高中物理教材中的前沿物理 硕士朱路.docx

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高中物理教材中的前沿物理硕士朱路

1.1.1国外高中物理教材中的前沿物理

20世纪90年代以来，各发达国家物理教育改革的一个明显趋势是学科课程的

领域不断扩大。

就物理学科而言，不仅将物理科学的进程、知识和方法传授给学生，

还将最新的物理前沿信息和知识内容编入教材。

比如目前美国加州等地区使用的高

中物理教材就具有鲜明的课改特点，除教材正文部分对物理基础知识的展示之外，

在辅助部分还有更多的栏目提供对物理前沿知识的渗透。

如Activity，Assessment，

ContentBaekground，ConeePtDeveloPment，ConneetionsToBiology（orother

subjects），EXtension，CultUreDiversity等内容可以引导学生动手实践、动脑深思、扩

展思维、培养兴趣、勇于探索161。

美国另一本流行的高中物理教材《PHYslcAL

SC工ENCE》一册共25章，其中物理内容只占巧章，其他内容为化学和生物知识，

而且该教材中现代物理前沿知识的页数比例为16.9%，内容主要涉及到原子和原子

核的结构和放射性、原子核反应、裂变、聚变及其在社会生活中的应用，另外还介

绍了激光技术、超导材料、半导体及其在电子技术领域的应用，并着重介绍了半导

体材料在计算机的发展中的重要作用171。

澳大利亚新南威尔士HSC（Highersch。

。

l

Certificate）物理教材是为学生获得高中文凭而开的物理课程的教材，其选修部分

的内容包括:

（1）物理学的观念史。

①万有引力;②气体分子运动论;③光的本性;

④相对论;⑤原子结构。

（2）光的波动性。

（3）转动。

（4）技术中的物理学。

①工

程材料与结构;②汽车上的电学系统;③音乐中的物理学;④光学仪器;（国摄影技

术;⑧能量的转化;⑦流体动力学。

（5）天文学。

（6）电子学。

（7）核物理。

（8）

固体性质。

（9）选修项。

（10）铀和阳光。

学生可以从以上10项内任选3项。

选修

项是指其他某些学生感兴趣的项目，如能源问题、星系探索等，由当局每年公布。

我国台湾地区发行的物理教材《高中物理》一共四册，其中现代物理前沿知识的比

例为9.6%，但该教材还有大量的附录，也涉及许多物理前沿知识内容，如果将附录

中的内容算上，其物理前沿知识的比例约可以达到20%左右，主要介绍了原子结构、

原子模型、量子理论、光的波粒二象性、物质波和狭义相对论等内容。

1.1.2国内报刊、杂志中的前沿物理

在我国，大众媒体是获取科学技术信息的重要途径，看懂普通报刊上的科技报

道和文章应当是对公众科学素养的基本要求。

2004年5月19日中国科学技术协会

公布了2003年中国公众科学素养的调查结果。

调查结果显示:

我国有93.1%的公众

是通过电视获得科学技术信息的;有69.5%的公众是通过报刊获得科学技术信息的;

公众对“科学新发现、新技术应用、医学新进展”，这三项科技信息感兴趣的比例

分别为56.8%、55.6%和48.6%。

从以上数据可以看出，大众媒体是公众获取科学技

术信息的重要途径。

因此根据公众科学素养的基本需求精选物理前沿知识，丰富中

学物理课程的内容，对提高学生的科学素养，培养新时代的接班人具有重要意义。

北京师范大学的梁志国老师对我国国内2000年出版发行的几种具有代表性的

报刊，采用统计涉及到物理前沿知识的有关文章篇数的方法，调查公众对物理知识

的需求情况，这些报刊是:

《参考消息》，《人民日报》，《中国青年报》，《读者》181。

在对统计结果进行整理的基础上，他们将物理前沿知识大致分为四类:

一类为量子

论、量子力学、相对论及与之相关的问题;二类主要是涉及材料问题的物理学内容;

