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教学——新课标下要凸显近代物理学的思想教育价值
作者:何海明 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2011/4/21 11:02:07 | 【字体:

高中物理新课标将中学物理教学提升到了一个新的层次,从过去的以承传知识为主转变为对学生科学素质的培养,从对学生应试能力的训练转变为对学生人本的关怀,这是物理教学的正常回归。所以,物理教师也要与时俱进,转变观念,重视物理学科内的思想教育。物理学是科学文化的载体,也是一部自然辩证法。近代物理的每项重大发现的故事背后,都蕴含着科学家的思维方式、人文精神和价值取向,闪烁着唯物主义的辩证智慧。物理学科的这些特点,决定了物理思想教育是物理教学的整体有机组成部分。高中学生处于思维转型时期,正在形成人生世界观,他们的思维形式逐渐从形式逻辑思维转向更高一层的辩证逻辑思维。物理老师有责任帮助处于转折时期的高中学生获得科学的思想方法,树立起正确的世界观,这将是学生内在相对稳定的因素,会给学生带来终生的影响。所以,我们要大力宣传物理学的思想精华,设法在学生身上植入物理文化基因,促进他们健康成长。高中近代物理蕴含许多具有思想教育价值的素材,值得我们去开发利用。

1、实事求是是科学的根本

物理学是以实验为基础的自然科学,实验是检验真理的标准。所以,实事求是,尊重客观事实是物理文化的价值核心。物理老师要把这一思想植根到学生身上。人类的视野总是在不断地拓展,新的现象被不断地发现。面对新的物理现象,当原有的物理理论无法解释时,是抱残守缺还是继续创新?是视而不见还是面对现实?每当面临这样的选择时,科学家唯有实事求是,依据客观事实,才能找到正确的新理论,这方面近代物理为我们提供了很多范例。

当光的波动性获得巨大成功时,光又显示出另一种新奇的现象,勒纳德和汤姆生发现照射到金属表面的光,能使金属中的电子从表面逸出,产生光电效应,光的波动说无法解释这一现象,旧理论遇到了巨大的困难。新的现象表明人们对光的认识还有未知的一面。爱因斯坦尊重实验事实,并且透过现象敏锐地觉察到问题的本质,把普朗克的热辐射能量子思想迁移到光辐射,承认光不是无限连续的波动,而是一份一份的能量包,是光子,光电效应得到了完美的解释。人们只有尊重客观事实,才能从事物的不同表象察知事物的本质,逐渐完善对物质世界的认识。

汤姆生发现了电子,最有权威描绘原子内部的蓝图,但他的布丁蛋糕模型不久被自己的学生卢瑟福α粒子大角散射实验所推翻,说明科学理论不讲权威,要经得起实验的检验。卢瑟福的原子核式结构模型也不是完美无瑕的,它和经典电磁辐射理论相冲突,按照经典电磁理论,轨道电子由于电磁辐射最终会掉进原子核内,但实际并不如此,因为如果电子真的都掉进了原子核内,原子不存在了,世界将是另外一种形式。这回是卢瑟福的学生玻尔解决了这个难题。玻尔的智慧在于承认电子没有掉到原子核上这样一个事实,电子做轨道运动是稳定的,在此基础上提出了定态和量子化假说,玻尔理论与氢原子光谱实验完美符合,表明玻尔的原子模更接近真理。让我们看到科学是一个承传、扬弃、创新的过程,科学的过程是一个不断求真的过程。

事物的存在总有它的道理,我们必须尊重它,人们无法解释其现象是因为旧有理论的局限。我们要向自然学习,寻找客观现象背后的真正原因。只有这样,科学理论才会日臻完善,从较低的层次上升到较高的层次。

2、世界是对立统一的

对立统一是世界上一切事物的基本关系和存在方式,也是最基本的辩证思维法则。高中物理随处可见对立与统一的例子

1波动性和粒子性的对立统一:波动现象往往表现出连续性,粒子运动往往表现出离散性,它们是互相对立的。光具有这样二种特性,少量光子表现出粒子性,传播是随机的,大量光子表现出波动性,传播是确定的。对光的认识正是在这样二种对立的观点冲突中逐渐完善和深化,最终在量子观的层次上,光以概率波的形式和谐地统一了波粒二象性这对矛盾。

