中學(xué)物理交叉前沿科學(xué)知識分類研究獲獎科研報告

中學(xué)物理交叉前沿科學(xué)知識分類研究獲獎科研報告摘要：物理課程中，尚未有對前沿知識的明確界定，但許多習(xí)題中常涉及一些新的前沿物理知識與教材中基礎(chǔ)知識的關(guān)聯(lián)考察，使教學(xué)中存在諸多困境。本研究以人民教育出版社初中高中物理教材為藍(lán)本，就物理學(xué)科教材中呈現(xiàn)的交叉性知識、前沿性知識等教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行梳理和剖析，依據(jù)物理知識的概念、呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象、涉及的新銳技術(shù)進(jìn)行分類整合研究，為教材與前沿科學(xué)的結(jié)合內(nèi)容梳理提供參考。

關(guān)鍵詞：前沿知識交叉科學(xué)物理課程分類研究

引言

依據(jù)教育部頒行的《中華人民共和國基礎(chǔ)教育課程改革實(shí)施綱要》的要求，教育部在對中學(xué)物理課程的內(nèi)容改革中，加入部分涉及前沿科學(xué)、交叉科學(xué)、復(fù)雜科學(xué)相關(guān)的一些內(nèi)容，特別是新近物理科學(xué)中的新發(fā)現(xiàn)、新進(jìn)展等熱點(diǎn)內(nèi)容的基礎(chǔ)介紹等。目前而言，學(xué)術(shù)界尚未對中學(xué)物理課程內(nèi)容體系中的前沿知識做出明確界定，較少見到關(guān)于這方面的系統(tǒng)性分析，顯然不利于教師合理地處理物理課程的教學(xué)內(nèi)容。本研究即依據(jù)教學(xué)改革前后課程內(nèi)容的對比，基于人教版教材剖析其中的前沿科學(xué)知識內(nèi)容，對其進(jìn)行整理分析。

1.中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中前沿知識的特點(diǎn)分析

中學(xué)物理課程學(xué)習(xí)必然關(guān)聯(lián)到物理科學(xué)的相關(guān)前沿，尤其高中物理課程更加如此。例如，現(xiàn)代量子理論、場論、超弦理論等，還有物理學(xué)科與生物、化學(xué)、材料等學(xué)科的交叉融合，形成地球物理、非線性系統(tǒng)、材料物理、物理化學(xué)等分支交叉學(xué)科。這些交叉學(xué)科和物理前沿知識雖然處于科學(xué)發(fā)展的前沿，但大多不脫離物理課程的基礎(chǔ)知識，尤其是最經(jīng)典的物理基礎(chǔ)概念，交叉復(fù)雜的前沿物理表征之下，是傳統(tǒng)基礎(chǔ)物理內(nèi)涵的新發(fā)展、新應(yīng)用。因此，本研究將具有時代性、非常識性、復(fù)雜性、交叉性特征的物理知識內(nèi)容，都?xì)w納為中學(xué)物理的前沿知識。

1.1時代性

首先，前沿知識應(yīng)具有鮮明的時代性。從前沿科學(xué)知識的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用時間來看，前沿知識本身是新近發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用的。例如，中學(xué)物理課程人教版教材中提及的黑體與黑體輻射、非線性系統(tǒng)、愛因斯坦光電效應(yīng)，等等，皆為時下物理科學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿，因此順理成章成為中學(xué)物理課程當(dāng)中的前沿內(nèi)容。從另一角度考察，由于新課標(biāo)的要求和課程改革的推動，相對于之前的教材，新教材突破性地提及了部分新知識，如牛頓經(jīng)典物理與愛因斯坦相對論及量子理論，等等，作為經(jīng)典物理與現(xiàn)代物理的分水嶺，在20世紀(jì)已經(jīng)確定，但由于其復(fù)雜性和日常生活當(dāng)中的運(yùn)用不普遍，因此對于高中物理來說，依然將近代物理的量子理論與相對論作為前沿知識進(jìn)行介紹。

