全球视角：如何把现代物理学引入中学课堂，本文主要内容关键词为：物理学论文,视角论文,课堂论文,中学论文,全球论文，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。
一、什么是现代物理学 现代物理学是一个庞大的知识体系，其中包括微观、宏观、宇观各个方面的前沿问题，特别是标准粒子模型①及其相互作用的前端；现代宇宙学中的宇宙起源、反物质②、暗物质暗能量领域；高维空间③及超弦理论④以及复杂性系统物理问题等。简单地说，现今背景下的现代物理学要解决的是图1的各类问题。 图片来源：2014年1月拍摄于美国费米国家实验室。
图片说明：宇宙是怎么来的？存在另外的空间吗？如何在实验室制造暗物质？什么是暗物质？反物质哪里去了？中微子会告诉我们什么？为什么有那么多种基本粒子？4种力可以统一为一个基本力吗？怎样解决神秘的暗能量问题？ 2012年7月，在欧洲核子研究组织（CERN）发现了希格斯粒子，现代物理学有了一个划时代的跨越。人类在理解自然世界上进入了一个崭新阶段。 二、现代物理学为何需要从中学开始 最前沿的研究看起来和中学相隔好像实在太遥远；不过，让我们做这样一个设想：中学生还在离山脚没多高的地方慢慢爬，对山上、山顶的情况还一无所知。想想看，在带领学生爬山的过程中，由中学物理教师们为孩子们描绘山顶的瑰丽前景该会是多棒的激励！现代化全球化的信息传递，使这种激励变成可能！ 《平行宇宙》（The Elegant Universe）的作者加来道雄（Michio Kaku，世界著名物理学家、现代物理学超弦理论的奠基人），在中学时代，出于对科学瑰丽的向往和好奇，居然就装配起了一台核粒子加速器！他收集了400磅废变压器钢，在高中的足球场上绕了22英里长的铜丝。最终制造出了一台功耗2.3×
eV的电子感应加速器，目标是能制造出威力足以产生反物质的γ射线！这个举动使他获得了哈佛大学的奖学金，成就了作为一名理论物理学家、追随爱因斯坦的愿望！ 我们也常常看到重要的足球赛事，入场式上，小小球童们被球星们牵手入场，接受数万观众的欢呼。那时，在他们小小的心里，一定翻腾着成为巨星的梦想，而梦想是人生的预言！
梦想变成现实需要一个实实在在的能力培养过程。那么，哪些是在中学物理课堂需要培养的常规能力？哪些是关键能力？全球化信息化的现代社会，对人才的关键能力要求该刷新成什么样子？ 常规能力的培养，包括诸如理解能力、推理能力、综合和分析能力、运用数学到物理的能力、实验能力和科学素养等能力。关键能力，以常被提及的4C关键能力为例，包括批判性思维、有效沟通、创造创新和团队合作能力等以C为首字母的4种能力。而随着时代的发展，这些也还不够。 本作者深感对关键能力的认识必须站在时代的最前端来看，必须再次被刷新，那就是： （1）自信和激情，持续的疑惑和好奇； （2）深刻思辨和独立思想，质疑和批判精神； （3）思维碰撞融合和团队共创及现代素养； （4）对人类文明进程的关注，多元文化和国际意识，现代观念理念不断刷新的能力。 培养这些更为关键的能力，或者说刷新后的关键能力——无疑——具有最前沿、思维碰撞融合、跨文化的全球团队合作共创等特质的现代物理学，是最好的榜样。刷新学生观念的现代物理学基本概念；探索神秘世界的理念、方法和实验；团队合作和思维碰撞；全球化信息和数据共享；泛课堂上科学家们用自信和激情迎接中学生的好奇和提问。这就是把现代物理学带入中学课堂的必要性和真正魅力所在——关键能力的培养！ 三、现代物理学如何从中学开始 遥遥在最前沿，如何带给中学生，不生猛吃不消，又能润物无声，以所学经典物理知识为依托，自然而然地过渡到现代物理学的基本概念和研究方法上？建议围绕关键能力的培养，从这几个方面入手。 （一）现代物理学的基本概念 从经典物理学的概念、规律、方法，自然过渡到现代物理学基本概念。这里介绍一个由匀速圆周运动实验自然过渡到暗物质基本概念的例子。暗物质是个非常抽象的话题，其基本概念却可以通过如下具体的分团队由学生们亲自动手的实验来建立⑤。 在这个装置中（如下页图3），橡皮塞被绑在绳子的尾端，绳子穿过细塑料管，一叠金属垫圈系在绳的另一端。竖直抓住塑料管，让橡皮塞尽可能水平做圆周运动；一只别针夹在绳子上，用于保持运动过程中位置不变，这样，我们可以判断，橡皮塞在做匀速圆周运动。
