浅议高中物理内容的更新

2019-08-20 15:10

摘自:《中国物理》

20 世纪以来,新科学技术以前所未有的速度出现。为了使高中毕业生具有更高的科学素质,以适应下一世纪技术化社会的生活,高级中学的科学课程设置必须调整,教学内容必须更新。由于教育作为一种社会活动具有巨大的惯性,这种变更应该是逐步的、渐进的,课程的调整更是这样,因此本文只在物理课程的框架之内谈一谈教学内容更新的问题。

一、必要性

物理学是研究物质结构和运动规律的一门科学,在几门基础科学中,它的研究对象最基本,研究方法也相当成熟。近年来的所有新兴学科,无一不是大量利用了物理学的研究成果和研究方法。至于新技术成果,从整体说来,物理学的含量也是最高的。因此,在高中的科学教育中,为了体现新科学技术的发展,物理课程要承载很大负荷。一方面,物理课程要增加新的内容,另一方面,人的大脑,作为智力发展的物质基础,其生理结构不会在短期内有明显的进化,同时,学生在校学习的时间也不可能过长。这些条件要求我们必须放弃一些传统教学内容,并下决心采取有力措施降低另一些传统内容的教学要求。

二、原则

放弃什么?增加什么?放弃陈旧的、用处较小的内容,增加较新的、用处较大的内容。

我们可能会想,今天,写入大、中学校教科书的物理学知识都是经过实践检验的,有用的。这话不错。但是,知识是否陈旧不完全决定于它出现的年代,而主要看它在今天的科学技术中是否还有足够的活力。同样,用处大小也不完全看它在技术中使用的频率。在教育中,知识的用处表现在以下三个方面: 1 .知识在实际问题中的直接应用; 2 .知识在理论体系中的地位,或说它对于继续学习的作用; 3 .知识在科学方法、科学觉悟、科学态度等方面的教育功能。

知识是人们对于客观世界的认识,不同知识所反映的认识深度并不相同。有的知识讲的是“是什么”,另一些知识讲的则是“为什么”。例如,在力学中,运动学用来描述质点的运动,它解决的是“是什么”的问题,而动力学指出,质点产生加速度的原因是力的作用,回答的是“为什么”的问题。在这个意义上,知识可以分为高低不同的等级。高级知识更深刻地揭示了事物的本质,它的适用范围更广,在理论体系中的地位更重要,在培养学生的科学方法、科学觉悟和科学态度方面的教育功能更强。因此,在考虑物理课程内容的增删时应该考虑到知识的等级,或者说知识的质量。

当然,这里说的等级是相对的。动力学指出了力是产生加速度的原因,但仍然没有阐明力的本质。现代粒子物理学认为力是四种相互作用的表现,所以,经典动力学相对干粒子物理学来说,仍是比较低级的知识。人的认识没有穷尽,更高级的知识会不断出现。

三、建议

用更新的原则审视目前我国高中物理的教学内容,就会发现采取以下措施是必要的。

(一)大幅度降低力学所占的比重

力学知识是学习物理学的基础,也有许多实际应用,在高中物理中占有重要地位是应当的。但是,目前的问题是比重过大,影响了其他物理知识的教学。和物理学的其他分支相比,力学是一种唯象的理论,是上面所说的较浅层次的知识。在科学技术飞速发展的今天,力学占这样大的比重是一种畸形。

产生这种畸形的根源在于,在我国的基础物理教育中存在着一种脱离实际、脱离物理学前沿的理想主义思想,认为最严格的、完全定量的东西才是最好的。而在中学阶段,只有力学才可能达到这种要求。于是在这种思想左右下,高中所讲的质点力学非常完整,除了不用微积分外和大学物理不相上下,某些力学难题对学生思维能力的要求甚至比大学物理系的理论力学还要高。可以说,目前高中物理课中的力学教学已经走进当初平面几何曾经走过的死胡同了。

力学教学要求过高使得物理课学习负担过重,同时挤占了其他物理学分支的教学时间,使得我国物理课程知识面过窄。我认为,解决这个问题应从以下两方面入手。 1 .在教学大纲中明确降低力学知识点的教学要求,同时限定教学时数。 2 .删去胡克定律和摩擦定律。胡克定律研究的是弹簧这种人造的东西,反映的只是弹簧的伸长和所受拉力的经验关系。弹簧的形变在本质上是材料在剪切力的作用下发生的形变,反映材料物理性质的是切变模量而非弹簧的劲度系数。因此,胡克定律是比较低级的知识。删去胡克定律可以使学生免作一大批与弹簧有关的题目,有利于为力学“消肿”,有利于减轻学生负担。摩擦定律的问题与此类似。

(二)加强波动的教学

实物和波是物理学的两大类研究对象,在微观物理学中它们走到一起来了。历史上,对实物的研究先走了一步,进入 20 世纪以来,由于对于物质结构的深入研究和电磁波的广泛应用,人类对波的认识也进了一步。关于波的知识,无论对于实际应用,还是对于继续学习,以及对于丰富多彩的物质世界的认识,都是非常必要的。我国高中物理的教学内容不能反映这种形势。

