2061计划丛书科学素养的基准节选

【2061计划丛书】《科学素养的基准》节选
科学素养的基准Banchmarks for science literacy
美国科学促进协会著
中国科学技术协会译
物体运动
宇宙中没有静止的物体。

运动对于理解物质世界的重要性跟物质和能量一样。

按照《面向全体美国人的科学》一书的内容安排，对运动提出的基准包含了广泛的课题，从物体的运动到振动和波动的特性。

转动虽然有趣，但是会给学生带来很大的困难，所以，不包含在本基准中。

对于理解物体的运动和反复运动的规律，基准不要求使用方程式。

处于科学素养的考虑，定性的理解已经足够。

对于绝大部分擅长数学的学生，方程式可以清晰地表达关系，但是，对于许多学生来讲，方程式很难学，它不仅不能使概念清晰，反而会变得晦涩难懂。

例如，几乎所有的学生都能理解，如果加大作用在物体上的力，那么，力对物体的运动产生的影响就变大；如果增加物体的质量，那么，力对物体运动产生的影响就会变小。

但是，要他们学习a=F /m（许多老师认为它讲的是同样的道理），显然就困难得多。

对牛顿运动定律得陈述很简单。

有时，教师错误地将学生正确地背诵这三条定律作为他们理解这些定律的依据。

在历史上，归纳这些运动定律花费了很长的时间，这一事实表明，它们并非是显而易见的真理，尽管一旦我们充分理解了这些定律，它们看起来就很明显了。

近年来，大量的教学研究材料显示，要学生们将立和运动的正确概念与他们个人对世界运行方式的观点联系起来，存在一定的问题。

这主要有三个障碍：
1）一个基本问题涉及到古老的概念。

这个概念认为持续的运动需要持续的力。

相反地概念时，作用力会改变物体的运动。

这就是说，某种运
动的物体，在没有受到外力作用时，将一直保持直线运动，而不会减
慢下来。

这似乎与我们看到的情况背道而驰。

2）对运动的描述的局限性，可能会阻碍学生们对力的学习效果。

各年龄段的学生都习惯于只考虑物体是静止还是运动。

所以，首要的任务是
要帮助学生将运动分类：匀速运动、加速运动和减速运动。

例如：落
体应该描述为越落越快，而不仅仅是降落。

正如前面指出的那样，牛
顿第二运动定律所表达的基本概念并不难掌握，但是，要学生理解力
和加速度这两个词的含义却颇费周折。

这两个词在日常用语中有许多
含义，将它们专门使用在科学中就会出现混淆。

3）像惯性一样，作用力等于反作用力的原理也与直觉相抵触。

要是说一本书对桌子有压力，这很容易理解，但是反过来说，桌子以相同的力
向上推（你一拿起书，力立即消失），似乎令人难以置信。

关于运动和力要学些什么？远在接触这些定律以前，学生们首先应该利用大量的经验来塑造有关运动和力的直觉。

当物体表面变得更富有弹性或者阻力更小时会发生什么情况？有关这方面的实验和讨论特别有益。

只是定性地描述振动，，不会带来什么特殊问题。

只是在英语中speed这个词既表示频率，又表示速度，又是会造成混乱。

一根吉它弦振动得是快（每秒前后移1000多次）还是慢（每小时大约只有15英里）？同样，地球的自转是慢（每天一次）还是快（在赤道，每小时1000英里）？在整个有关运动的内容里，振动是能够介绍频率和振幅这两个概念的最好的部分，因为学生可以直接体验许多有关振动系统的例子，他们很容易将振动看作物体运动的一种普遍方式，而将频率看作对这一运动的测量。

然而，波动具有更大的挑战性。

孩子们由于玩水的经验而熟悉波动。

水面波提供了波的标准形象，绳子或弹簧也可以用来演示某些波的特性。

即使没有上过正规的学校，青年人也应该知道存在许多不同类型的波，如无线电波、X射线、雷达波、微波、声波、紫外线辐射等等。

但是，他们可能并不知道这些东西是什么，它们彼此之间有何联系，它们与运动有什么关系，或者说在何种意义上波才
能称之为波。

幼儿园至二年级
从一开始，学生们就应观察、描述和讨论各种运动的物体，如人本身，昆虫、鸟、树、门、雨、风扇、秋千、排球、四轮马车、恒星等等，并做笔记、画图来表示它们的运动，还要提出问题，“它们是沿直线运动吗？”“它们的运动是快还是慢？”“你怎样知道的？”“一棵正在生长的植物有多少种运动方式？”在这个阶段，问题比答案更为重要。

