物理教材中的前沿科学

物理教育与科学、技术、社会（STS）的融合
• 科学、技术、社会与物理教育的融合是物理教育的理念之一。在 国外，学者们对STS有广义与狭义两种理解。在广义的理解中，STS体 现为一个学科群，是科学史、科学哲学等等（还包括技术史、技术哲 学、科学社会学、技术社会学、科技政策研究等）学科对科学、技术 与社会的相互关系的研究的总称。在狭义的理解中，STS则是以传统 的科学史、科学哲学、技术哲学等学科为基础，在更高的水平上进行 理论综合，而形成的融合了上述传统学科之基本内容的一门新兴的交 叉学科，它追求对科学、技术与社会之相互关系的新理解。科学、技 术与社会”（STS）的思想与基础科学教育的融合，是从系统论的角 度看待科学、技术与社会之间相互关系的一种理论和行为指导思想， 并将这一理论和行为的指导思想运用到物理教育实践当中，包括将物 理、技术社会作为一门课程，作为一种教学思想方法，作为一种教学 活动，在物理、技术和人文之间架起一座沟通的桥梁。
何为“科学"技术"社会”(STS)
• STS体现为一个学科群，是科学史、技术史、科学哲 学、技术哲学、科学社会学、技术社会学、科技政策研究 等学科对科学、技术与社会的相互关系之研究的总称。至 少在美国，大多数学者持此看法。在狭义的理解中，STS 则是以传统的科学史、技术史、科学哲学、技术哲学、科 学社会学、技术社会学等学科为基础，在更高的水平上进 行理论综合，并由此而形成的融合了上述传统学科之基本 内容、追求对科学、技术与社会之相互关系的新理解的一 门的新兴的交叉学科。
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在必修模块“物理2”中，与STS相关的有这样几 部分内容。其一，是在内容标准(6)中，要求“通过能量 守恒以及能量转化和转移的方向性，认识提高效率的重要 性。了解能源与人类社会发展的关系，知道可持续发展的 重大意义”，以及在其下的例5“评价核能为人类带来的 好处和可发生的问题”，是属于STS中，涉及到科学与社 会的关系、科学技术的应用的正、负面效应，以及涉及到 可持续发展问题的重要内容。其二，在第三部分“经典力 学的成就与局限性”中，在要求(1)“通过有关事实了解 万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律。认识发现 万有引力定律的重要意义，体会科学定律地人类探索未知 世界的作用”，及其下的例1“通过用万有引力定律发现 未知天体的事实，说明科学定律对人类认识世界的作用”， 是属于科学史的内容。而要求(5)“通过实例，了解经典 力学的发展历程和伟大成就，体会经典力学创立的价值与 意义，认识经典力学的实用范围和局限性，以及其下的两 个示例，“了解经典力学对航天技术发展的重大贡献”和 “了解重物下落与天体运动的多样性与统一性，知道万有 引力定律对科学发展所起的重要作用”等，也同样是属于 科学史的内容。
选修中的STS的内容
• 选修模块2-1、2-2、2-3更为侧重从技术应用的角度展示 物理学，强调物理学的应用和实践，例如，选修2-1要求 (一)“电路与电工”部分的活动建议(2)中要求“了解当 地废电池的处理情况、与环保部门联系，建议废电池回收 站”中体现的环保意识教育，在要求(二)“电磁波与信息 技术”部分第(7)项中“了解网络技术对经济、社会的影 响”;像在选修2-2中涉及汽车与大气污染的关系;像在选 修2-3中对核能与经济社会发展的意义及可能产生的问题 的认识要求。
• 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，但它“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。
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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。
高中物理选修2系列的特点与选学指导
• 在普通高中物理课程标准（实验）中，选修系列2——选 修2－1、选修2－2、选修2－3：是以物理学的核心内容为 载体，侧重从技术应用的角度展示物理学，强调物理学与 技术相互作用，着重体现物理学的应用性、实践性。本系 列课程模块为进入普通高校工科学习的学生提供了必要的 物理学基础知识，使其能理解技术应用中所包含的物理学 知识，体会物理学与技术的相互关系。
普通高中物理新课程标准中涉及到的STS
• STS，既是一个重要的学术研究领域，又在许多其他领域 中体现出其影响和应用。对于教育来说，就是STS之应用 的最重要的领域之一。 • • 近年来，以新制订的课程标准为代表的中国的基础教 育改革引人瞩目，在这其中，STS的影响和渗透非常明显。 本文，就以普通高中物理新课标作为案例，来具体分析 STS与中国基础教育改革的一些问题。
在中国普通高中物理新课程标准中涉及STS的理念、 目标与基本概念