1.2非常識性

前沿物理知識應(yīng)當(dāng)是非常識性的。即在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中，并不廣泛、普遍運(yùn)用這些知識。這些知識僅在某專業(yè)領(lǐng)域具有不廣為人知的運(yùn)用與實(shí)踐。對于中學(xué)生現(xiàn)有的知識結(jié)構(gòu)來說，這類知識大大超出了學(xué)生目前的知識結(jié)構(gòu)范疇和認(rèn)識程度。舉例如物理教學(xué)中對于真空的描述，通常將真空解釋為空空如也、一無所有的地方，即不存在任何物質(zhì)與能量的空間。但這種觀點(diǎn)與解釋僅在牛頓經(jīng)典物理理論中成立，在近代物理中并不成立。實(shí)際上，就量子理論而言，真空作為量子場的基態(tài)，包含漲落和極化的效應(yīng)。由于引力作用存在引力場等，近代科學(xué)解釋早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越牛頓經(jīng)典物理中對真空的理解和認(rèn)識，因此成為物理教學(xué)當(dāng)中的前沿內(nèi)容。

1.3復(fù)雜性

前沿物理知識具有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性。這里復(fù)雜性指物理現(xiàn)象較為復(fù)雜和物理解釋過程較為復(fù)雜。在中學(xué)物理課程教學(xué)內(nèi)容中，這兩類復(fù)雜性內(nèi)容都有體現(xiàn)。其一，如大幅度擺動的單擺，需要運(yùn)用非線性物理與混沌系統(tǒng)理論進(jìn)行解釋，并非簡單的力的分析可以簡單闡釋；其二，如光電效應(yīng)，雖然光電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用早在上世紀(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是對于高中生的認(rèn)知水平和知識結(jié)構(gòu)來說，對這類復(fù)雜的微觀的抽象物理現(xiàn)象較難有直觀的感受，其發(fā)生的物理過程解釋較為繁瑣，必須牽涉光的量子理論，以及光的粒子系統(tǒng)理論進(jìn)行解釋。在中學(xué)物理課程內(nèi)容中，非線性系統(tǒng)與光電效應(yīng)等知識，都應(yīng)當(dāng)歸屬于前沿內(nèi)容。

1.4交叉性

前沿物理知識具有學(xué)科的交叉特性。由于物理學(xué)科的進(jìn)展和分支差異，物理學(xué)科與許多其他學(xué)科交叉形成了新興的交叉科學(xué)，在微觀和宏觀上，在運(yùn)用領(lǐng)域上，都存在一定程度的互相滲透。如生物物理、物理化學(xué)、現(xiàn)代材料物理、地球空間物理等，與眾多自然科學(xué)發(fā)生了多種多樣的融合。這些融合和交叉同樣基于許多物理知識和物理現(xiàn)象，同時拔高于普通的物理現(xiàn)象，需要與其他科學(xué)知識共同聯(lián)系起來進(jìn)行解釋和學(xué)習(xí)。因此，這類教學(xué)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)引入中學(xué)物理中進(jìn)行介紹，一方面培養(yǎng)學(xué)生對物理科學(xué)的興趣與愛好，另一方面擴(kuò)大學(xué)生的知識面，具有較好的促進(jìn)作用。

2.中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中前沿知識的分類

縱觀中學(xué)物理中涉及的前沿知識，其編排嵌入各個章節(jié)，分布在不同知識領(lǐng)域，其組織安排較為零散，但都與歸屬章節(jié)關(guān)聯(lián)緊密。因此，本研究根據(jù)上述四大特點(diǎn)，依照從初中到高中的課程章節(jié)順序，根據(jù)呈現(xiàn)形式、章節(jié)內(nèi)容、關(guān)聯(lián)的前沿知識等部分進(jìn)行分析和歸納整理。整理歸類為四個主要模塊：一是非經(jīng)典物理概念；二是生活中需要用前沿知識解釋的現(xiàn)象；三是需要用到交叉學(xué)科知識解答的問題；四是與新技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的知識。

