中學物理交叉前沿科學知識分類研究

艾荷平+胡藝文

摘 要： 物理課程中，尚未有對前沿知識的明確界定，但許多習題中常涉及一些新的前沿物理知識與教材中基礎知識的關聯(lián)考察，使教學中存在諸多困境。本研究以人民教育出版社初中高中物理教材為藍本，就物理學科教材中呈現(xiàn)的交叉性知識、前沿性知識等教學內容進行梳理和剖析，依據(jù)物理知識的概念、呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象、涉及的新銳技術進行分類整合研究，為教材與前沿科學的結合內容梳理提供參考。

關鍵詞： 前沿知識 交叉科學 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教育課程改革實施綱要》的要求，教育部在對中學物理課程的內容改革中，加入部分涉及前沿科學、交叉科學、復雜科學相關的一些內容，特別是新近物理科學中的新發(fā)現(xiàn)、新進展等熱點內容的基礎介紹等。目前而言，學術界尚未對中學物理課程內容體系中的前沿知識做出明確界定，較少見到關于這方面的系統(tǒng)性分析，顯然不利于教師合理地處理物理課程的教學內容。本研究即依據(jù)教學改革前后課程內容的對比，基于人教版教材剖析其中的前沿科學知識內容，對其進行整理分析。

1.中學物理教學內容中前沿知識的特點分析

中學物理課程學習必然關聯(lián)到物理科學的相關前沿，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，還有物理學科與生物、化學、材料等學科的交叉融合，形成地球物理、非線性系統(tǒng)、材料物理、物理化學等分支交叉學科。這些交叉學科和物理前沿知識雖然處于科學發(fā)展的前沿，但大多不脫離物理課程的基礎知識，尤其是最經(jīng)典的物理基礎概念，交叉復雜的前沿物理表征之下，是傳統(tǒng)基礎物理內涵的新發(fā)展、新應用。因此，本研究將具有時代性、非常識性、復雜性、交叉性特征的物理知識內容，都歸納為中學物理的前沿知識。

1.1時代性

首先，前沿知識應具有鮮明的時代性。從前沿科學知識的發(fā)現(xiàn)和運用時間來看，前沿知識本身是新近發(fā)現(xiàn)和運用的。例如，中學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，等等，皆為時下物理科學研究的熱點前沿，因此順理成章成為中學物理課程當中的前沿內容。從另一角度考察，由于新課標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世紀已經(jīng)確定，但由于其復雜性和日常生活當中的運用不普遍，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行介紹。

1.2非常識性

前沿物理知識應當是非常識性的。即在日常生活和生產實踐當中，并不廣泛、普遍運用這些知識。這些知識僅在某專業(yè)領域具有不廣為人知的運用與實踐。對于中學生現(xiàn)有的知識結構來說，這類知識大大超出了學生目前的知識結構范疇和認識程度。舉例如物理教學中對于真空的描述，通常將真空解釋為空空如也、一無所有的地方，即不存在任何物質與能量的空間。但這種觀點與解釋僅在牛頓經(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。由于引力作用存在引力場等，近代科學解釋早已遠遠超越牛頓經(jīng)典物理中對真空的理解和認識，因此成為物理教學當中的前沿內容。

1.3復雜性

前沿物理知識具有相當?shù)膹碗s性。這里復雜性指物理現(xiàn)象較為復雜和物理解釋過程較為復雜。在中學物理課程教學內容中，這兩類復雜性內容都有體現(xiàn)。其一，如大幅度擺動的單擺，需要運用非線性物理與混沌系統(tǒng)理論進行解釋，并非簡單的力的分析可以簡單闡釋；其二，如光電效應，雖然光電效應的發(fā)現(xiàn)和運用早在上世紀已經(jīng)實現(xiàn)，但是對于高中生的認知水平和知識結構來說，對這類復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)理論進行解釋。在中學物理課程內容中，非線性系統(tǒng)與光電效應等知識，都應當歸屬于前沿內容。