除了波长、波速和频率外,相位是用来描述波动的一个重要物理量,在高中物理中应该引入,应该给出正弦波的数学表达式。与此相适应,三相交变电流不能削弱。

偏振是波动中的重要现象,有很多实际应用,中学各科的动感投影片就用到了偏振的知识。偏振现象不难理解,也很有趣,应该成为高中物理的教学内容。

光的干涉应作定量研究。通过定量研究才会有深刻的理解。

(三)削弱几何光学,删去透镜成像的作图和公式

与物理光学相比,几何光学是层次较低的唯象理论,应该削弱。具体地说,应该删去透镜成像的作图和公式。中学阶段的作图和公式只适用于薄透镜,而实际应用的透镜,连课堂用投影仪的透镜,都是组合的,是厚透镜。所以,针对实际问题仍然只能进行定性讨论。对此,初中物理的知识已经足够了。

(四)削弱气体定律,加强统计方法的教学,引入熵的概念

气体定律是实验定律,与气体的动力学理论相比只能解决“是什么”的问题,目前教学中占用了较多的时间,并引发了不少难题,应该从简。

统计方法是近代物理学中一个至关重要的方法,广泛应用于多种学科,同时也是研究社会现象的重要工具。可以在两处加强这方面的教学。一处是分子动理论,这里可以让学生认识气体分子的速率分布,对于基础较好的学生,可以尝试由理想气体的动力学理论导出气体的压强公式。另一处则是光的波粒二象性和物质波,应该在这里加强概率波的教学。

与统计方法相关的是熵的概念。在涉及大量对象的宏观现象中,有个可能性和现实性的问题,在这类问题上,热力学系统和许多社会现象是相通的。熵的引入为指明实际过程的发展方向铺平了道路。现在许多社会科学的书籍和科普书籍都在讲熵,作为具有较高科学素质的公民,高中毕业生对熵有个科学的认识,是十分必要的。

加强统计方法的教学,对于培养学生正确的思想方法,学会全面地看问题,都是有好处的,它的影响会远远超出物理课程本身。

(五)削弱电路的知识

初中学过的欧姆定律对于定性和定量地解决日常生活中的电路问题已经够用了。高中物理与初中物理相比,这一部分的主要区别是闭合电路的欧姆定律。从教学的角度讲,由部分电路的欧姆定律过渡到闭合电路的欧姆定律,主要障碍是电动势的概念。目前在中学物理教育界取得了一致的认识,即不应对电动势的概念要求过高这样高中物理中有关电路的教学内容就可以大大简化。如果有的学生将来从事这方面的专业工作,可以在专业课中学习,我们不能越俎代庖,从专业电工学角度看,目前高中物理关于电路的某些处理方法是相当“笨拙”的。

(六)加强相对论和量子论

相对论和量子论已经作为选讲内容列入两省一市高中物理课改革的教学大纲,这是个进步,以后应该列为必讲内容。翻开发达国家高中物理教科书,尽管种类繁多,却没有不讲相对论和量子论的。

学习相对论和量子论对人的认识是个冲击,它使学生第一次真正体验到人的直接经验是有局限性的。一旦学生对于相对论和量子论所描述的世界多少有了一些领司,他所受到的“实践是检验真理的唯一标准”的教育将是异常深刻的。在高中物理安排相对论和量子论的教学,认识论上的教育功能重于这两个物理理论本身的学习。

四、几个值得讨论的问题

(一)对于“增加新科技内容”的认识

近年来在中学科学课程中增加新科技内容的呼声很高,要求把诸如超导、半导体、光纤通信、 VCD 原理、粒子物理等内容较多地放到中学物理中来,持批评态度的人更是说这种变革的力度不够。依笔者的观点,在讲到导体、全反射、激光时应当讲一讲这引起内容有好处,但是决不可以喧宾夺主。在中学阶段不可能使学生运用这些知识,对于学生将来学习这方面的专业也不可能有多少帮助。由于不能真正理解,也不可能实现其他教育功能。这些知识不符合本文上面所说的几个原则,因此不宜过多地增加。物理课的特点是针对“物”来说“理”,在无法把“理”说清的时候过多地把“物”堆砌起来,结果会适得其反。

(二)数学的运用

目前有些教师用“物理教学数学化”来批评中学物理教学。其实过错不在于应用数学的多少,而是有些教师把注意力过多地放在计算上,对物理过程缺乏深入的分析。物理思想虽然是十分重要的,但是,物理思想的体现包括两方面,一靠实验技巧,二靠数学技巧,它们是物理学借以发展的两翼。如果不注意培养应用数学解决物理问题的能力,加上已经很低的实验能力,我们的学生岂不成了眼高手低的空谈家。