2斥力和引力的对立统一:核子间相互既有引力又有斥力,从表面上看似乎矛盾,因为不符合人们的一般生活经验,例如宏观电磁作用,不是引力即为斥力。但仔细分析对核子来讲同时存在斥力和引力其实是合理的,如果核力是单一的,核子便不可能存在,因为失去了对立面,矛盾的另一方也将不复存在,世界是矛盾对立的平衡。

3虚和实的对立统一:实物粒子湮没后会转化成一对γ光子,γ光子经过原子核附近也会转化为正负电子对,虚和实是对立统一的。旧的对立统一关系破裂,新的对立统一关系形成,从而产生新的物质。

4质量和能量的对立统一:从经典物理看,质量体现了物体的惯性,能量是物质运动形式变化中的不变量,二者有不同的属性,似乎不相关。爱因斯坦质能方程 告诉我们,能量和质量仅相差一个常量,质量和能量是物质存在的二种不同形式,质量守恒也就能量守恒,他们是统一的。

对立统一关系是一种客观存在,也是一种思想方法,这种方法适用于我们对于物质世界的研究。横看成岭侧成峰,远近高低各不同。因为我们从不同的角度去观察事物,可能会看到截然不同的结果,有时甚至是相互对立的,其实对立的双方往往是互补的。我们只有了解了矛盾着的事物的各个方面,才能把握事物的整体,知道其本质。事实上,对立互补统一思想我国早在两千多年前的就已诞生了,《易传》上说:一阴一阳之谓道,就指出了事物是互补互动的,二者缺一不可。太极黑白双鱼图,形象生动地诠释了这样一种思想。

3、任何事物总是相对的

1)物理现象是相对的。我们知道机械运动具有相对性,同一对象在不同的参照系下来描述,结果不相同。一辆匀速行驶的车内观察者看到物体做自由落体运动,站在地上的观察者看到的是平抛运动。同样一个点电荷,静止时观察到电荷周围有电场,运动时观察到电荷周围还有磁场,而加速运动时电荷会辐射电磁波。光的波动性和粒子性也是相对的,同样取决于我们怎样去观察。观察光在传播时遇到与波长相近的障碍物时,光产生明显的衍射现象,表现出光具有波动性,观察光和物质相互作用,产生光电效应,产生康普顿散射现象,表现出光具有粒子性。这说明物理现象与观察方法有关系。

2)物理概念是相对的。人们的认识总是由表及里逐渐深化的,物理概念同样是在不断地完善发展的。如对质量的认识,经历了以下几个层次,先是来自生活经验的认识,质量指物体含有物质的多少。但到了牛顿那里,质量是指物体的惯性,是物体间万有引力的来源。爱因斯坦则告诉我们,物质的能量和质量成正比,都是物质存在的表现形式。质量和能量的差异,在于我们关注物质的角度不同、测量的方法不同而已。对原子的认识经历了同样的发展过程,从古人的朴素思辨,经典机械微粒说到近代意义上的道尔顿分子观念。在近代,对原子的认识又经历了汤姆生原子模型、卢瑟福核式结构模型、玻尔量子化模型……,它们都是人们在认识微观世界不同层次上的相对真理,在否定与肯定的交替过程中逐渐逼近真理。

3)物理规律是相对的。世上没有任何绝对的东西,稳定不变是相对的,运动变化才是绝对的。唯物辩证法认为,世界一切事物既包含相对的方面,即有条件的、特殊的、有限的方面,又包含有绝对方面,即无条件的、普遍的、无限的方面。相对和绝对是辩证统一的。物理规律也是如此。宏观可以被分解为微观,微观也可以组合成宏观,但它们的关系不是简单的机械分割与组合,量的变化会导致质的变化。宏观低速条件下的牛顿运动定律不能推广到微观粒子,同样从微观粒子得出的规律也不能随意用于宏观物体。光具有波粒二象性,德布罗意把光的波粒二象性推广到所有微观实物粒子,电子的波动性最终被实验所证实。波是一种运动形式,微观粒子的波粒二象性反证了微观粒子的运动是永不停息的。根据德布罗意波长公式 ,对一枚宏观子弹来说,式中的动量指什么?如果理解为经典意义下的子弹动量,会得出静止的子弹波长无限大的荒谬结果。所以,我们不能机械地认为宏观物体的确定性、非波动性是微观粒子波粒二象性的极限。

