高中物理教学与物理前沿

所谓物理学前沿，就是当前物理学家正在关注和深入研究的现象和规律。如：粒子（高能）物理、天体物理、凝聚态物理以及与其他学科交叉产生的边缘学科，像物理化学、物理学和材料科学、地球物理学、生物物理学、能源物理学等，都是今天物理学的前沿。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……”。环视各国高中物理前沿的教育，各发达国家的科学教育改革均重视前沿科学，其重点也正落实在教学内容上，它是科学素质教育的体现。美国物理教师协会（AAPT）在1988年发表《中学物理课程内容》的报告中就指出：“应当让中学生体验到物理学是一门发展中的科学，是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一。”作为对国际科学教育改革的积极回应与推动，我国新一轮课改适当加大了前沿物理知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃。新增内容的教学要求虽不高，却有助于弥补物理教学长期存在的不足。

1 理论内容的分析

当代物理前沿理论主要包括：粒子物理和量子场论，超弦理论和场论，引力理论与宇宙学，凝聚态理论，生物物理，原子核理论和原子分子理论，量子物理和量子信息理论等等。这些新的理论在物理教材中都有着不同程度的体现。比如，在万有引力的章节中，就对四种相互作用力和引力场进行了系统的介绍，让学生对场理论有了一个比较初步的了解，而不仅仅局限于引力场；在学习简谐运动的内容时，对单摆的非线性运动及混沌理论进行了介绍，使学生对物体运动的复杂性有了直观的认识……这些新的理论不仅能丰富学生对物理理论的认识，更能激发他们对这些尚不完善理论的好奇心，从而增加他们学习物理的兴趣。

2 中学物理教师应补充新知识，提高自身的文化素养

由于历史的原因，目前绝大多数的中学物理教师是在狭窄的专业模式中培养出来的，教师在大学时代学习的知识很多已经陈旧、过时，如果试图靠吃老本，那是绝对行不通的。现代社会青少年学生的知识信息来源非常广泛，各种渠道的信息扩大了学生的知识面，但也给他们带来了各种新问题，他们希望从教师那里找到正确答案。“要想给学生一杯水，教师就得有一桶水”。如今学生这个“杯子”越来越大了，如果教师还靠自己桶里原来那么点水，怎么能够舀给学生呢？更重要的是，我们应有一桶流动的水，常言说，流水不腐，即我们的知识应该吐故纳新，使我们拥有一桶永远是新鲜、富有营养、受学生欢迎的高质量的水。

杨振宁教授曾经指出：“中国的研究生兴趣太窄，对物理学方面的兴趣太窄，对一般的事物的兴趣也显得太窄……我觉得这是一个不好的普遍现象。”这种兴趣狭窄的普遍现象的造成，不是一朝一夕形成的，这当中也有因我们中学物理教师的知识陈旧、知识面狭窄而应负的不可推卸的责任。随着“3+Ｘ”高考模式在全国的普遍推广，各学科之间相互联系、相互渗透的趋势日益明显，这就更要求我们中学物理教师要注意利用一切机会充实自己，扩大自己的知识面，提高自身的文化素养，在掌握精深的专业知识基础上，广泛涉猎相关学科的知识，如生命科学、文史知识、教育理论知识等。无论社会如何发展，丰富的知识底蕴、广博的信息含量始终是教师取得成功的基础之一。

20世纪的物理学已取得的成就是极其辉煌的。时至今日，物理学仍是一门充满生机和活力的学科，它的创造性进展仍日新月异，整个物理学，在21世纪将有一个更加辉煌的发展。由于物理学研究对象的扩展，从宏观到微观，从传统的物理过程到化学过程，从无生命到有生命，以至很难用传统的眼光来界定什么是物理学了。正如国外物理学家风趣地说：“什么是物理学？物理学家所做的工作就叫物理学。”例如，1995年在我国厦门召开的第国际统计物理学大会，有相当一部分论文的题目看起来不大像物理学，如“心率、蟑螂、曲折的河流、文字的存储”等。今天的物理学已代表着一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，把这套方法运用到什么问题上，这问题就成了物理学。2001年3月2日，等党和国家领导人到北京展览馆参观了“863”计划15周年成就展，在展区内陈列着“世界上第一辆载入高温超导磁悬浮实验车”，“长了人耳的老鼠”，“种在海水里的蔬菜”，“高温气冷实验堆”等。这些成就均可划归到物理学的范围内，从这种发展趋势来看，中学物理教师必须跟踪物理学的前沿进展，按照物理学发展的趋势，改变我们单一的知识结构，以适应新形势的要求。

3 了解科学发现的本来面目，引导学生立志创新、献身科学

我们在教学中一味强调科学家是“发现”而非“发明”了科学真理，就好像真理是先验的、与人无涉的存在，就算不被此科学家发现，也必然会被彼科学家发现一样。“先验论”歪曲了科学发现的真实过程，严重贬低了科学家的创新，更为严重的是，似乎还容易使学生滋生惰性，产生对文本及教师的盲信盲从和过度依赖，丧失其在科学中实现自我的使命感。

