前沿物理教学与新课程改革，本文主要内容关键词为：新课程改革论文,物理教学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
众所周知，近、现代物理学革命带来了科学图景的巨大变革：相对论打破了经典力学的绝对时空观，量子力学打破了可控测量过程的梦想，混沌粉碎了拉普拉斯的机械决定论……。无论从外延还是从内涵上看，当今物理均处于较高地位，从经典物理不能线性导出当今物理。这其间的范式转换，不仅涉及具体科学知识的变化，更主要的体现在基本思想、基本观念的变革。
科学范式的转换对教育提出了新的要求。自20世纪60年代起，许多国家不约而同地将视线投向科学教育领域，尝试进行改革。其中，“美国PSSC课程、HPP课程、澳大利亚科学教育计划、英国纳菲尔德课程”等做出了卓有成效的探索，产生了深远影响。
一、前沿物理的教育功能
各发达国家的科学教育改革均重视前沿科学，其重点也正落实在教学内容的现代化上。如美国物理教师协会（AAPT）在1988年发表《中学物理课程内容》的报告中就指出：“应当让中学生体验到物理学是一门发展中的科学，是现代前沿科学中最为激励人心的学科之一”。
作为对国际科学教育改革的积极回应与推动，我国新一轮课改适当加大了前沿物理知识的比重，在确保基础性的前提下，对教学内容进行了一定的扬弃。新增内容的教学要求虽不高，却有助于弥补物理教学长期存在的不足。
1.激发兴趣，促进学生终身学习
科学是具有内在价值和工具价值的统一体，应当指向学生的技术兴趣与解放兴趣。认知兴趣有三种：技术兴趣（technical interest）、实践兴趣（practical interest）与解放兴趣（emancipatory interest）。技术兴趣指向外在目标，把环境当做客体，其核心是“控制”；实践兴趣指向行为自身的目的，强调理解环境以便能与环境相互作用，其核心是“理解”；解放兴趣是最基本、最“纯粹”的兴趣，它整合了自主和责任，其核心是“自我反思”。哈贝马斯（J.Habermas）认为，在经验—分析学科（主要是自然科学）中体现的是技术兴趣，在历史—解释学科（主要是人文科学）中体现的是实践兴趣。但两种兴趣都必须与最基本的解放兴趣相联系，只有这样，“才能作为指导认识的兴趣而不被误解，换言之，才不致陷入心理主义化和新客观主义化”。
如果说经典物理学更多地表现为一种控制逻辑，体现了“知识即工具”理念的话，那么前沿科学研究特别是纯科学研究，则还能体现科学活动的反思向度。如人择原理、大统一理论，目前很难说有怎样的工具价值，但作为科学家对科学应然状态的一种自觉反思，这些理论的内在价值就是毋庸置疑的。将前沿物理知识渗透于教学中，让学生多了解物理学日新月异、激动人心的变化，往往能够激发他们的认知兴趣，引起内心深处的探究欲望，促进学生终身学习。
2.了解科学发现的本来面目，引导学生立志创新、献身科学
我们在教学中一味强调科学家是“发现”而非“发明”了科学真理，就好像真理是先验的、与人无关的存在，就算不被此科学家发现，也必然会被彼科学家发现一样。“先验论”歪曲了科学发现的真实过程，严重贬低了科学家的创新，更为严重的是，似乎还容易使学生滋生惰性，产生对文本及教师的盲信盲从和过度依赖，丧失其在科学中实现自我的使命感。
科学发现真的与人无关吗？1997年美国出版了资深科学记者约翰·霍根（J.Horgan）撰写的《科学的终结》一书，作者在访问了许多知名学者之后就断言：科学（尤其是纯科学）已经终结，伟大而又激动人心的科学发现时代已一去不复返了，一切自然科学都到了散场的地步。
这种说法着实能迷惑立志于以科学为事业的青年。然而，科学真的终结了吗？考察一下物理学史就可以知道，这种说法是经不住推敲的。类似的言论在历史上至少出现过两次：古希腊原子论者就曾满怀信心的自以为洞悉了一切奥秘；20世纪初物理学家迈克尔逊也曾认为除了“两朵乌云”外，科学大厦即将完成，“物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索”（1898年芝加哥大学导学手册）。但结果如何呢？科学始终向前，而这些言论早已变成笑柄。
