物理教育與科學素質培養范文

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1什么是物理學?

古希臘人把所有對自然界的觀察和思考，籠統地包含在一門學問里，那就是自然哲學.科學分化為天文學、力學、物理學、化學、生物學、地質學等，只是最近幾百年的事.在牛頓的時代里，科學和哲學還沒有完全分家.牛頓劃時代的著作名為“自然哲學的數學原理”，就是一個明證.物理學最直接地關心自然界最基本規律，所以牛頓把當時的物理學叫做自然哲學.17世紀牛頓在伽利略、開普勒工作的基礎上，建立了完整的經典力學理論，這是現代意義下的物理學的開端.從18世紀到19世紀，在大量實驗的基礎上，卡諾、焦耳、開爾文、克勞修斯等建立了宏觀的熱力學理論;克勞修斯、麥克斯韋、玻耳茲曼等建立了說明熱現象的氣體分子動理論;庫侖、奧斯特、安培、法拉第、麥克斯韋等建立了電磁學理論.至此，經典物理學理論體系的大廈巍然聳立.然而，正當大功甫成之際，一系列與經典物理的預言極不相容的實驗事實相繼出現，人們發現大廈的基礎動搖了.

在這些新實驗事實的基礎上，20世紀初，愛因斯坦獨自創立了相對論，先后在普朗克、愛因斯坦、玻爾、德布羅意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，創立了量子論和量子力學，奠定了近代物理學的理論基礎.本世紀隨著科學的發展，從物理學中不斷地分化出諸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚態物理、激光物理、電子物理、等離子體物理等名目繁多的新分支，以及從物理學和其它學科的雜交中生長出來的，諸如天體物理、地球物理、化學物理、生物物理等眾多交又學科.什么是物理學?試用一句話來概括，可以說:物理學是探討物質結構和運動基本規律的學科.盡管這個相當廣泛的定義仍難以刻畫出當代物理學極其豐富的內涵，不過有一點是肯定的，即一與其它科學相比，物理學更著重于物質世界普遍而基本的規律的追求.物理學和天文學由來已久的血緣關系，是有目共睹的.當今物理學的研究領域里有兩個尖端，一個是高能或粒子物理，另一個是天體物理.前者在最小的尺度上探索物質更深層次的結構，后者在最大的尺度上追尋宇宙的演化和起源.可是近幾十年的進展表明，這兩個極端竟奇妙地銜接在一起，成為一對密不可分的姊妹學科.物理學和化學從來就是并肩前進的.

如果說物理化學還是它們在較為唯象的層次上的結合，則量子化學已深人到化學現象的微觀機理.物理學和生物學的關系怎么樣?對于如何解釋生命現象的問題，歷史卜有吁兩種極端相反的看法:一是“生機淪”，認為生命現象是由某種“活力”主宰著，水遠不能在物理和化學的基礎上得到解釋;另一是“還原論認為一切生命現象都可歸結(或者說，還原)為物理和化學過程.1824年沃勒成功地在實驗室內用無機物合成了’尿素之后，生機論動搖了.但是、能否用物理學和化學的原理與定律解釋生命呢?回答這個問題為時尚早.不過，生命科學有自己獨特的思維方式和研究手段，積累了大量知識，確立了許多定律，說把生物學“還原”為物理學和化學，是沒有意義的.可是物理學研究的是物質世界普遍而基本的規律，這些規律對有機界和無機界同樣適用.物理學構成所有自然科學的理論基礎，其中包括生物學在內.物理學和生物學相互滲透，前途是不可估量的.近四、五十年在兩學科的交叉點上產生的一系列重大成就，如D、、雙螺旋結構的確定、耗散結構理論的建立等，充分證明了這一點.現在人們常說，21世紀是生命科學的世紀，這話有一定道理.不過，生命科學的長足發展，必定是在與物理學科更加密切的結合中達到的.

2物理學與技術

社會上習慣于把科學和技術聯在一起，統稱“科技”，實際上二者既有密切聯系，又有重要區別.科學解決理論問題，技術解決實際問題.科學要解決的問題，是發現自然界中確鑿的事實和現象之間的關系，并建立理論把這些事實和關系聯系起來;技術的任務則是把科學的成果應用到實際問題中去.科學主要是和未知的領域打交道，其進展，尤其是重大的突破，是難以預料的;技術是在相對成熟的領域內工作，可以作比較準確的規劃.歷史上，物理學和技術的關系有兩種模式.回顧以解決動力機械為主導的第一次工業革命，熱機的發明和使用提供了第一種模式.17世紀末葉發明了巴本鍋和蒸汽泵;18世紀末技術工人瓦特給蒸汽機增添了冷凝器、發明了活塞閥、飛輪、離心節速器等，完善了蒸汽機，使之真正成為動力.其后，蒸汽機被應用于紡織、輪船、火車;那時的熱機效率只有5一8%.1824年工程師卡諾提出他的著名定理，為提高熱機效率提供了理論依據.

