【摘要】社会现代化、教学手段现代化了,教学内容也要紧跟上去,教学内容要现代化,就要让更多的现代物理知识进入我们的课堂。 【关键词】物理教学 现代物理 物理学在不断地发展变化,也带动社会迅猛发展,物理教学必须要跟得上时代步伐,将物理学发展的前沿动态和物理学的实际应用引入课堂教学,使学生及时了解当前科学技术的发展概况,是十分必要的。
一、现代物理知识运用到中学物理教学中的必要性和重要意义
1、据有关调查中学生所掌握的科技知识没有达到令人满意的地步,且学生较少关注和参与科学技术相关的社会活动,其实验能力也较差。
2、我国现行教材基本上都是经典内容,新的教材虽做了一些改变,但这些变化都集中在增加学生生活、社会性物理知识的应用和提供学科内进行研究性学习的材料方面,在现代物理知识的吸纳方面做的不够,长期以来,学生的思维方式、知识结构局限在经典物理中,远落后于现代物理和科学社会的发展。
3、现代物理知识对提高学生学习兴趣有独特作用。物理学是最早发展起来的自然科学,从哲学中分离,在生活中诞生,为应用而发展。从诞生的那一天起,它就与大自然、人类的生活密不可分。在教学中有意识地突出现代物理的广泛应用,可开阔学生视野,增强物理有用性的认识,培养理论联系实际的习惯,强化学习意识,提高学习物理的兴趣。
4、有效地讲授现代物理知识是提高学生科学素养的重要途径。
二、现代物理知识运用到中学物理教学中的可能性
有些人认为,中学物理教学内容即20世纪以前的物理学是基础中的基础,而中学生的知识基础不可能去接受理解高深的物理知识理论,中学物理与现代物理之间存在着巨大的鸿沟,难以逾越。笔者认为在中学传授一定的现代物理知识已具备一定基础,但要讲究传授的方法、途径。
中学生通过一段时间的经典物理基础知识学习,可以说已具备了进一步学习现代物理相关知识的可能性,再者,高中生已具有一定的抽象思维能力和科学思想方法。布鲁纳曾强调学习各门学科的基本结构。指出基本结构就是最能反映其本质的基本概念、原理和规划。学科的结构就是本学科的基本理论,掌握这种基本理论,可联系各种相关现象,从而理解各种相关现象,学科的基本结构是课程的核心,也是教学过程认识的基点。他还认为基本学科是可以提早学习的,并且必须提早学习,因为早年学习一些观念和作风影响着人们的一生。这些为我们进行现代物理知识教学提供了认识论基础。现代物理是刚发展起来的新理论体系,虽然对绝大多数一般的学习者来说他是深奥和抽象的,要用到精、专的物理学理论及相应的数学物理方法,并非一般初涉物理学领域的人所能掌握的。但我们可把有关知识的基本结构和方法论教授给初学者(中学生),他们是完全能够掌握和理解的。布鲁纳就认为,“凡是用现行手段教授的一切题材,都可能用单纯的形式,更早地教给儿童。”
三、现代物理知识运用到教学中的途径
如何有效地在中学讲授现代物理知识,还需要广大教师在实践中进行尝试研究,笔者在此谈一点个人想法。
1、将基础知识拓宽延伸。
现代物理知识追根溯源都有它最初的端倪和最原始的理论,正如爱因斯坦所说:"我们的科学进步得如此之快,以致大多数原始论文很快失去了它的现实意义,而显得过时了,但是另一方面,根据原始论文来追踪理论的形成过程,始终具有一种特殊的魅力。
例如通过激光冷却技术使人们实现了操纵和控制单个原子。同时依靠这种新的手段,人们在分子原子物理学领域获得了一个又一个重大突破。通过冻结原子降低温度,1995年两名美国科学家康奈尔和维曼以及德国科学家克特勒分别在极为接近绝对零度的条件下首次通过实验证实了玻色-爱因斯坦凝聚(简称BEC),玻色-爱因斯坦凝聚是爱因斯坦在75年前所预言的一种特殊物质状态。这被物理学家认为是20世纪末物理学上的最重要的成就。我国也于2002年由中科院院士王育竹领导的研究小组在铷原子云中实现了BEC。这项技术也可用于涉及新型的原子钟,其精确度比现在最精确的原子钟(精确度达到了百万亿分之一)还要高百倍,可应用于太空航行和精确定位。
