ)知識(shí)的復(fù)習(xí)，而且進(jìn)一步深化了。

教育理論和實(shí)踐都證明，物理知識(shí)的掌握，不可能一次性完成，需要在激發(fā)興趣的情況下反復(fù)不斷地復(fù)習(xí)鞏固，而物理前沿的滲透正是要學(xué)生將前沿知識(shí)滲透于腦海中，讓學(xué)生多了解物理學(xué)日新月異、激動(dòng)人心的變化，往往能夠激發(fā)他們認(rèn)知興趣，激發(fā)學(xué)生的主體性，引起其內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）［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(xué)(序言)［M］.北京：高等教育出版社，1995.7.

③愛因斯坦文集.商務(wù)印書館［M］.1977年版，第256頁(yè).

④郭華芳.物理教學(xué)中發(fā)揮學(xué)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(xué)中的運(yùn)用［J］.物理教學(xué)探討，2007年第17期.

參考文獻(xiàn)：

［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(biāo).高中物理新教材滲透物理學(xué)前沿的探討［J］.物理教學(xué)探討，2004年第4期.

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