物理教育与科学素质培养Word文档格式.docx
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牛顿划时代的著作名为《自然哲学的数学原理》，就是一个明证。
物理学最直接地关心自然界最基本规律，所以牛顿把当时的物理学叫做自然哲学。
17世纪牛顿在伽利略、开普勒工作的基础上，建立了完整的经典力学理论，这是现代意义下的物理学的开端。
从18世纪到19世纪，在大量实验的基础上，卡诺、焦耳、开尔文、克劳修斯等建立了宏观的热力学理论；
克劳修斯、麦克斯韦、玻耳兹曼等建立了说明热现象的气体分子动理论；
库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯韦等建立了电磁学理论。
至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立。
然而，正当大功甫成之际，一系列与经典物理的预言极不相容的实验事实相继出现，人们发现大厦的基础动摇了。
在这些新实验事实的基础上，20世纪初，爱因斯坦独自创立了相对论，先后在普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定愕、玻恩等多人的努力下，创立了量子论和量子力学，奠定了近代物理学的理论基础。
本世纪随着科学的发展，从物理学中不断地分化出诸如粒子物理、原子核物理、原子分子物理、凝聚态物理、激光物理、电子物理、等离子体物理等名目繁多的新分支，以及从物理学和其它学科的杂交中生长出来的，诸如天体物理、地球物理、化学物理、生物物理等众多交又学科。
什么是物理学？
试用一句话来概括，可以说：
物理学是探讨物质结构和运动基本规律的学科。
尽管这个相当广泛的定义仍难以刻画出当代物理学极其丰富的内涵，不过有一点是肯定的，即与其它科学相比，物理学更着重于物质世界普遍而基本的规律的追求。
物理学和天文学由来已久的血缘关系，是有目共睹的。
当今物理学的研究领域里有两个尖端，一个是高能或粒子物理，另一个是天体物理。
前者在最小的尺度上探索物质更深层次的结构，后者在最大的尺度上追寻宇宙的演化和起源。
可是近几十年的进展表明，这两个极端竟奇妙地衔接在一起，成为一对密不可分的姊妹学科。
物理学和化学从来就是并肩前进的。
如果说物理化学还是它们在较为唯象的层次上的结合，则量子化学已深人到化学现象的微观机理。
物理学和生物学的关系怎么样？
对于如何解释生命现象的问题，历史有过两种极端相反的看法：
一是“生机沦（vitalism）”，认为生命现象是由某种“活力”主宰着，永远不能在物理和化学的基础上得到解释；
另一是“还原论（reductionism）”，认为一切生命现象都可归结（或者说，还原）为物理和化学过程。
1824年沃勒（F.Wohler）成功地在实验室内用无机物合成了尿素之后，生机论动摇了。
但是，能否用物理学和化学的原理与定律解释生命呢？
回答这个问题为时尚早。
不过，生命科学有自己独特的思维方式和研究手段，积累了大量知识，确立了许多定律，说把生物学“还原”为物理学和化学，是没有意义的。
可是物理学研究的是物质世界普遍而基本的规律，这些规律对有机界和无机界同样适用。
物理学构成所有自然科学的理论基础，其中包括生物学在内。
物理学和生物学相互渗透，前途是不可估量的。
.近四、五十年在两学科的交叉点上产生的一系列重大成就，如DNA双螺旋结构的确定、耗散结构理论的建立等，充分证明了这一点。
现在人们常说，21世纪是生命科学的世纪，这话有一定道理。
不过，生命科学的长足发展，必定是在与物理学科更加密切的结合中达到的。
2物理学与技术
社会上习惯于把科学和技术联在一起，统称“科技”，实际上二者既有密切联系，又有重要区别。
科学解决理论问题，技术解决实际问题。
科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来；
技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。
科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的；
技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划。
历史上，物理学和技术的关系有两种模式。
回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式。
17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵；
18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等，完善了蒸汽机，使之真正成为动力。
其后，蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车；
那时的热机效率只有5~8%。
1824年工程师卡诺提出他的著名定理，为提高热机效率提供了理论依据。
到20世纪蒸汽机效率达到15%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到50%。
19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律，物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、第二定律。
这种模式是技术向物理提出了问题，促使物理发展了理论，反过来提高了技术，即技术→物理→技术。
电气化的进程提供了第二种模式。
从1785年建立库仑定律，中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力，直到1831年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究。
此后半个多世纪，各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生，蓬勃地发展起来。
有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明。
当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展。
这种模式是物理→技术→物理。
本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉。
但几乎所有重大的新技术领域（如电子学、原子能、激光和信息技术）的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的。
没有1909年卢瑟福的α粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用；
只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生。