激光制冷是通过激光光子的能量直接束缚被冷却物质的分子或原子的热运动来降低温度的,是微观对微观的物质行为。根据量子力学理论,如果正在进行中的原子被迎面而来的激光照射,只要激光的频率和原子的固有频率一致,就会引起原子的跃迁,原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。与此同时,原子又会因跃迁而发射同样的光子,不过它发射的光子是朝着四面八方的,因此,实际效果是原子的动量每碰撞一次就减小一点,直至最低值。动量和速度成正比,动量越小,速度也越小,温度也就越低。因此激光冷却的实质是原子或分子在激光的作用下的减速。
在学习了原子跃迁后,有机地进行渗透这些内容,学生就不会觉得现代物理遥不可及,学生不仅掌握了物理知识,更了解了这些知识的实用价值和社会价值。
2、通过物理事件或物理现象讲授有关知识
当某些理论很深奥、抽象难懂时,可以用一个事件的阐述,使学生了解有关知识产生的历史和过程,从事件中领悟知识原理。
如著名的双生子佯谬实验。狭义相对论的相对论效应认为相对做匀速直线运动的两个惯性系中,其中在一个参照系中的观察者测的另一参照系中的长度变短,时钟变慢。这时有人提出这样一个设想:有双生子兄弟二人,哥哥乘上飞船离开地球,以接近光速的速度逛游太空,根据相对论效应,弟弟看到飞船上的时钟变慢了。那么在飞船返回地球时,是否哥哥比弟弟变年轻了?我们知道,运动的观测是相对的,当哥哥乘上飞船逛游时,弟弟相对哥哥在反向运动,哥哥看弟弟的时钟也变慢了。因而他会认为弟弟变年轻了。这样就得不到一个确定的答案。这就是著名的双生子佯谬。这时狭义相对论无法解释。通过分析,狭义相对论只适用于一切惯性系,而哥哥乘飞船离开地球要加速,返回地面要转弯、减速,所以哥哥处在非惯性系。在这样的背景下爱因斯坦完成了广义相对论的研究。利用广义相对论的结论--时空弯曲解释了飞船上的时钟变慢,因此飞船返回时哥哥显得年轻了。
通过这一事件学生了解了狭义相对论、时钟变慢、广义相对论等基本概念。同时一些著名事件能激发中学生的兴趣,培养其科学精神和思维方式。
3、让现代物理知识、思想及应用渗透在STS问题中
如2004年12月26日印尼苏门答腊岛附近海域强烈地震引发了海啸,造成的破坏程度和人员伤亡数之众,被联合国称为近几世纪以来最严重的自然灾害。地震海啸给人带来的灾难是十分巨大的,对于海啸,目前人类没有能力阻止其发生,但可以通过预警和防备来减少死伤,海啸的预警就用到了物理知识。
如,学习了万有引力后,可及时向学生介绍有关“神州”七号或“嫦娥一号”的材料。随着中国在航天技术方面的全面发展,标明我国完全有能力独立自主地攻克尖端技术,在世界高科技领域占有一席之地。关于“神州”七号,在发射、运行、变轨、返回等方面可以编很多试题。如:简述将“神州”七号载人飞船送入太空的“长征”2号捆绑式大推力运载火箭发射的原理和提高最终速度的因素。火箭点燃后生成的气体以很大的速度向后喷出,根据动量守恒定律,火箭向前做反冲运动;提高火箭最终速度的因素,一方面是喷气速度,另一方面是火箭开始飞行的质量与燃料烧尽时的质量之比,喷气速度越大,质量比越大,火箭最终速度越大。可以让学生思考的问题很多,此处不一一例举。有关卫星问题是大家所关注的问题,其某些方面的基本原理和最基础问题是学生可以理解和可以解决的,这也是引导学生将物理问题应用于实际、关注科技进步、关注前沿问题、关心国家的最好契机。
近几年来,高考试题中STS问题占有较大比例,这类试题不仅体现了学科与STS的广泛联系,更重要的是有利于引导学生关注科学的进步,新技术的应用和社会的发展。
4、拓宽物理教学的空间,将物理教学延伸到校外。
因为物理学有着广泛的应用,所以与之相关的教育资源是非常丰富的,教师可以向学生推荐合适的科技类网站,让学生自己浏览,如中国科技网、科学在线等。还可以引导学生多观察周围的新事物,多注意报纸、新闻,特别是科技类的报刊杂志,通过阅读了解各种动态。
科学技术的突飞猛进极其深刻地变革着整个世界和人类生活的面貌。其中很多与现代物理学的发展是分不开的,肩负着培养下一代教育重任的中学物理教师,应该把握物理前沿的脉搏,把现代物理知识渗透到中学物理教学中去。这些也是学生感兴趣的内容,对中学生有很大的激励作用。只有教师不断地参与学习,努力提高自身的学术水平,才能对现代物理知识理解得更深刻,才能更深入浅出、简明生动的向学生阐述深奥的物理学理论,有利于激发学生的求知欲和创造性,使更多的学生爱学物理,学好物理。