中学物理中数学的应用大多是代数式的变换。其实,数学的范畴比这广阔得多。目前应该加强而非削弱的,包括图象的教学、矢量运算的教学(包括一维矢量的运算和正交分解法),还要充分利用学生已有的一次函数、二次函数、反比例函数和三角函数的知识,这样能够增加各科之间的沟通,对学好物理课本身也有好处。

(三)与大学物理的重复

对于加宽中学物理的知识面,一种反对意见认为中学物理不应与大学物理的教学内容重复。笔者认为,教学所传授的,一类是知识,另一类是观点和方法。对于知识,尽管认识的深化也是逐步的,一般说来不需多次重复。但是,观点的建立和方法的掌握则是潜移默化的,需要反复体会。试想,关于统计的思想、时空相对性以及能量量子化、空间量子化等,哪个人是经过一两次接触就能很好地接受的。因此,以传递观点、介绍方法为主的教学内容,高中与大学有些重复是必要的,何况我国目前大多数高中毕业生还不能升入理工科大学。

(四)关于学生实验

物理课中的学生实验,目的是通过实验培养学生探索知识、验证知识的能力。其主要特征是所得能力的可迁移性。中学物理学生实验中的电学实验大多符合这种要求。例如,用伏安法测电阻、测电源的电动势和内阻等,学生以后不仅可用同样的方法真地去测未知的电阻和电源,而且,通过实验学到的仪表的使用、电路的连接与检查、数据的处理等技能,在其他生产、科研甚至日常生活中需要进行电学测量时都是很有用的。

力学中的学生实验就不同了。例如,用打点计时器测量物体的加速度,主要设备打点计时器是专为中学物理课设计的,今后无论在生产、科研、日常生活中都不会遇到,它的原理和使用技巧的迁移性比电学仪表差得多。这个实验所用的测量加速度的方法,即“点距差除以时间间隔的二次方”的方法,对高中一年级学生来说,推导起来并不容易,用处也极小,即使在中学物理课内,除了这个实验外也是再难用到的。因此这类实验的教育价值很低,不如删去,代以别的实验。

可以设想,在从教材中删去胡克定律后,增加一个探索性学生实验:研究弹簧伸长和受力的关系。学生在得到实验数据后列表、作图,根据图线利用函数的知识写出伸长与受力关系的解析式(所得公式在以后的解题中仍然不作要求)。这个实验并不比研究匀变速直线运动和验证牛顿第二定律难,但所用的数据处理方法却是科学研究中常用的,学生得到的技能很容易迁移到其他场合。与此类似,还可以增加另一个实验:研究滑动摩擦力和压力、物体表面及接触面积的关系。

(五)与高考有关的问题

在考虑高中物理教学时无例外地都要涉及高考问题。似乎一致的认识是,只要有高考在,物理教学就无法改革,知识面也无法加宽,要求设法对高考的难度加以限制。

笔者认为,对高考难度无法限制,也不应该限制。由于学科本身的特点,数学、物理这类考试,在任何知识点上都可以出难题,限制过多反而影响物理这门课程的教育功能的岁挥。再有,高考是选拔性考试,考卷应该有一定的难度,才能选拔出优秀学生,否则无法有目前的录取比例相适应。

尽管如此,在当前高考的框架内,教学大纲的拟定者和教材的编写者仍然有广阔的天地,还是能够有所作为的。上述建议和讨论的问题都能在不对高考制度做重大改革的前提下实现。每届中学生国际奥林匹克物理竞赛都有一些题目,是把当前科学家真实工作中的物理模型简化而来的,这些题目难得真实、难得是地方、难得有意义。如果说我们应该对高考命题有些影响的话,这个影响不是限制高考的难度,而是把难题引导到正确的方向,使它接近实际,使它的物理情景能够实现,使它与当前科技发展方向一致。这样将有利于中学物理教学的改革。扩大中学物理的知识面和调整不同物理学分支所占的比重,会使命题者有更大的回旋余地,改进题目的质量。

五、激发物理教育的活力

在中学物理教育界,从教学大纲的草拟和审定、教材的编写,直至教研和教学实践,都是在一个封闭的圈子里进行的,这个圈子里的人主要是中学教师,以及大学基础课的教师。从整体说来,这个圈子和工程技术人员及工作在前沿的物理学家交流甚少。这些人以物理教学为职业,难免给自己的工作打上“为教而教”的印记。物理学的两大课题 ---- 应用与发展难以充分体现。陈旧、脱离实际、学科中心、片面追求严格性与完整性等不同程度的问题都和圈子的封闭性有关。笔者热切盼望教育行政机关能够认识这个问题的重要性,首先从中学物理教育的决策层入手,恰当确定人员结构,吸收关心中学教育的工程技术人员和前沿的物理学家,让使用物理学和发展物理学的人有更多的发言权。这是激发中学物理教育活力的长远之计。