让学生在使物体运动或者静止，以及在使运动着的物体改变方向和速度等方面获得各种经验。

假如学生们从入学的第一天就开始“演奏音乐”，那么，这就提供了一个机会来向学生介绍振动，作为一种现象，而不是一个理论。

利用鼓、铃、弦乐器和其他乐器，也包括他们自己的声音时，就可以感受到乐器的振动。

这些经验本身是重要的，但在这个阶段，无需详细解释。

到二年级结束，学生们应该知道：
●物体以多种方式运动，如直线运动、曲折运动、圆周运动、往返运动以及快
运动、慢运动等。

●改变物体运动的方法是施加一个推力或者一个拉力。

●发出声音的物体都在振动。

三年级至五年级
让学生们继续描述运动。

当他们的测量技巧得到提高以后，可以做更多的实验，而且更加定量化。

测量快速运动着的物体和慢速运动着的物体的速度是一项学生很愿意参加的挑战。

他们自己可以总结出力和运动的变化之间的基本关系，自觉得把力的概念理解为一个物体对另一个物体形成推力或拉力，如松裤带、磁铁或者物质爆炸所产生的作用力。

学生应该增加对周期运动实例的了解，或许还可以设计几种方法来测量不同的振动频率。

学生们应该使用棱镜观察白光形成的“彩虹”色彩。

（白光由不同颜色的光“组成”，这个概念比较难理解，应该留在后面的年级中提出。

）然而，在这个年龄段，将光与波动联系在一起，不会取得收效。

到五年级结束，学生们应该知道：
●力可以改变物体运动的速度和方向。

作用力越大，运动的变化就越大。

物质
的质量越大，施加的力所产生的影响就越小。

●物体运动快慢的区别很大。

有些物体运动很慢，以致于完成一个运动要花费
很长的时间；有些物体运动得非常快，以致使人们都无法观察到它的运动过程。

六年级至八年级
现在，可以将力和运动的关系展开得更完善，同时对惯性这一较困难的概念应予以注意。

在没有外力的作用下，一个物体将保持静止，要学生相信是没有问题的，他们每天都可以看见这样的情况。

困难的是，一个运动着的物体，在没有外力作用的情况下，将保持匀速运动的概念。

告诉学生不要理会自己的亲眼所见，是不能解决问题的。

他们周围的运动物体，在没有持续的推理或拉力作用时，速度确实在下降。

应让学生观察减少摩擦对运动的影响，他们在这方面获得的经验越多，就越容易想象摩擦力等于零时的情况。

现在，学生们可以利用水缸、绳索和弹簧来学习波的某些性质，知道电磁波是由具有波动性的辐射组成的。

波长是应予以极大关注的波的属性，仅仅需要进行极少的计算。

到八年级结束，学生们应该知道：
●尽管太阳光用肉眼看上去几乎是白色的，但它是由许多不同颜色组成的。

其
它发出光或反射光的物体也是具有不同的混合颜色。

●有些物质发射或反射出的光波进入人的眼睛后，可以被“看到”，就如同某
些声波进入人的耳朵后可以被“听”到一样。

●一个未被平衡的力作用到物体上，就会改变物体运动的速度或方向，或者二
者都会改变。

如果这个力的方向指向一个中心点，则物体运动的路径会弯成一个围绕该中心的轨道。

●材料内部的振动形成波动，并从震源向四处传播。

声波和地震波就是实例。

这些波以及其他的一些波，在不同的材料中移动的速度不同。

●人的眼睛只能对一个很窄的波长范围内的电磁辐射波，即可见光，作出反应。

在这个范围内，人的眼睛接收到的波长不同，显示出的颜色也不同。

九年级至十二年级
在这个阶段，学生们应该学习相对运动、作用与反作用原理、波的行为、波与物质的相互作用，应用于气象观测的多普勒效应，以及遥远星座的红向移动。

相对运动是有趣的，学生发现，计算物体在不同参照系的速度很有趣，许多活动和影片演示了这个原理。

学习这个概念，就概念本身，就它在哥白尼学说中对改变参照系所起的作用，以及对简单相对论来说都很重要。

这个阶段，也到了显示数学的威力的时刻了。

一旦学生们完全相信，运动的变化与作用物体的力成比例，那么，根据数学逻辑，当F=0时，运动就不会发生变化（所以，牛顿第一定律只是牛顿第二定律的特例）。

学生们可以从对力和运动关系的定性理解（作用力越大，运动变化越大；质量越大，运动变化越少）转到定量理解（运动变化与作用力成正比，与质量成反比）。

通过实验，学生们可以理解，一个物体的运动变化与作用力成正比，与它的质量成反比。

这与知道运动的变化随力的增大而增大，随质量的增大而减小相比又进了一步。

学生应定性地理解：（1）两倍的力作用在一个质量一定的物体上，就会产生二倍的影响，三倍的力作用就会有三倍的影响，等等；（2）一定的力作用在一个物体上，物体的质量增加一倍，力得影响仅剩原来的一半，质量增加到三倍，力的影响仅剩三分之一，等等。