这里要让学生认识到： （1）作用在橡皮塞上的力来源于垫圈的重力。 （2）越大的速度需要越大的力。 （3）环绕速度可以用来确定悬挂垫圈的质量。 一旦环绕速度和质量之间的关系建立起来，可以延伸到行星的环绕速度可以用来确定太阳的质量，星体的环绕速度可以确定星系的质量。 观察的过程可以分解得很细： （1）画出垫圈这个质点的受力示意图，并且和同伴们做比较。 （2）判断哪个受力示意图最好地代表了橡皮塞的受力？ （3）如果增加一倍的垫圈数量而保持一样的转速，预测一下，别针的位置会有什么变化？并解释。 （4）观察并解释实验现象和预测之间的差异。 （5）预测一下如果要保持别针最初的位置不变，必须改变哪些条件？并解释。 （6）观察和解释实验现象和预测之间的差异。 （7）对两套相同的装置来说，如果给其中一个悬挂两倍的垫圈，依然保持别针的位置不变，并把两只LED分别粘在橡皮塞上（目的是为了让圆周运动发亮）预测一下，会发生什么现象？ （8）观察和解释现象和预测之间的差异。 分析天文观察的过程也可以分解得很细： （1）运用牛顿的万有引力定律，第二运动定律和向心力加速度公式，推导出行星围绕太阳运动的速度表达式。
（4）你有多大的信心把对牵在绳子上的橡皮塞的运动描述拓展到星系那么大的范围？ （5）讨论关于Vera Rubin的发现。 我们可以注意到，用这种方式引出“暗物质”的基本概念，非常自然，不知不觉中，在经典物理学知识和实验的运用之下，暗物质的基本概念跃然而出。
暗物质：1967年，Vera Rubin观察到围绕仙女座星系的星体比预期的环绕速度要大。随后，物理学家们对三角座星系观察到类似的现象。这表明星系的实际质量和预测之间存在差异，这个差异是我们看不到的物质，被称为暗物质。现代物理学的研究表明，大约96%的暗物质和暗能量存在于宇宙之中。 在这个例子中，学生们持续的疑惑和好奇、团队合作和共创、动手解决问题等关键能力得到了培养。 （二）知识建构的基本理念 现代物理学提供的并不仅是知识本身，知识建构的基本理念可以反映创建最前沿知识过程中体现出的科学研究的重要方法。 这里举一个黑盒子的例子⑥，4只绳子各从上下两端伸出来，如下页图5所示。这个实验的目的在于从一组可观察的数据中创建多种不同的模型，如果每个模型都能预测出观察结果，则所有模型将均等地被接受。依据黑盒子的外部表现，学生们创造出的黑盒子里的每一个可能模型，并用铅笔纸或白板记录下来，向同伴们分享他们的创建。具体做法如下。
需要注意的是，绝不要打开黑盒子泄露秘密，因为这些模型是为了对学生的解释和预测能力做一个基本判断。 实验环节： （1）事先安排只有上部的一根绳子延伸出来，拉扯上部的另一根绳子，这根绳子也延伸出来了，进进出出多拉这两根绳子几次。确定所有的学生看清楚了这个装置。每次拉其中一根绳子，另一个就跟着进到黑盒子里。这就给学生一种感觉，上部的这两根绳子实际上就是一根。然后拉下部的两根绳子，学生会非常吃惊地看到，拉下部的绳子也会带动上部的绳子做出反应。随意地继续拉任一端绳子，让学生预测会出现什么现象。 （2）让学生们自己试，注意绳子的运动和张紧等情况，以帮助他们做出判断：究竟在黑盒子里的绳子是怎么连接起来的。 （3）安排学生们绘画出预测的内部结构图，并确保每个学生都是独立完成的。 （4）让几个学生把结构图画在黑板上。 （5）一一验证每个学生的想法，分析结构，看是否预测了绳子被拉动后的反应。如果有10个以上的结构图表现了可能正确的反应，则效率非常高。可以进一步在黑板上修正一些模型（比如，摇一摇黑盒子，看有没有声音发出？） 讨论环节： （1）科学家用模型代表或简化复杂的事实。 （2）有时候，好的模型可以好到我们忘掉它们是模型。 （3）有时事实情况复杂到一个简单模型不足以表达，如波粒二象性。 （4）从量子力学来的一个挑战是：创建在经典世界里有意义的简单模型，使之在量子世界里也有真实性。 （5）观察量子行为是困难的，所以，不管模型如何被修正，这个挑战总是存在。 在这个例子中，学生们独立、思辨的思想和表达得到了训练，也学会了现代物理学的一种基本研究方法。 （三）教学理念和方式方法 我们回头来看看第一个实验的实施过程，并体会其中的教学理念及方式方法。 首先，请注意突出亲自动手的实践趣味。在匀速圆周运动这个实验里，采用团队合作，预测、观察、解释的方式。学生们预测什么会发生，解释他们为什么那么想，观察发生了什么，解释任何和预测相矛盾的现象。 其次，实践中的有效沟通是不可缺少的环节。准备好白板，让学生写下预测、做出解释，和小组成员交流。为了帮助学生真正理解，学生们的明确表达、交流和对预测和解释的批判性意见尤为重要。 另外，请注意到，在这个实验观察过程的每一步，都回避了具体的公式、也没有对垫圈的质量进行测定，而是以一个垫圈的质量为质量单位（说明：在现代物理学里，光速被令为1，从而质量和能量、动量之间的量纲是一样的，这种处理方法也隐含着现代物理学研究方法的渗透）。整个过程没有加深，也没有补充任何复杂的内容。 需要时时注意的是，师生的一切活动，都应围绕关键能力培养而设计。在经典物理学的基础上，充分利用现代物理学中的引领元素而行。 四、国际比较 这里主要选取中、美、德等3个国家，把目前现代物理学带入中学课堂的一些情况做比较，主要包括教材课程教法、考试内容和教师培训。 （1）教材、课程和教法。关于教材，这里以美国的主流教材《物理原理与问题》⑦为例，和中国人教版普通高中课程标准试验教科书做比较。只比较粒子物理学部分。 《物理原理与问题》共30章，最后一章“核物理”的第3节为基本粒子。具体内容包括：直线加速器、同步加速器，介绍了美国斯坦福大学的直线加速器和美国费米国立实验室的同步加速器，并配以彩色插图和工作基本原理；粒子探测器，根据粒子与物质相互作用时的结果，分别介绍了底片曝光、盖革计数器、云室，并对费米实验室的对撞机探测器CDF配以彩色插图和介绍；反物质；粒子及标准模型；夸克模型及强相互作用；质能转换；弱相互作用；标准模型检验：暗物质。 人教版《物理·选修3-5》的第十九章（最后一章）第8节以较少的篇幅对粒子和宇宙做了介绍。没有以上黑体字部分的内容。 不仅如此，这类课程教学目标的达成是通过组织学生进行图书馆研究、小组合作、项目演示、海报竞赛、科学会议等一系列非传统的教学方法。同时，基于互联网资源，找出解决天体物理学问题的历史视角，讨论科学家在现代科学的作用和人类在宇宙中的位置。这样的课程提供机会让学生探讨感兴趣的话题，进行实验，培养批判性思维和沟通能力，使学生得到了暂时不只是学生，还有集科学家和教师于一身的感觉⑧。 （2）考试内容。在上述的基础上，我们来看看考试内容。以德国巴伐利亚州十二年级为例，天体物理学不仅作为选修课程，也纳入到文理中学的毕业考试。在2013年巴伐利亚州物理毕业试卷中，P12-2是宇宙学考卷部分，对应“PH12-Astrophysik”，内容涉及太阳系中的火星、恒星中的天狼星、天秤双星系、天龙座流星雨、大小麦哲伦云、半人马星座等。 （3）教师培训。美国、德国的现代物理学研究机构还根据需要对中学物理教师展开培训。加州大学伯克利分校的远紫外线天体物理中心（UC Berkeley's Center for Extreme Ultraviolet Astrophysics）与旧金山州立大学合作，提供了对中学物理教师的培训项目，其主要目的是为教师提供有关美国NASA的远紫外线探索者项目的详细信息。而经过培训的教师，则由此能很好地把相关的教学计划带入到中学之中，针对多数美国高中生不能认识到“银河”、“谱”、“星云”等意味着什么的实际情况，这样的培训显然行之有效。其培训计划从时间安排上既有周末，也有暑期；在内容上不仅针对教学新人，也专门为已有经验的教师设计，甚至还有物理课程领导者的训练项目。 五、有关建议 （1）中学物理教师在现代物理学领域的继续教育。 （2）在条件成熟的中学开设现代物理基础选修课程；配备相应的实验室和装备。 （3）教材的补充编写。包括现代物理中重要的基本概念和方法。在课程改革中，教材的编写需要前沿的科研人员和相关教育部门参与，不断更新教学内容，将“新成果”、“新发现”充实到教材中来。 （4）考试范围适当补充现代物理学内容。 （5）为极有专业潜能的学生提供更佳的发展规划，为学生提供未来的研究方向。 ①（荷兰）马丁纽斯·韦尔特曼.神奇的粒子世界[M].丁亦兵，等译.北京：科学出版社，2012. ②（英）戈登·弗雷泽.反物质[M].江向东，等译.上海：上海科技教育出版社，2005. ③（美）加来道雄.超越时空：通过平行宇宙、时间卷曲和第十维度的科学之旅[M].刘玉玺，等译.上海：上海科技教育出版社，2005. ④（美）B.格林.宇宙的琴弦[M].李泳译.长沙：湖南科学技术出版社，2002.⑤Perimeter explorations the mystery of dark matter teacher's guide[EB/OL].Canada:PI（Perimeter Institute for Theoretical Physics）http://www.perimeterinstitute.ca. ⑥Perimeter explorations the challenge of quantum reality teacher's guide[EB/OL].Canada:PI（Perimeter Institute for Theoretical Physics）http://www.perimeterinstitute.ca. ⑦Lead Author:Paul W.Zitzewitz.Physics Principles and Problems.USA:Me Graw Hill. ⑧http://cse.ssl.berkeley.edu/lessons/indiv/nellie/astrophysics.html.
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