1.4交叉性

前沿物理知識具有學科的交叉特性。由于物理學科的進展和分支差異，物理學科與許多其他學科交叉形成了新興的交叉科學，在微觀和宏觀上，在運用領域上，都存在一定程度的互相滲透。如生物物理、物理化學、現(xiàn)代材料物理、地球空間物理等，與眾多自然科學發(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，需要與其他科學知識共同聯(lián)系起來進行解釋和學習。因此，這類教學內容應當引入中學物理中進行介紹，一方面培養(yǎng)學生對物理科學的興趣與愛好，另一方面擴大學生的知識面，具有較好的促進作用。

2.中學物理教學內容中前沿知識的分類

縱觀中學物理中涉及的前沿知識，其編排嵌入各個章節(jié)，分布在不同知識領域，其組織安排較為零散，但都與歸屬章節(jié)關聯(lián)緊密。因此，本研究根據(jù)上述四大特點，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)內容、關聯(lián)的前沿知識等部分進行分析和歸納整理。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科知識解答的問題；四是與新技術應用相關的知識。

2.1非經(jīng)典物理概念

近代物理的基礎諸如量子理論、相對論、場論等知識作為完全不同于牛頓經(jīng)典物理的內容呈現(xiàn)在中學物理課程內容當中，特別是高中物理內容中較多。這些知識可以有效地激發(fā)學習者的學習興趣，引發(fā)他們的學習探究熱情，激勵學生勇于創(chuàng)新和嘗試，培養(yǎng)學生優(yōu)良的科學素養(yǎng)和正確的世界觀、科學價值觀。這些內容都具有豐富的趣味性，盡可能貼近學生的知識結構進行科普，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

不同于課本當中枯燥的物理概念、原理闡述和繁瑣的公式推導過程，生活當中的物理更容易使學生接納，并容易引起學生的好奇心。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，這些物理現(xiàn)象在普通中學生知識結構下無法解釋，運用一些復雜的前沿知識對這些現(xiàn)象進行闡釋和分析。表2統(tǒng)計了物理課程內容中用前沿知識解釋少見的生活中的物理現(xiàn)象。

2.3需要用到交叉學科知識解答的問題

近代科學發(fā)展的重要特征就是交叉學科的極大豐富。特別是交叉學科往往出現(xiàn)在應用科學當中，因此存在較強的實用性，并且有相當一部分內容已經(jīng)在社會生產和生活當中運用，只是中學生現(xiàn)有知識結構較難掌握，但許多內容和現(xiàn)象已經(jīng)可以在生活中逐步遇到。這些內容提供給學生使其將物理與其他課程知識相結合，并引導學生激發(fā)想象和創(chuàng)造性思維，并解決生活中遇到的實際問題。具有交叉內容的物理知識整理如表3所示：

2.4與新技術應用相關的知識

物理前沿科學迅猛發(fā)展為人類社會發(fā)展與進步起到了極大的促進作用。由于超導特性的發(fā)現(xiàn)，使得超導懸浮列車成為現(xiàn)實，極大提高了列車的運行速度，對城際交通進行了優(yōu)化；原子能的發(fā)現(xiàn)和運用使得核裂變技術為核心的原子反應堆實現(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；全息影像技術和超聲技術服務與醫(yī)療技術，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……這些豐富的科學技術內容從頭到尾貫穿物理學習過程中，能夠較好地讓學生感悟到物理科學的實用性，較好地發(fā)展學生的動手能力與創(chuàng)新能力。新技術在中學物理教學內容中的關聯(lián)知識點整理如表4。

3.結語

將前沿科學知識、復雜交叉學科知識嵌入中學物理教學內容當中，是新課程改革的一個重要舉措，也是順應社會進步和發(fā)展的必然。本研究梳理了初中、高中人教版教材中關于前沿科學的相關內容，為教師在課堂中靈活運用和把握前沿知識、關聯(lián)基礎知識提供有益的參考。

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