2.1非經(jīng)典物理概念

近代物理的基礎(chǔ)諸如量子理論、相對論、場論等知識作為完全不同于牛頓經(jīng)典物理的內(nèi)容呈現(xiàn)在中學(xué)物理課程內(nèi)容當(dāng)中，特別是高中物理內(nèi)容中較多。這些知識可以有效地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，引發(fā)他們的學(xué)習(xí)探究熱情，激勵學(xué)生勇于創(chuàng)新和嘗試，培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良的科學(xué)素養(yǎng)和正確的世界觀、科學(xué)價值觀。這些內(nèi)容都具有豐富的趣味性，盡可能貼近學(xué)生的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行科普，涉及的物理概念歸類如表1所示。

2.2生活中需要用前沿知識解釋的現(xiàn)象

不同于課本當(dāng)中枯燥的物理概念、原理闡述和繁瑣的公式推導(dǎo)過程，生活當(dāng)中的物理更容易使學(xué)生接納，并容易引起學(xué)生的好奇心。但是生活中存在一些少見的現(xiàn)象，其中一部分與物理前沿知識密切相關(guān)，這些物理現(xiàn)象在普通中學(xué)生知識結(jié)構(gòu)下無法解釋，運(yùn)用一些復(fù)雜的前沿知識對這些現(xiàn)象進(jìn)行闡釋和分析。表2統(tǒng)計了物理課程內(nèi)容中用前沿知識解釋少見的生活中的物理現(xiàn)象。

2.3需要用到交叉學(xué)科知識解答的問題

近代科學(xué)發(fā)展的重要特征就是交叉學(xué)科的極大豐富。特別是交叉學(xué)科往往出現(xiàn)在應(yīng)用科學(xué)當(dāng)中，因此存在較強(qiáng)的實(shí)用性，并且有相當(dāng)一部分內(nèi)容已經(jīng)在社會生產(chǎn)和生活當(dāng)中運(yùn)用，只是中學(xué)生現(xiàn)有知識結(jié)構(gòu)較難掌握，但許多內(nèi)容和現(xiàn)象已經(jīng)可以在生活中逐步遇到。這些內(nèi)容提供給學(xué)生使其將物理與其他課程知識相結(jié)合，并引導(dǎo)學(xué)生激發(fā)想象和創(chuàng)造性思維，并解決生活中遇到的實(shí)際問題。具有交叉內(nèi)容的物理知識整理如表3所示：

2.4與新技術(shù)應(yīng)用相關(guān)的知識

物理前沿科學(xué)迅猛發(fā)展為人類社會發(fā)展與進(jìn)步起到了極大的促進(jìn)作用。由于超導(dǎo)特性的發(fā)現(xiàn)，使得超導(dǎo)懸浮列車成為現(xiàn)實(shí)，極大提高了列車的運(yùn)行速度，對城際交通進(jìn)行了優(yōu)化；原子能的發(fā)現(xiàn)和運(yùn)用使得核裂變技術(shù)為核心的原子反應(yīng)堆實(shí)現(xiàn)了發(fā)電功能，為千家萬戶送去了光明，并且成了無污染的清潔能源；全息影像技術(shù)和超聲技術(shù)服務(wù)與醫(yī)療技術(shù)，使得千百萬新生兒疾病能夠在發(fā)病初期就能及時判斷并治療，極大提高了嬰兒的出生率和健康水平……這些豐富的科學(xué)技術(shù)內(nèi)容從頭到尾貫穿物理學(xué)習(xí)過程中，能夠較好地讓學(xué)生感悟到物理科學(xué)的實(shí)用性，較好地發(fā)展學(xué)生的動手能力與創(chuàng)新能力。新技術(shù)在中