近、现代物理学源于对“两朵乌云”的再发现，类似地，今天的物理学也面临四个疑问：对称性破缺，看不见的夸克、类星体问题和暗物质之迷。对此，诺贝尔物理学奖获得者、著名华裔物理学家李政道认为，21世纪的物理学可能会在一些基本问题上得到突破：激发真空；微观和宏观物理的结合；模拟宇宙大爆炸之初的状态；了解暗物质，了解类星体的能源，了解CP不对称的原理等。与以往相比，当今物理学要研究的问题不是变少了，而是变多了。哥德尔不完备定理证明人类不可能穷尽所有未知，科学研究就像一个画圆的过程：圆越大，接触到的空白区域也就越大。
由此看来，所有“科学终结说”的宣言或预言均只是人为的虚妄，因此不能让学生耽于神话，由此滋生惰性，不思进取。前沿物理体现了对前人的质疑与超越，在本质上是一种前喻文化。有意识地将其渗透于教学中，既可以让学生了解科学发展的本来面目，也有利于打破后喻文化的禁锢，帮助学生认识到，物理学远未达臻完美，尚有许多未知在等着他们去发现、去创新。物理学仍然大有可为，物理学是值得他们献身的事业。
3.开阔视野，帮助学生形成合理的科学观
纵观当前发达国家的科学教育改革，纯粹的“精英”教育已广受诟病，“科学为大众（science for all）”的口号逐渐深入人心。面向全体学生，让他们深入了解科学以形成合理的科学观，才真正是国际科学教育改革的基石。
以往的教育发展的主要是实证主义科学观。实证主义经历了三代：孔德实证主义、马赫主义、逻辑实证主义。这三种形态虽有区别，但都认为科学是最高的、绝对的真理。科学定律是跨越时空、永远正确的普遍法则，而获得知识的唯一途径就是经验实证与归纳。近、现代科学的发展，特别是相对论与量子理论的提出。使西方的科学观发生了很大变化，机械的、实证的科学观受到了普遍怀疑，涌现出一些新的科学观。主要有：
（1）否认科学发展的累积性，认为科学中主要的进展是革命性的，是科学范式或元叙述的转换过程（如库恩）；
（2）否认科学的客观性，认为科学的结论具有猜测性，科学是一种猜想加反驳的动态认识过程（如波普尔、卡尔纳普等）；
（3）否认真理的永恒性，认为科学研究是一种“纲领性文件”，其合理性只是暂时的（如拉卡托斯）；
（4）否认科学的确定性，认为观察未必可靠，所谓观察到的事实是观察者和他的仪器创造的（如托马斯）；
（5）否认科学的价值中立性，认为科学与意识形态一样，也是一种支配性话语（如韦伯、福柯等）；
（6）否认科学的绝对意义，认为科学是各种精神活动的一种汇集，是受过教育的人的一种习惯（如威尔逊）。
这些科学观均将科学视为一种文化，力图说明科学文化的相对性、可变性、价值负载性与进化过程的革命性。它们固然也需质疑，但正如英国著名科学史专家贝尔纳（J.D.Bernald）所说：“科学是不能用一个定义来把握的”，新观点的出现为我们认识科学提供了不同的视角。
既然对科学有多重阐释，科学教育也就不能以偏概全，以单维度的实证科学观来代替全面、立体的科学观。物理前沿知识中有大量说明科学相对性、不确定性的事例，将其渗透于教学中，能够使学生开阔视野，启迪他们质疑旧的科学观，逐渐形成具有现代意蕴的科学观。
4.潜移默化，帮助学生养成科学精神
科学精神是科学的精髓，如何通过教育帮助学生养成科学精神，则是科学元勘（science studies）要探讨的问题。科学元勘是一门综合学科，包括科学史、科学哲学和科学社会学等。目前在国际上逐渐流行的HPS科学教育（即history-philosophy-sociology of science）即可看做是其在教育中的具体化。物理学前沿在中学教学中的渗透，既符合HPS教育的内在理念，又是该模式的有益补充。其表现在：
（1）前沿物理教育本身也是一种科学史教育。目前科学史的教育功能逐渐得到一线教师的认同，涉及科学史的教育也越来越受到重视。近、现代物理学带来了科学图景的巨变，它在物理学史中也应有重要的地位。将近、现代物理学发展中的相关人物、事件告诉学生，这就是一种科学史教育，有利于学生科学精神的养成。