• 课程标准中的相关要求 • 在课程标准中关于课程性质的部分，标准指出：“高中物理课程 有助于„„了解科学研究方法„„认识物理学对科技进步以及文化、 经济和社会发展的影响;为终身发展，形成科学世界观和科学价值观 打下基础。” • 相应地，在课程基本理念部分，标准提出：“高中物理课程在内 容上应„„加强与学生生活、现代社会及科技发展的联系，关注物理 学的技术应用所带来的社会问题，培养学生的社会参与意识和对社会 负责任的态度。” • 在课程目标部分，标准要求，作为学习物理课程的总目标，应该 包括“发展好奇心与求知欲，发展科学探索兴趣，有坚持真理、勇于 创新、实事求是的科学态度与科学精神，有振兴中华，将科学服务于 人类的社会责任感”，要“了解科学与技术、经济和社会的互动作用， 认识人与自然、社会的关系，有可持续发展意识和全求观念”。在课 程具体目标中，在知识与技术部分，标准也要求“初步了解物理学的 发展历程，关注科学技术主要成就和发展趋势以及物理学对经济、社 会发展的影响。关注物理学与其他学科之间的关系，知道一些与物理 学相关的应用领域，能尝试运用有关的物理知识和技能解释一些自然 现象和生活中的问题”。
国外高中物理教材中的前沿物理
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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。 美国另一本流行的高中物理教材《PHYslcALSC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。
普通高中物理课程标准中涉及STS的具体内容要求
• 共同必修模块中涉及STS的内容 • 除了上述那些理念性的内容之外，在普通高中物理课程标准中， 还有许多具体的要求是与STS密切相关的。按照标准，高中物理课程 由12个模块构成(每个模块占2学分)，其中“物理1”和“物理2”为 共同必修模块，而其他模块则为选修模块(选修模块又因不同的目标 侧重而分为3个系列)。在这里，我们先来看看在共同必修模块中的相 关要求。 • 在“物理1”中，与STS内容最为密切相关的，是在“运动的描述” 部分中，“通过史实，初步了解近代实验科学产生的背景，认识实验 对物理学发展的推动作用”的要求。在标准给出的两个示例(例1、例 2)“了解亚里士多德关于力与运动的主要观点和研究方法”，以及 “了解伽利略的实验工作，认识伽利略有关实验的科学思想和方法” 中，突出地体现了在STS中涉及到科学史及科学家人物的内容。而在 示例5中，要求“通过史实，了解伽利略研究自由落体运动所用的实 验和推理方法”，以及在活动建议(2)中，要求“通过查找资料等方 式，了解并讨论伽利略对物理运动的研究在科学发展和人类进步上的 重大意义”，也是属于此类内容。
澳大利亚新南威尔士HSC
• 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。
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选修2-1 的内容是直流电路、电场和磁场 、交流电 和电磁波等知识，包含在各节中的知识点是各部分的核心 概念，也是以往的高中物理课程相应部分的重点内容。 • 选修2-2的内容是力与机械，热与热机。重点是热与 热机，内能和热力学知识在初中的基础上得到了加强，而 且使学生了解了内能的应用及应用的方向性。 • 选修2-3包含光学和原子物理两部分， 光学部分内容 有光的折射ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律、透镜的成像规律和光学器件的成像原理， 光的衍射和干涉现象。原子物理部分包含了原子、原子核 结构、放射性、核反应，能级，受激辐射等知识。 • 与物理1 、物理2一起，从经典力学到相对论、从宏观 物体到原子结构、量子力学，涵盖了力、热、电、光、原 子物理等全部知识，为学生建构了较为完整的物理学基础 知识。在历次的教学改革中，总会发出同一个声音：降低 物理内容的难度，让更多的人学习物理，喜欢学物理，但 是物理还是难学，这说明降低难度不能只从物理内容本身 做文章，不单是讲多讲少的问题。翻看物理选修系列2不 难看出，在覆盖了物理学的基础内容后，物理不再难了。
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，甚至在语文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。
• 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。
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)
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。
高中物理教材中的前沿物理
• 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。