4、必然性寓于偶然之中

物理学上的许多重大发现,看似不经意的偶然事件,其实也是必然的结果。科学的发现是承前启后的,也离不开一定的物质技术平台。这里有客观的必然性,近代科学的重大发现离不开玻璃吹制技,真空抽气技术,有了这些技术,科学家才有可能研究稀薄气体放电现象,发现阴极射线,进而发现X射线和电子。电子的发现揭开了原子可分的序幕,X射线的发现,给物理实验提供了新的探测方法,随之带来一系列重大发现,从康普顿散射现象到后来的X射线衍射法发现DNA的双螺旋结构。科学发现还有主观的必然性,不难发现,一些成就斐然的科学家都立足于自身的专业特长,确定了目标就锲而不舍,守着一个课题几十年如一日。汤姆逊擅长研究阴极射线,自然而然发现了电子。卢瑟福擅长研究天然放射线,才会想到用α射线轰击原子核,探测微观世界的内部结构,发现原子的核式结构和质子。贝克勒尔发现天然放射性现象,看似偶然,实则是必然。偶然发现的桂冠总是落到那些目光敏锐眼、善于细心求证的科学家头上。科学发现也离不开超前的思想理念,查德威克有幸发现中子,受益于老师卢瑟福对中子的科学预见。反之,另一些科学家与重大发现失之交臂,主观上是受陈旧观念的束缚,缺乏思想准备。正如法国著名的化学家巴斯德所说,机遇偏爱那些头脑有准备的人!”

唯物辩证法告诉我们,必然性寓于偶然性之中,并通过偶然性表现出来,只要人们善于抓住机遇,在长期的研究实践中摆脱旧的思维定式,必然能找到本质的东西。

5、感受物理之美

求美是人之向往,学生只有感受到物理之美,才会对物理产生真正的兴趣,百读而不厌。物理美主要体现在人文美和科学美,人文美体现在科学家的人格美,这是物理美的灵魂。科学家正直的人格、坚强的意志、高尚的情感、坚定的信念都给学生以美的感受,是学生学习的楷模。居里夫人长期无畏地研究强放射性物质,直至最后把生命贡献给了这门科学,便是一个生动的例子。核子武器这一魔鬼自从潘多拉盒子中跳出之后,给人类生存带来了巨大威胁,爱因斯坦便痛心地说,当初致信罗斯福提议研制核武器,是我一生中最大的错误和遗憾。他甚至懊悔当初从事的科研,早知如此,我宁可当个修表匠。 晚年的爱因斯坦始终反对核武器,致力推进核能的和平应用。卢瑟福从小家境贫寒,通过自己的刻苦努力,完成了学业。艰苦的求学经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不回勇往直前的精神。后来学生为他起了一个外号——鳄鱼,并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室门口。因为鳄鱼从不回头,不断前进。卢瑟福还重视培养新人,在他的助手和学生中,先后有12人荣获诺贝尔奖。玻尔则以崇高的威望在自己周围吸引了国内外一大批杰出的青年才俊,创建了哥本哈根学派。曾经有人问玻尔:你是怎么把那么多有才华的青年人团结在身边的?他回答说:因为我不怕在年青人面前承认自己知识的不足,不怕承认自己是傻瓜。伟人们的人格魅力和科学成就总是相得益彰。

科学美有实验美、理论美和数学美三个方面。实验有形式上的设计美、方法美、现象美。光的干涉、衍射现象一般用投影方式观看,观赏效果不是很好。采用自制双缝、单缝观察片,让学生直接对着光源目视,美丽的干涉、衍射花样会给学生留下难忘的记忆。实验室稀薄气体放电管发出绚丽的光辉,给我们带来愉悦的同时也捎来了原子内部的信息。物理老师有责任为学生提供丰富多彩的实验美,借此激起学生的求知欲望。

理论美表现为理论公式的简洁、和谐和统一。德布罗意公式统一了微观粒子的波动性和粒子性,玻尔的对应原理统一了量子化的离散性和经典的连续性,爱因斯坦质能方程以简洁的形式统一了质量与能量。物理美的本质在于反映了自然之美,物理老师要引领学生从内心去感受领悟

通过近代物理教学,我们要让学生树立起这样一种信念,我们所处的自然界是美的,存在着简单、对称、和谐之美。所以,研究物质世界运动的物理学也蕴涵着美。求美和求真是统一的,我们培养学生的审美力实质是为了让学生获得开启真理宝库的符咒:芝麻,开门!,进而实现原天地之美,而达万物之理

 

 
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