（2）将物理学前沿知识渗透于教学中，实际上也是一种哲学教育。物理学与哲学存在高度的正相关，彼此构成对方发展的背景，这一点在近、现代尤其突出：一方面，哲学观点促成了某些现代物理理论的创立。如相对论的提出具有明显的唯理论色彩；量子论的成功可归属于实证论；当今物理学所追求的超对称、大统一，则显示了对和谐的追求……。另一方面，物理学的发展也大大丰富了当代哲学。相对论、量子论引发了认识论和哲学领域的变革；混沌理论所涉及的不确定性、非线性、耗散结构、自组织等概念也形成了相应思潮，开始深远地改变着传统哲学思想。对此，海森堡曾一针见血地指出：“无论是谁，如果他没有相当丰富的当代物理学知识，就不能理解哲学”。
（3）将物理学前沿知识渗透于教学中，还能够帮助学生“生态”地把握科学的社会功能。科学发展到今天，其负面影响逐渐显露：生态恶化、能源危机、贫富差异等问题尚未解决，恐怖主义又在本世纪初给全人类带来新的阴霾，但瑕不掩瑜，不能只看负面而消极悲观，更不能将其全盘否定。“解铃还须系铃人”，这些消极影响仍要靠科学本身来解决，同时还需关注掌握科学技术的“人”。就这一点来看，科学教育应当发挥重要作用。
爱因斯坦把科学家分为终极关怀型、功利型和智力愉悦型，其中唯有前者才能持久探索世界奥秘。终极关怀型科学家不仅是科学事业的推动者，同时也是人类命运的积极关注者，堪称整个人类的楷模。近、现代诞生了众多终极关怀型科学家，其中有爱因斯坦本人、居里夫人、普朗克、玻尔和杨振宁等。在教学中多介绍他们的工作，能够给学生树立榜样，以之为师，与之为友，在潜移默化中渗透了价值关怀，帮助学生“生态”地把握科学。
5.有利于明辨是非，抵制迷信
科学教育的目的是提高公众（特别是青少年）的科学素养。中国科协公布的“2003年中国公众科学素养调查”显示，在我国具备基本科学素养的公众比例偏低（仅为1.98％）。与之形成鲜明对照的则是大量国人相信迷信，其中，20.4％的人相信“求签”；26.6％的人相信“相面”；22.3％的人相信“周公解梦”；14.7％的人相信“星座预测”……。由此看来，如何帮助学生分辨科学与非科学、伪科学，如何帮助他们远离迷信，已经成为科学教育中亟待引起重视的问题。
众所周知，科学与非科学、伪科学的主要区别在于，科学能够提供可靠的、可重复的证据，而非科学、伪科学则不能。随着时代的发展，形形色色的非科学、伪科学也“与时俱进”，开始披上科学外衣行骗，其“证据”往往颇具迷惑性，有的似乎还颇为“可信”。如在西方学界引起广泛争议的“冷融合”“生命能”“超科学”问题，以及在我国沸沸扬扬数十年的“水变油”闹剧，都甚至愚弄了某些知名科学家。更为可笑的是，近、现代竟然还有人试图为“鬼魂说”提供理论包装，他们宜称：所谓的鬼魂就是生物粒子场，是一种电磁波。当载有信息的生物粒子发生生物电谐振，就能够形成声、像，并可观察其运动。如著名博物学家华莱士（A.R.Wallace）就曾被摄影师玩弄的小花招所蒙骗，认为照片背景中出现的美丽女郎是一个鬼魂；前英国皇家学会主席克鲁克斯（W.Crookes）也曾受过欺骗，产生过类似的迷信。
科学发展的过程就是一个逐渐“去魅”的过程，是辩驳形形色色的非科学、伪科学，与迷信做斗争的过程。举例说明：如果说在牛顿力学体系中上帝还有必要作为“第一推动者”存在的话，那么用更为宽广的视野来重新审视，上帝就失去了存在的必要。这是因为在广义相对论背景下，时空区域的奇点不可避免，而宇宙正是起源于初始奇点的大爆炸。由此看来，科学前沿部分实际上内隐了某些将科学从非科学、伪科学中分辨出来的衡量基准。适当地融前沿知识于物理教学中，有利于学生掌握这些判据，自觉抵制迷信活动。
6.有利于开发物理课程的隐性功能，使其不仅“求真”，同时“求美”“求善”
科学求“真”，但科学对真理的追求往往也是对“美”和“善”的追求。因此，物理课程也就有相应的拓展功能，可作为隐性课程（hidden curriculum）存在。这一点在物理前沿教学中很明显，将物理学前沿知识融入物理课堂中，可使学生在学习具体物理知识的同时进行“附带学习”，自然而然地渗透了美育与德育。