科学发现真的与人无关吗？果真如此的话，科学岂不等同于考古学，终有发现穷尽的时候？1997年美国出版了资深科学记者约翰・霍根（J.horgan）撰写的《科学的终结》一书，作者在访问了许多知名学者之后就断言：科学（尤其是纯科学）已经终结，伟大而又激动人心的科学发现时代已一去不复返了，一切自然科学都到了散场的地步。

这种说法着实能迷惑志于以科学为事业的青年。然而，科学真的终结了吗？考察一下物理学史就可以知道，这种说法是经不住推敲的。类似的言论在历史上至少出现过两次：古希腊原子论者就曾满怀信心的自以为洞悉了一切奥秘；20世纪初物理学家迈克尔逊也曾认为除了“两朵乌云”外，科学大厦即将完成，“物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”（1998年芝加哥大学导学手册）。但结果如何呢？科学始终向前，而这些言论早已变成笑柄。

近、现代物理学源于对“两朵乌云”的再发现，类似地，今天的物理学也面临四个疑问：对称性破缺、看不见的夸克、类星体问题和暗物质之迷。对此，诺贝尔物理学奖获得者、著名华裔物理学家李政道认为，21世纪的物理学可能会在一些基本问题上得到突破：激发真空；微观和宏观物理的结合；模拟宇宙大爆炸最初的状态；了解暗物质，了解类星体的能源，了解CP不对称的原理等。与以往相比，当今物理学要研究的问题不是变少了，而是变多了。哥德尔不完备定理证明了人类不可能穷尽所有未知，科学研究就像一个画圆的过程：圆越大，接触到的空白区域也就越大。

由此看来，所有“科学终结说”的宣言或预言均只是人为的虚妄，因此就不能让学生耽于神话，由此滋生惰性、不思进取。前沿物理体现了对前人的质疑与超越，在本质上是一种前喻文化。有意识地将其渗透于教学中，既可以让学生了解科学发展的本来面目，也有利于打破后喻文化的禁锢，帮助学生认识到，物理学远未达臻完美，尚有许多未知在等着他们去发现、去创新。物理学仍然大有可为，物理学是值得他们献身的事业。

4 中学物理教学渗透现代物理前沿知识的方法

中学物理教学中，渗透现代物理前沿知识，不仅要求内容上使学生容易接受，在教学方法上更应符合学生的认知特点，选择适宜的方式方法和教学手段。过去那种灌入式教学方法显然不行，课堂教学的一般方法也不尽合适，那么，如何渗透现代物理知识呢？

4.1 充分利用电脑多媒体教学手段。电脑多媒体辅助教学（CAI）是现代教学技术中最先进的一种方法，它具有直观形象、生动活泼、声像并茂的特点，利用它可以实现人机交互、化难为易、化繁为简、化静为动、化抽象为直观，提高学生的兴趣和注意力，从而提高现代物理知识的渗透效果。

比如，现代分形理论是认识自然界真实面目的一个有力工具，对它的渗透，如果只讲抽象的概念，就学生的认知水平，难以理解和接受。如果利用电脑演示给学生，那奇妙的图像、美丽的色彩，那无尽的分形、无穷的变幻，必将给学生带来极大的惊喜，激起学生的好奇心和求知欲，调动起学生探求真理，崇尚科学的热情和兴趣。

4.2 录相手段的应用。录相教学是电化教学的一种常用手段，它同样具有声像并茂的特点，且直观形象，生动有趣。在中学物理教学中，利用录相手段进行现代物理前沿知识的渗透，是一种难得的好方法。问题是录相资料从何而来，靠自己制作显然有很大局限性和困难，不妨从电视节目中或从专题性科普知识节目中进行裁录，在教学中，适时地通过录相课的形式，放给学生观看，会收到良好的效果。比如，中央电视台制作的“黑洞之迷”、“宇宙大爆炸理论”等节目，都是很好的录相教材，如果能利用网络资料，当然更好。

4.3 通过活动课程，渗透现代物理知识。在中学物理教学中，适当开展丰富多彩的活动，来渗透现代物理知识，不失为一种好方法。比如，组织学生参观科技展览；开展常规性的科技活动；聘请科学家做科普讲座、报告等，另外，也可通过读书竞赛、办黑板报等形式，对学生进行现代物理知识的渗透，使他在活动中受到潜移默化的。

长期对前沿物理教学的相对忽略，导致了科学教育的“片断化”。物理教育成了物理“断代史”的教育，使学生只知物理学的昨天，不知物理学的今天，不见物理学的明天。可见，在中学物理教学中渗透现代物理前沿知识既有它的必要性，又有它的可行性，也可以说是势在必行，但问题是：一没现成教材，二没现成模式，三没有相匹配的课程切入点。这就要求教师勇于探索，勇于实践，边教学边研究，自己动手找材料，编教材，制课件，使现代物理前沿知识能更快、更好地渗透到中学物理教学过程中，以提高中学物理教学质量，推进物理素质的提高，培养二十一世纪的创新人才。