到20世紀蒸汽機效率達到15%，內燃機效率達到40%，燃氣渦輪機效率達到50%.19世紀中葉科學家邁耶、亥姆霍茲、焦耳確立了能量守恒定律，物理學家開爾文、克勞修斯建立了熱力學第一、第二定律.這種模式是技術向物理提出了問題，促使物理發展了理論，反過來提高了技術，即技術~物理~技術.電氣化的進程提供了第二朽模式.從1785年建立庫侖定律，中間經過伏打、奧斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第發現電磁感應定律，基本上是物理上的探索，沒有應用的研究.此后半個多世紀，各種交、直流發電機、電動機和電報機的研究應運而生，蓬勃地發展起來.有了1862年麥克斯韋電磁理淪的建立和1888年赫茲的電磁波實驗，才導致了馬可尼和波波夫無線電的發明.當然，電氣化反過來大大促進了物理學的發展.這種模式是物理~技術~物理.本世紀以來，在物理和技術的關系中，上述兩種模式并存，相互交叉.但幾乎所有重大的新技術領域(如電子學、原子能、激光和信息技術)的創立，事前都在物理學中經過了長期的醞釀，在理論和實驗上積累了大量知識，才突然迸發出來的.沒有1909年盧瑟福的。

粒子散射實驗，就不可能有40年代以后核能的利用;只有1917年愛因斯坦提出受激發射理論，才可能有1960年第一臺激光器的誕生.當今對科學、技術，乃至社會生活各個方面都產生了巨大沖擊的高技術，莫過于電子計算機，由之而引發的信息革命被譽為第二次工業革命.整個信息技術的發生、發展，其硬件部分都是以物理學的成果為基礎的.大學都知道，1947年貝爾實驗室的巴丁、布拉頓和肖克萊發明了晶體管，標志著信息時代的開始，1962年發明了集成電路.70年代后期出現了大規模集成電路.殊不知，在此之前至少還有20年的“史前期”，在物理學中為孕育它的誕生作了大量的理淪和實驗_L的準備:1925一1926年建立了量子力學;1926年建立了費米一狄拉克統計法，得知固體中電子服從泡利不相容原理;1927年建立了布洛赫波的理論，得知在理想晶格中電子不發生散射;1928年索末菲提出能帶的猜想;1929年派爾斯提出禁帶、空穴的概念，解釋了正霍耳系數的存在;同年貝特提出了費米面的概念，直至1957年才由皮帕得測量了第一個費米面，爾后劍橋學派編制了費米面一覽表.總之，當前的第二次工業革命主要是按物理一，技術，物理的模式進行的.

3物理學的方法和科學態度

現代的物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學.物理學中有一套獲得知識、組織知識和運用知識的有效步驟和方法，其要點可概括為:1)提出命題命題一般是從新的觀測事實或實驗事實中提煉出來的，也可能是從已有原理中推演出來的.2)推測答案答案可以有不同的層次:建立唯象的物理模型;用已知原理和推測對現象作定性的解釋;根據現有理論進行邏輯推理和數學演算，以便對現象作出定量的解釋;當新事實與舊理論不符時，提出新的假說和原理去說明它，等等.3)理論預言作為一個科一學的論斷，新的理論必須提出能夠為實驗所證偽的預言.這是真、偽科學的分野.為什么說.‘證偽”而不說“證實”?因為多少個正面的事例也不能保證今后不出現反例，但一個反例就足以否定它，所以理論是不能完全被證實的.為什么要求能用實驗來證偽?假如有人宣稱:在我們中間存在著一種不可探知的外來生靈.你怎么駁倒他?對這種論斷，你既不能說它正確，又不能說它錯誤.我們只能說，因為它不能用實驗來證偽，所以不是科學的論斷.4)實驗檢驗物理學是實驗的科學，一切理論最終都要以觀測或實驗的事實為準則.

理論不是唯一的，一布、理論包含的假設愈少、愈簡潔，同時與之符合的事實愈多、愈普遍，它就愈是一個好的理論.5)修改理論當一個理論與新的實驗事實不符合，或不完全符合時，它就面臨著修改或被推翻.不過，那些經過大量事實檢驗的理論是不大會被推翻的，只是部分地被修改，或確定其成立范圍.以上步驟循環往復，構成物理學發展模式化的進程.但是物理學中的許多重大突破和發現，并不都是按照這個模式進行的，預感、直覺和頓悟往往起很大作用.此外，且探且進的摸索、大膽的猜測、偏離初衷的遭遇或巧合，也導致了不少的發現.頓悟是經驗和思考的升華，而機遇偏愛有心人，平時思想上有準備，就比較容易抓住稍縱即逝的機遇.所以科學上重大的發現不會是純粹的僥幸.科學實驗的結果，遠非盡如人愿.不管你喜歡不喜歡，實事求是的作風、老老實實的科學態度是絕對必要的.在科學研究中，一相情愿的如意算盤是行不通的，弄虛作假遲一早會暴露.