物理学前沿领域既变革了对“美”的传统看法，它本身又蕴含着大量深邃、内洽的美。如弱相互作用下宇称不守恒的发现使人们反思以往的审美观，在今天，“对称中存在破缺”已经成为一条基本的美学原则。物理之美可以是抽象的：如狭义相对论的数学基础是四维连续时空概念，广义相对论建立在黎曼几何的基础上；量子力学概念的数学基础是希尔伯特空间；非阿贝尔规范物理理论建立在纤维丛几何上。这些数学相当抽象却又非常美丽。物理之美也可以是直观的：通过计算机对微观世界、分形理论的模拟研究形成了大量的绘制图，这些图形本身就具有很高的美学价值。将这些物理之美呈现于教学中，能帮助审美主体去发现美，鉴赏美，进而热爱美，追求美。
物理学前沿对“善”的追求具体体现在科学家的价值追求上。这种价值追求本身也是美的，将这种美融入教学中，也就提供了德育的契机。如爱因斯坦放弃就任以色列总统的机会，因为对他来说，“方程对我而言更重要些。政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西。”当代伟大的理论物理学家霍金几乎全身瘫痪，却无妨他继续投身于钟爱的科学事业……。
二、开展前沿物理教学的几点建议
从事一线教学工作的物理教师应当关注、追踪物理学前沿知识的动态发展。这既有利于教学，也有利于自己的专业发展。现针对前沿物理教学提出几点建议：
1.教师要更新观念，要把对前沿物理知识的关注上升到提高基本素养、履行基本义务的高度
有些教师不愿意接触前沿知识，认为与教学无关，这种认识是不对的。须知，教师的魅力最终要体现在学术魅力上，体现在对所教学科的洞察力上。传统的观点是：要给学生一杯水，自己应有一桶水。现代知识论则提出了更高的要求，教师所拥有的必须是一条小溪，一条小河，一条能常流常新、敢于不断否定自己、更新自己的小河。
新课程要求教师有多元的知识结构。而对科学前沿的关注、跟踪，一方面可以帮助教师形成宽广而深厚的知识视野，从容应对“信息危机”与学生的“信任危机”；另一方面，当代教育学理论也借鉴了物理学的发展成果，教师对前沿知识的敏感性，往往可以帮助其将新的教育理论内化到教学中。如多尔的《后现代课程观》就大量运用了诸如自组织、普利高津耗散结构、混沌等物理学前沿知识，不了解这些术语所蕴涵的物理思想，理解多尔的课程观就无从谈起。
有鉴于此，教师要争取参加学术交流的机会，有关教育部门应给予支持。现代社会是一个开放的社会，教育事业也不能“闭门造车”。在知识经济时代，教师的专业发展需要知识、技能的不断更新。因此，教师也是一名学习者，参加学术交流不仅是教师的权利，更是教师的义务。学术交流往往是学术前沿动态的“集大成”，反映了本学科发展的方向及与其他学科的交叉，参加学术交流，能够拓宽教师知识的深度和广度。又由于日常工作的繁重，教师不可能随时跟踪学术动态，参加学术交流可说是一条捷径。
2.教师要用现代物理思想去重新衡量、组织传统知识，“高屋建瓴”地进行教学
现代物理中的某些基本观念与经典物理相比发生了根本性的变化，这在物理教学中应体现出来。举例说明，传统教学认为只要满足零电阻效应（ρ=0）的材料就是超导体，而在零电阻效应发现20多年后，人们又发现了超导体的迈斯纳效应（B=0）。因此，衡量一种材料是否是超导体，必须看是否同时具备零电阻效应和迈斯纳效应，而仅仅满足零电阻效应只能称为理想导体；又如对真空的认识：在经典物理学的观念中，真空是一无所有的空间，而现代物理从更细微的尺度（≤10[-13]cm）或更高能量上（≥1GeV）进行考察，得出真空实际就是量子场的基态，存在真空涨落和真空极化等效应，这些效应对库仑定律、原子光谱等都有影响；再如在受迫阻尼运动中，描述单摆的动力学方程已经不再是线性方程，其运动反映出混沌现象的某些基本特征……。这样的例子还有很多。教师应当用现代物理学的新思想、新方法衡量传统教学内容，在确保科学性的前提下对其重新解读，并反思日常教学中的做法。比如，讲授是否太过绝对、太过确定、太过线性？有没有为学生留有再认识、再理解的空间？在引入前沿知识时，有没有考虑到学生的认知因素和“最近发展区”的影响？……物理教学应开阔而非僵化学生的思维，这一点物理教师应谨记。