三类为原子、原子核及粒子物理的内容;四类是关于宇宙和天体的内容。

以下摘录他们对《参考消息》的调查结果:

2000年《参考消息》有关文章篇数统计

其余对《人民日报》、《中国青年报》、《读者》的调查结果与此类似，可见各大

报刊杂志都给予前沿物理知识充分的关注，这实际上也反映了我国人民的科学素养

在迅速提高，对高科技信息的需求在迅速增长，高科技与人们日常生活的关系越来

越密切。

1.1.3近年高考卷中的前沿物理

我国近几年各地高考卷对现代物理前沿知识内容的考察越来越多，甚至在语

的阅读材料中也常常会出现一些前沿物理中的名词。

对物理前沿知识考察力度的

大，这显然是为了适应当前课改的趋势，更好的实施素质教育。

以下选择1998—2004年以来全国各地的高考试卷作为调查对象，研究高

改革的趋势。

方法:

按各题所占分值与总分的比例进行统计，来确定各年度试卷中物理前

知识所占的比重;对试卷中涉及的相关知识点进行了统计，确定高考物理测试对

理前沿知识的考察情况。

方式:

直接考查和间接考查。

直接考查:

指考题设计目的就是直接测试学生对相关物理前沿知识点掌握的

况。

间接考查:

指以课本范围以外的物理前沿知识为背景材料，需要学生首先读

这些材料，然后用所学知识来解题的情况。

由此可见，2000年以后，全国各地的高考物理试卷对物理前沿知识尤其是间接

考查的内容大大增加，涉及的知识范围也逐渐扩大。

这就要求在中学物理教学中必

须重视物理前沿知识的教学。

3.1高中物理教材中的前沿物理

3.1.1新课标下的高中物理教材

高中物理新课程分为共同必修两个模块（物理1和物理2）和三个选修系列.选

修系列1包括两个模块（选修1一1和选修1一2）;选修系列2包括三个模块（选

修2一1、选修2一2和选修2一3）;选修系列3包括五个模块（选修3一l、

选修3一2、选修3一3、选修3一4和选修3一5）.

共同必修两个模块的主要目标是提升全体学生的科学素养，帮助学生了解自己

的兴趣与发展潜能，为后续向不同方向的发展与选择打好基础;选修系列1的主要

目标是让学生体验探究过程，了解物理科学与人类社会的互动关系，体会科学精神

与人文精神的结合，从思想、观念、方法层面上提升学生的科学素养和人文素养;选

修系列2的主要目标是让学生参与物理学的技术应用活动，学习与技术直接相关的

物理知识，理解物理与技术的互动关系，提升学生技术设计、制作和创新的能力;选

修系列3的主要目标是让学生经历物理学的实证研究和理性思维过程，学习物理学

的基本内容和研究方法，了解物理学与社会发展、科学技术进步的关系

3.1.2新高中教材中的前沿物理

对人民教育出版社出版的高中物理新教材的前沿知识罗列如下:

章节内容里数字的小数点的前面数字表示章数、小数点后的数字表示相应章数

的节数，如“3.7超重和失重”，表示这部分内容出现在第三章第七节中，其他相同

的表示法，都是这层意思。

高中物理新教材涉及到的物理学前沿（表）

从表格中可以发现，新教材已涉及到当前大部分的物理学前沿课题，主要以阅

读材料、正文选学内容、习题等背景知识出现，给教师处理此内容提供了主动空间，

不必被“必学”、“必讲”所束缚，增强了其灵活性、多样性。

这些前沿课题的出现

并没有改变原有课程的知识体系，也没有给学生做认知目标上的要求，但正如赵凯

华教授所说“为学生打开了一个窗口”。

此外，“21.5不确定关系”这节选学内容和相应的阅读材料，介绍了“量子力

学’，;“第23章相对论简介”选学章节内容介绍了相对论。

它们是现代物理学的基

础和支柱，可从某种程度上说，它们也有些问题未解决，本身就属于物理前沿，如

“量子力学”的完备性，即自洽性问题;相对论与量子力学间的矛盾性。

从另一方

面来说，它们更是物理前沿的基础，所以对相对论和量子力学的介绍也就当作前沿

物理来讲叙了。

3.2高中物理前沿教育的教学现状

3.2.1高中物理前沿教育的教学现状调查

本人针对高中物理前沿教育的教学现状，对华中科技大学附属中学的高二学生

进行了一次简单的问卷调查。

调查在三个不同层次的班级展开，分别是:

实验班、

快班和普通班。

参与本次调查的学生共188人。

调查问卷的设计如下:

调查问卷

你好!

物理学前沿知识与现代科技息息相关，本次调查的目的在于研究高中物理

前沿教育现状，请如实填写。

谢谢!

填写说明:

每题只选一项。

1.高中物理教材中渗透了大量的物理学前沿课题，如黑洞、宇宙大爆炸

理论、纳米技术、液晶、混沌现象、超导、磁悬浮等。

对于这些知识

你了解多少:

（）

A.不了解

B.略知一点

C.基本了解

D.全部了解

2.你对上述物理学前沿知识获取的主要来源:

（）

A课本

B老师讲授

C报刊杂志

D互联网

E其他

3.你对上述物理学前沿知识感兴趣吗?

（）

A豪无兴趣

B比较感兴趣

C很感兴趣

4.你希望教师在课堂上多介绍上述物理学前沿知识吗?

（

A不希望

B希望介绍一点，但不要讲的太多

C希望做全面的介绍

D无所谓

⑧硕士学位论文MAS‘TER’S，l’HESIS

5.（第4题选择B或C的同学做）你希望教师通过怎样的方式介绍上述物

理学前沿知识?

（）

A传统讲授的方式

B多媒体教学

C课外搜集资料，课堂讨论交流

D专题讲座

E自学

6.你觉得了解上述物理学前沿知识对你有益处吗?

（）

A.毫无益处

B.不仅没有益处，而且浪费我学习时间

C.有些益处

D.很有益处

问卷调查结果如下（按选择该选项的学生占选择该题学生的比例表示）:

1.A.24.8%B.43.7%C.28.3%D.3.2%

2.A.37.1%B.5.4%C.20.6%D.34.1%E.2.8%

3.A.17.6%B.51.1%C.31.3%

4.A.16.2%B.36.4%C.44.3%D.3，1%

5.A.4.2%B，58.3%C.13.3%D.15.1%E.9.1%

6.A.1.6%B.15.3%C.68.2%D.14.9%

可见学生对物理学前沿知识还是感兴趣的，也认为这些知识对自身的发展会有

帮助，但是他们对物理前沿知识的了解比较少，了解的渠道也并非主要通过学校教

育。

这说明我们的学校教育往往本末倒置，忽视了学生发展的需求，这种现象应该

充分引起教育者们的注意。

本人私下问过一些学生，为什么第5题大家会比较喜欢多媒体教学的方式，学

生们的回答是:

多媒体教学生动直观，比起传统的教学方式更有趣。

至于为什么不

是很喜欢课外搜集资料、课堂讨论交流和专题讲座的方式，他们的回答是:

不是不

喜欢，只是要花很多时间，我们课业压力本来就大，哪有空做些调查研究工作和听

讲座呀。

学生迫于课业压力，不得不选择放弃学习喜爱的课题的机会或者放弃喜爱

的学习方式，这种现象值得教育者们深思。

3.2.2高中物理前沿教育的教学现状分析

很长一段时期内，中学物理讲到19世纪几乎就没下文了。

20世纪后半叶，程改革掀起高潮，特别是中学物理课程改革尤为突出。

改革的驱动力有两个:

一是

为培养更多的物理专家，以增强国家的竞争力;另一个是使物理课程跟上时代的发

展，因此需要重新思考物理课程肉容，使之能反映当代物理学的成果。

如今高中物

理教材己经出现了一些的反映当代物理前沿的内容，但是由于多种原因它形同虚

设。

l）高考“指挥棒”的影响

高考常常以为学生“减负”的名义，在考纲中规定教材中带星号的内容不考，

或者指明“又K定律”不考，比如指明“玻尔理论”不考。

在高考这跟“指挥棒”

的指引下，很多教师就会选择放弃部分物理前沿知识的教学。

我觉得它不是真正意

义上的“减负”。

大家很清楚，在高中教材中能说明量子化思想的只有这么三处:

爱因斯坦光子说、玻尔理论、德布罗意波，而反映了这种思想的玻尔理论居然不考，

如果说它很难计算，但其思想观念应作要求，不一定要出复杂的定量计算题。

2）高中教学时间紧、任务重

迫于高考的压力，为了使学生在高考中能取得好成绩，很多学校将高三学年的

大部分时间用来进行高考复习，所以在高一、高二两年的时间里要上完三年的高中

课程，可谓是时间紧、任务重，根本挤不出时间进行物理前沿知识的教学。

3）教师观念未转变

由于前沿知识时代性、动态性的特点，它不可能像经典物理那样系统、完整，

而是东一块西一块，许多教师不知怎么去讲，又怕讲不好出差错，失去了教师的权

威性，而选择放弃物理前沿知识的教育，继续脱离时代物理、现代科技，津津有味

的假设一种情况又另一种情况地在经典物理教学中去列方程求解，而假设中的情况

可能教师和学生一辈子也遇不到。

4）现代信息技术未得到充分利用

随着现代信息技术的迅猛发展，人们获得知识的途径越来越多，生活变的越来

越丰富。

但是很多学校由于客观条件的限制不能给学生提供更多获取信息的机会，

传授给学生的知识还是仅限于书本内容。

物理前沿知识和现代信息技术联系紧密，

不能有效地利用先进的信息手段会给前沿物理的教学和学习带来困难。

4.1物理前沿知识的特点

1）与时俱进

一进入21世纪，社会的发展越来越迅速，只有与时俱进才能符合时代的需要。

4.1物理前沿知识的特点‘’91

1）与时俱进

一进入21世纪，社会的发展越来越迅速，只有与时俱进才能符合时代的需要。

物理学与现代科技联系最为紧密，最能体现现代社会进步的特色，物理学的前沿知

识更是科技前沿的标志，随着科学技术的进步不断更新。

一些从前认为前沿的知识，

随着时间的推移和研究的深入，可能己经被人们普遍接受，失去了时代性。

比如:

当爱因斯坦提出光子说的时候，大多数人还不能理解，光子说就成为当时前沿的物

理课题，但是现在“光是以光子的形式一份一份向外传播”的概念已经深入人心，

不再是前沿话题;当哥白尼提出日心说时，人们无法想象地球不是宇宙的中心，而

是围绕太阳运行的一颗普通行星，日心说理所当然成为当时的物理前沿问题，现在

的人们不会再怀疑地球围绕太阳运转的事实了，日心说也就成为历史。

也有一些从

前未曾进入人们视野的课题，现在成为物理前沿的热门话题。

比如材料科学，现在

可以说是炙手可热，不仅是科学研究的前沿，也是工业的重要技术手段。

2）包罗万象

目前物理前沿的内容可以基本总结为:

1.万有引力和万有斥力;2.宇宙膨胀

（或收缩）过程中的时间和时间矢:

3.原子核的放射性与宇宙的周期性运动;4.合

成超大原子核的可能性:

5.制造储存放射性元素容器的设想:

6.低温超导现象和

原子的特性;7.电子和电磁力的产生;8.恒星内部的大核裂变和外表的氢核聚变

9.原子核的结构与原子核周期表;10.同位素;11.电子与质子的关系:

12.放

射性的指数衰变规律;13.宇宙膨胀过程中光的传播速度;14.太阳系的起源。

可

见物理学前沿知识包罗万象，小到原子的内部结构，大到宇宙万物，都在研究范围

之内。

3）有理有据

物理前沿知识看似深奥，实际都是以基本的物理原理为依据，在其基础上有所

延伸和拓展。

换句话说，从基本的物理原理出发，可以发掘出许多有趣又神秘的物

理现象。

比如:

对万有引力和弹簧振子的简谐运动我们在高中阶段就很熟悉，由此

引申开去，可以研究宇宙的起点和终点。

我们知道根据对称性原理，宇宙具有万有

引力就会在特定的情况下产生万有斥力。

当宇宙收缩且通过其平衡位置（即万有引

力和万有斥力的临界点）时，宇宙中的所有物体就开始相互排斥。

但由于宇宙的巨

篡硕士学位论文MAS’l’ER’5IHESIS

大惯性，仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥力继续收缩，直到所有宏观宇

宙动能转换为物质间的万有斥力为止。

这时宇宙成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积

最小。

在宇宙的整个宏观运动过程中，宇宙的运动动能和势能（引力势和斥力势）

相互转换。

当宇宙收缩到极点时，宇宙的引力势能释放殆尽，这时宇宙的万有斥力势

能积蓄到最大值，物质间的万有排斥力达到顶峰，宇宙瞬时静止。

紧接着宇宙又开始

反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能，当达到平衡位置时，其斥力

势能释放完毕，引力势能开始诞生并发挥作用。

在引力势和斥力势的临界点（即平

衡位置）的一瞬间，宇宙中的物质不受斥力和引力的作用，这时宇宙的膨胀速度达到

最大值，通过平衡位置后，宇宙引力势能的逐渐积累，导致宇宙的膨胀速度缓慢降

低。

由于宇宙巨大的惯性作用，将继续膨胀，宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能，当

宇宙动能完全转变为引力势能时，宇宙将停止膨胀，这时宇宙膨胀体积达到最大，其

引力势能的积累也达到最大，宇宙将有一个瞬间的静止。

紧接着，宇宙又在强大的引

力势能的作用下开始收缩，又将其积累的引力势能转变为宇宙动能。

如此往复，以至

无穷。

4）自成体系

当科学发展到一定程度时，所涉及的知识越来越精细化，所以各个分支之间的

逻辑联系被弱化，几乎相对独立。

物理前沿的各个专题都自成体系，互相之间的联

系并不紧密。

比如材料科学与天体物理两个专题之间的关系就并不密切。

5）悬而未决

物理学前沿知识中尚有许多难题还未解决:

难题一:

什么是暗物质

我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4%。

各种测算方法都证实，宇宙的大

部分是不可见的。

最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子，但这仅是物理

学的理论推测，并未探测到。

难题二:

什么是暗能量

宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质还不足以解释宇宙的结构。

还

有第三种成分，它是某中形式的暗能量。

难题三:

从铁到铀的重元素如何形成

较重的元素形成于星体内部，核反应使质子和中子结合成新的原子核。

天文学

家认为较重的原子形成于超新星爆炸过程中，但其成因还不清楚。

难题四:

中微子有质量吗

从前科学家一直认为中微子没有质量，但最近研究表明，这些粒子可能也有些

篡硕士学位论文MAS’rER’S顶’HESIS

许质量。

难题五:

超高能粒子从何而来

中微子、r射线光子都是超高能粒子，科学家估计它们来自于创世大爆炸，但

还未有确凿证据。

难题六:

超高温度和密度之下是否有新的物质形态

当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分可能会完全分离开

来，这种变化可能揭示自然界的新力量。

难题七:

光子是不稳定的吗

各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。

然而，有物理

学家怀疑神秘变化的超大玻色子会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子

衰退。

难题八:

有几维空间

空间是否仅仅限于我们能观察到的四维?

线性理论学家说，我们之所以看不见

其他维的空间，只是因为缺少能将它们精密分解的仪器。

这些难题的存在正是物理前沿知识引人入胜的地方，一旦这些问题被解答，它

们便不再属于物理前沿的范畴。