失誤任何人都難以避免，一旦發現，最聰明的辦法是勇于承認.1922年年輕的蘇聯數學家弗里德曼發表了動態宇宙模型的論文，遭到愛因斯坦的批評.次年，愛因斯坦在讀了弗里德曼誠懇的申辯信之后，公開聲明自己被說服了.據伽莫夫回憶，愛因斯坦說，這是他一生中最大的疏忽.偉大科學家這種坦蕩的襟懷，是所有人的楷模.基礎科學研究的信息資源是共享的，這里沒有秘不可及的玄機和訣要.根據公開發表的文獻，人人可以自己判斷，獨立思考.所以，在科學的王國里，直理面前人人平等.這里最少對偶像的迷信和對權威的屈從.“實踐是檢驗真理的唯一標準”這一信條，在自然科學的領域里貫徹得最堅決.實踐不是個別的實驗結果，因為那會有假象，重大的實驗事實必須經多人重復印證才被確認.自然科學的主要任務是探索未知的領域，很多事情是難以預料的.實驗的結果驗證了理論，固然可喜;與理論不符合可能預示著重大的突破，更加令人興奮，世界上建造了許多加速器，每個加速器都是針對某類現象而設計的.40多年的歷史表明，除了反核子和中間玻色子外，粒子物理中的所有重大發現都不是當初建造那個加速器的理由.高能物理學界把這看作正常現象.1984年在實驗室中發現了弱電統一理論所預言的中間玻色子后，曾一度較少發現出乎理論預料的實驗結果.人們反而說:現在最令人驚訝的，是沒有出現令人驚訝的事.這便是物理學界極富進取精神的得失觀.因為在自然科學中物理學最直接觸及自然界的基本規律，物理學家對事物是最好窮本極源的.他們在研究的過程中不斷地思考著，凡事總喜歡問個“為什么”.理論物理學家不能僅僅埋首于公式的推演，應該詢問其物理實質，從中構想出鮮明的物理圖象來;實驗物理學家不應滿足于現象和數據的記錄，或某種先進的指標，而要追究其中的物理機理.因為在自然科學中物理學研究的是自然界最普遍的規律，物理學家不應總把自己的目光和興趣局限于狹窄的本門學科，而要放眼于更廣闊的天地.人們公認，當今最有生命力的是不同學科間雜交的領域，有志的年輕物理學工作者在那里是大有作為的.

4怎樣教導學生學好物理學?

著名理論物理學家和物理教育家韋斯科夫一v.r.weisskopf)說:“科學不是死記硬背的知識、公式、名詞.科學是好奇，是不斷發現事物和不斷詢問‘為什么，為什么它是這樣的?’科學的目的是發問，問如何和問為什么.它主要是詢問的過程，而不是知識的獲得(很可惜多數人認為是后者，!畝且是這樣教的).”「，JI:，J物理教育委員會上兩屆主席焦塞姆說:“最好的老師，是讓學生知道他們自已是自己最好的老師.”教好物理學，關鍵是教思路，教方法，啟發學生勤于思考，悟物窮理，自覺地努力鍛煉自己自學的能力.鼓勵勤于思考，就要讓學生對新的概念、定義、公式中的符號和公式本身的含義，用自己的語言陳述出來.對于定理的證明、公式的推導，最好在了解了基本思路之后，讓學生自己背著書本演算出來.這樣學生才能對它們成立的條件、關鍵的步驟、推演的技巧等有深刻的理解.倡導悟物窮理，就要啟發學生多向自己提問:哪些是事實?哪些是推論?推論是怎樣得來的?我為什么相信它?……問題可以正面提，也可以反向提.過去我們在教學中經常有個口號，即“培養學生分析問題、解析問題的能力”，這固然是很重要的，但少了更重要的一條，即“提出問題的能力”.

傳大的科學家之所以偉大，往往就在這一條上.有一次記者問玻爾:“您可是那位知道科學中大部分問題答案的人?”玻爾回答說:“啊，不，不過也許我比別人多知道一點問題.”勤于思考，悟物窮理，就要讓學生建立自己的物理圖象.我們反對“題海戰術”，反對針對某類考試或題庫的應試教育.但是做題畢竟是學生學習過程中比較主動的環節，學習物理，不做習題是不行的.但做習題不在于多，而在于精.教師要引導學生，習題做完了不要對一下答案或交給老師批改就了事.自己從物理上應該想一想，答案的數量級是否對頭?所反映的物理過程是否合理?能否從別的角度判斷自己的答案是否正確?要求學生力爭能夠作到，習題要么做不出來，做出來就有充分的理由相信它是對的，即使它和書_L給的答案不一樣.老師要鼓勵學生在未被說服之前敢于和自己爭辯，直到學生真正明白錯誤之所在.萬一最后證明是老師自己錯了(這是教學過程中常有的事，至少我個人如此)，不僅要坦率承認，而且應對該生加以贊揚.好的老師最欣賞的是能指出自己錯誤的學生.我講了這么多，也許說得比較空洞，該結束了.下面請幾位老師結合自己的教學實踐介紹他們的體會和寶貴經驗.