3.在教学中要大胆应用，更要把握好“量”与“度”
有的教师可能认为前沿知识太难，担心学生不能接受。这种担心其实是没有必要的。布鲁纳针对微积分能否被教给六岁儿童的质疑，指出儿童接受的是“儿童的微积分”而非“成人的微积分”，并进而提出课程的螺旋结构，为我们进行前沿知识的教学提供了依据。对于前沿知识的教学，在“量”上应遵循“少而精”的原则，以能体现物理学新思想、新方法的内容为主，在“度”的把握上应以介绍和渗透为主，注重的是思想、方法的熏陶而非繁杂的公式推导。教学中应避免大量新现象、新知识的简单罗列，否则，物理就会变成有“物”无“理”。
前沿知识教学的关键在于如何使学生进行“有意义”的学习。所谓“有意义”的学习，是将未知的外部世界与已知的内部世界相联系；将未知融入已知中的认知过程。这种联系和融合越清晰，学习就越成功。现代物理是在经典物理基础上的继承、修正和超越，二者并非绝对对立，在教学上也不能割裂开来。在中学阶段，应当多考虑如何在经典物理教学的整体背景中进行前沿知识的教学，换言之，应当多考虑前沿知识在经典物理教学中的渗透。有许多教学情境能够体现这种渗透，如在讲光的“微粒说”“波动说”时，由于两者都有具体的实验依据，难免给学生造成思维的冲突，而这种冲突正体现了现代物理对经典物理的质疑与超越，也反映了科学源于问题的本质。合理地设计教学，一方面为学生进一步理解“波粒二象性”做好了铺垫，更重要的是破除了传统认识论中“二元”的、非此即彼的思想，有利于学生辩证思维的养成。又如从前的教材没有“熵”这一概念，在新课程中若直接引入“dS=（dQ/T）”显然是不适宜的，也是毫无意义的，重点应放在从热力学第二定律出发，定性说明“熵”的意义——反映系统的无序程度。除此以外，更要说明“熵”不仅可以用于热力学，也广泛地应用于经济学、信息论、生命科学等。总之，应结合已学和在学的知识，将现代物理的思想与方法渗透于日常教学中。
4.前沿物理知识的教学可以是灵活的、开放的
一方面，新课程改革加大了物理教学与生活的联系，如要求学生“初步了解家用电脑的组成“了解激光技术在医学中的应用”等，这为现代物理知识在教学中的渗透提供了有意义的活动素材，提示我们前沿知识的教学可以采用更为灵活的方式：另一方面，现在出版了许多关于前沿知识的科普读物，如《图说相对论》《时间简史》《从哈勃看宇宙》等，这些读物大量运用了图片，语言生动有趣，在保证科学性的同时，很好地兼顾了可读性，可作为日常教学有益的补充。
物理学前沿知识可以用于探究（inquiry），但其风格更接近于科学研究（research），因此，有条件的学校应当尝试开展“科学见习”。“科学见习是指学生以直接参与科学家的科学研究的方式而开展的学习活动”。What is Physics？Physics is what physicist do！（什么是物理学？物理学就是物理学家在做的工作）。科学家的工作不止包括科学知识和科学方法，更有未被显化的科学经验与技巧。这些经验与技巧属于“缄默知识”（tacit knowledge），具有“非逻辑性”“非公共性”和“非批判性”的特点，难以通过“符号化”而得以大规模传播，往往不可“言传”，只可“身教”。想要习得这些经验、技巧，最好采取一种“认知学徒制”的模式，让学生通过对科学家的直接观察、模仿，在实践中进行学习。从这个角度看，科学见习是最贴近真实科学的科学教育。在科学见习中，学生成为科学研究共同体的一员，通过与科学家的交往，了解科学发现的本来面目，在过程中产生“高峰体验”，促进其献身科学事业的内在动机。可以为中学生提供以下三种形式的科学见习活动：设立科学见习营；开展现场见习；让学生与科学家共同参与某种研究项目。
长期对前沿物理教学的相对忽略，导致了科学教育的“片断化”。物理教育成了物理“断代史”的教育，使学生只知物理学的昨天，不知物理学的今天，不见物理学的明天。物理学前沿作为物理学中最有活力的部分，将其渗透于教学中，不仅是需要的，而且是必需的，它有利于学生的发展，也有利于教师的发展，这也反映了新课程改革的理念