此时，无须学生们解答大量的数字问题。

定性原则也可以应用到波上。

即使是一个简单的关系式，速度=波长*速率，也会给许多学生造成困难。

最低限度要求学生对波形成半定量概念，例如：频率越高，波长就越短；波长较长的波，通常能更多地绕过障碍物。

波长对于波与物质相互作用的影响，可以透过一些本质上很有趣的现象加以了解。

例如：天空的蓝色和夕阳的红色，是由于大气对短波长的光散射得最多；青草的颜色，是由于它吸收了较短和较长的波长的光，而反射出中间的绿色。

具有不同波长的电磁波对人体有不同的影响。

有些可以穿透人体，但几乎不产生影响；有些则会晒黑或者灼伤皮肤；有些还会被内脏器官不同程度地吸收（有时则会伤害细胞）。

到十二年级结束，学生们应该知道：
●物体运动的变化与作用在物体上的力成正比，与物体的质量成反比。

●所用的运动都是相对于任何一个选定的参照系，因为，不存在可以用来判断
一切运动的不动的参照系。

●加速的电荷在它们的周围产生电磁波。

很多种辐射都是电磁波：如无线电波、
微波、辐射热、可见光、紫外线辐射、X射线和伽马射线等。

这些波的波长不同，无线电波最长，伽马射线最短。

在空旷的空间，各种电磁波都以相同的速度即“光速”移动。

●每当物体施加在一个力在另一个物体上，就会有同样的力反作用在这个物体
上。

●观察到的一个波的波长取决于波源与观察者的相对运动。

如果任何一方向另
一方靠近，观察到的波长就会缩短；如果任何一方远离另一方，观察到的波长就会变长。

因为几乎所有来自遥远星座的可见光都有较长的波长，而地球上的可比光的波长较短，所以，天文学家们认为宇宙正在膨胀。

●波可以彼此叠加，绕过障碍物的拐角处，从物体表面反射，被它们进入的材
料吸收，并且当波进入一种新材料时就会改变方向。

所有这些效果都会随波长而变化。

波能（像其他的能一样）可以变成其他形式的能。

自然力
经过数年的在校学习，力可能被认为是运动的起源，而对力的本身的解释却可能被耽误了。

但是，球棒和球之间的力与地球和月亮之间的力起源完全不同。

在帮助学生们加深对基本的自然力的理解时，重点应该放在引力和电磁力上。

知道了万有引力的基本概念，并知道万有引力与其他种形式的力相比是多么的微弱就已经足够了。

此时，处理数值问题获益甚少，而且，很可能超出了许多学生的能力。

这里面的数学内容并不深，但是物理单位却使人困惑。

对于学生们来说，引力比电力和磁力微弱的多，这是一个似是而非的概念。

只有当大量的物质聚集在一起形成一个物体，如一个学生和整个地球时，引力才能被觉察到。

对于学生来说，引力似乎比梳头时在头发上产生的微弱电力要强大，但是，可以引导他们去看恰恰相反的情况，是一根头发在引力作用下下落需要借助整个地球，而只需要很少的电荷就可以使它在电力的作用下战胜引力而上升。

对电力、磁力以及两者之间的关系也应该进行定量处理。

场的概念要介绍，但是只能从直觉开始。

最重要的是要学生们具有电场和磁场（包括引力场）的意识，了解磁体和电流之间的一些简单关系。

对于一般的科学素养来讲，关于场的刚想的规则并不重要，重点应该放在产生磁场的条件以及形成电流的条件上。

电场和磁场的图示会引出一些有关“力线”的错误概念，特别是认为力好像只存在于线上。

学生们应该认识到，这些线只是用来表明场德方向的。

幼儿园至二年级
重点放在运动方面，以及鼓励孩子们敏锐地去观察，什么时候以及为什么物体似乎在移动或者不动。

他们应该注意到，物体如果没有支撑，就会落到地面。

他们应该观察发生在每个地方的运动，将不同种类的运动以及为什么物体做这种运动列出表格。

即使在小学期间，孩子们也可以不接触物体而使用磁铁将物体移动，进而了解到力可以在两个物体之间没有可见的物质时，相隔一定距离起作用。

到二年级结束，学生们应该可以知道：
●除非有些东西支撑他们，否则，靠近地球的物体会落到地面。

在不接触物体
的情况下，用磁铁可使它们移动。

三年级至五年级
这里讲述的主要概念是，力可以相隔一定距离发挥作用。

学生们应该展开调查，以便熟悉磁场和静电的吸引和排斥作用。

术语“引力”（gravity）可能会干扰学生的理解，因为，人们常常拿它来作为一个普通（但古老）的概念“自由落体运动”的空头标签。

要点是地球吸引地球上的物体。

到五年级结束，学生们应该知道：
●地球引力可将任何物体拉向地面并没有物体接触。

●在互不接触的情况下，磁铁可以吸引所有的铁制品，而对其他的磁铁，或是
吸引，或是排斥。

●在互不接触的情况下，带有电荷的材料吸引其他材料，对其他带有电荷的材
料，或是吸引，或是排斥。

六年级至八年级
引力到目前为止被视作只有靠近地球表面才会发生的事情，现在可以推广到宇宙处在各个地方的各种物质。

在实验室里、在电影中、在录像带里，有些关于物体间万有引力的演示，可用来突破学生的某种直觉的观念，这种观念认为一切物体都会自然地掉下来。

学生应该制造一些装置来观察电流的磁效应，以及运动磁体的电效应。

最初，这种装置可能是简单的电磁铁，稍后，可以介绍一些较复杂的装置，如电动机模型。

到八年级结束，学生们应该知道：
●每个物体对任何其他物体都会产生引力。

力的大小取决于物体的质量和物体
之间的距离。

这种引力很难被察觉到，除非至少有一个物体具有很大的质量。

●太阳的引力使地球和其他行星在各自的轨道上运行，如同行星的引力使其卫
星环绕在它们的周围一样。

●电流与磁场能够彼此产生力的作用。

九年级至十二年级
学生现在应该知道，用万有引力的定律来解释宇宙结构和发生在地球上的事情，是多么好。

可以从许多不同的例子（恒星的形成、潮汐、彗星轨道等等）来熟悉这个定律。

还可以通过回顾产生这个导致天地统一的定律得历史来熟悉它。

对于科学素养的要求来讲，“平方反比”关系（指引力语距离平方成反比）并不是一个需要高度优先考虑的方面。

重要的是从一般成年人认为，地球的引力不会超越地球的大气层，或者认为由于大气层才产生了地球引力的错误的概念中解放出来。

学习电力和磁力的本性应该和学习原子相结合。

可能使许多学生感到吃惊的是，电磁力比引力强大的多。

在原子范围内，引力可以忽略不计。

机械力，如用一根小棒推物体的力，是由于原子内的电荷间的相互作用而产生的。

有些学生对此可能感觉不好理解。

让学生认识到，他们通常观察到的静电力是由极微小的电荷不平衡而产生的，可能有助于学生们认识到电力。

当学生们开始相信作用和反作用的原理后，他们就意识到力是相互作用的。

到十二年级结束，学生们应该知道：
●万有引力是物质间的相互吸引。

引力的大小与质量成正比，随着物体间的距
离加大，引力迅速地减弱。

●在原子内部和原子之间作用的电磁力比原子之间的引力强大的多。

在原子内
部，具有相反电荷的电子和质子之间的电力将原子和分子结合在一起，这种情况包含在各种化学反应之中。

在较大的规模上，电磁力将固体材料和液体
材料结合到一起，当物体接触时，电磁力就会在物体之间发生作用，如粘接或滑动摩擦。

●有两种电荷，正电荷和负电荷。

同性电荷相互排斥，异性电荷相互吸引。

在
材料中，正电荷和负电荷的多少几乎完全相同，使材料的总体电荷保持中性。

负电荷由电子携带，在材料中比正电荷更容易移动。

在某个材料中，只要负电荷有很少量的多余或不足，就会产生明显的电力。

●不同种类的材料对电力有不同的反应。

在导体中，如金属，电荷可以很容易
地通过；而在绝缘体中，如玻璃，它们几乎就完全不能移动。

在很低的温度下，有些材料变成超导体对电流流动不产生阻力。

在这两个极端之间的半导体材料的导电性能及其不同，这主要取决于这些半导体材料的组成。

●磁力和电力的关系很密切，它们被认为是一个电磁力的两个不同方面。

运动
的电荷产生磁力，而运动的磁铁产生电力。

电力和磁力的相互作用，是电动机和发电机以及许多其他现代技术，包括产生电磁波的基础。

●把一个原子核聚集在一起的力比电磁力强大得多。

这就是为什么巨大的能量
可以从太阳和其他恒星中的核反应中被释放出来的原因。