当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命。
整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的。
大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路。
70年代后期出现了大规模集成电路。
殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验上的准备：
1925~1926年建立了量子力学；
1926年建立了费米－狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理；
1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射；
1928年索末菲提出能带的猜想；
1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在；
同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表。
总之，当前的第二次工业革命主要是按物理→技术→物理的模式进行的。
3物理学的方法和科学态度
现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学。
物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为：
1）提出命题
命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的。
2）推测答案
答案可以有不同的层次：
建立唯象的物理模型；
用已知原理和推测对现象作定性的解释；
根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释；
当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等。
3）理论预言
作为一个科学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪（falsify）的预言。
这是真、伪科学的分野。
为什么说“证伪”而不说“证实”？
因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的。
为什么要求能用实验来证伪？
假如有人宣称：
在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。
你怎么驳倒他？
对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误。
我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断。
4）实验检验
物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则。
理论不是唯一的，一个理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论。
5）修改理论
当一个理论与新的实验事实不符合，或不完全符合时，它就面临着修改或被推翻。
不过，那些经过大量事实检验的理论是不大会被推翻的，只是部分地被修改，或确定其成立范围。
以上步骤循环往复，构成物理学发展模式化的进程。
但是物理学中的许多重大突破和发现，并不都是按照这个模式进行的，预感、直觉和顿悟往往起很大作用。
此外，且探且进的摸索、大胆的猜测、偏离初衷的遭遇或巧合，也导致了不少的发现。
顿悟是经验和思考的升华，而机遇偏爱有心人，平时思想上有准备，就比较容易抓住稍纵即逝的机遇。
所以科学上重大的发现不会是纯粹的侥幸。
科学实验的结果，远非尽如人愿。
不管你喜欢不喜欢，实事求是的作风、老老实实的科学态度是绝对必要的。
在科学研究中，一相情愿的如意算盘是行不通的，弄虚作假迟早会暴露。
失误任何人都难以避免，一旦发现，最聪明的办法是勇于承认。
1922年年轻的苏联数学家弗里德曼发表了动态宇宙模型的论文，遭到爱因斯坦的批评。
次年，爱因斯坦在读了弗里德曼诚恳的申辩信之后，公开声明自己被说服了。
据伽莫夫回忆，爱因斯坦说，这是他一生中最大的疏忽。
伟大科学家这种坦荡的襟怀，是所有人的楷模。
基础科学研究的信息资源是共享的，这里没有秘不可及的玄机和诀要。
根据公开发表的文献，人人可以自己判断，独立思考。
所以，在科学的王国里，真理面前人人平等。
这里最少对偶像的迷信和对权威的屈从。
“实践是检验真理的唯一标准”这一信条，在自然科学的领域里贯彻得最坚决。
实践不是个别的实验结果，因为那会有假象，重大的实验事实必须经多人重复印证才被确认。
自然科学的主要任务是探索未知的领域，很多事情是难以预料的。
实验的结果验证了理论，固然可喜；
与理论不符合可能预示着重大的突破，更加令人兴奋，世界上建造了许多加速器，每个加速器都是针对某类现象而设计的。
40多年的历史表明，除了反核子和中间玻色子外，粒子物理中的所有重大发现都不是当初建造那个加速器的理由。
高能物理学界把这看作正常现象。
1984年在实验室中发现了弱电统一理论所预言的中间玻色子后，曾一度较少发现出乎理论预料的实验结果。
人们反而说：
现在最令人惊讶的，是没有出现令人惊讶的事。
这便是物理学界极富进取精神的得失观。
因为在自然科学中物理学最直接触及自然界的基本规律，物理学家对事物是最好穷本极源的。
他们在研究的过程中不断地思考着，凡事总喜欢问个“为什么”。
理论物理学家不能仅仅埋首于公式的推演，应该询问其物理实质，从中构想出鲜明的物理图象来；
实验物理学家不应满足于现象和数据的记录，或某种先进的指标，而要追究其中的物理机理。
因为在自然科学中物理学研究的是自然界最普遍的规律，物理学家不应总把自己的目光和兴趣局限于狭窄的本门学科，而要放眼于更广阔的天地。
人们公认，当今最有生命力的是不同学科间杂交的领域，有志的年轻物理学工作者在那里是大有作为的。
4怎样教导学生学好物理学？
著名理论物理学家和物理教育家韦斯科夫（V.F.Weisskopf）说：
“科学不是死记硬背的知识、公式、名词。
科学是好奇，是不断发现事物和不断询问‘为什么，为什么它是这样的？
’科学的目的是发问，问如何和问为什么。
它主要是询问的过程，而不是知识的获得（很可惜多数人认为是后者，而且是这样教的）。
”国际物理教育委员会上两届主席焦塞姆（L.E.Jossem）说：
“最好的老师，是让学生知道他们自已是自己最好的老师。
”
教好物理学，关键是教思路，教方法，启发学生勤于思考，悟物穷理，自觉地努力锻炼自己自学的能力。
鼓励勤于思考，就要让学生对新的概念、定义、公式中的符号和公式本身的含义，用自己的语言陈述出来。
对于定理的证明、公式的推导，最好在了解了基本思路之后，让学生自己背着书本演算出来。
这样学生才能对它们成立的条件、关键的步骤、推演的技巧等有深刻的理解。
倡导悟物穷理，就要启发学生多向自己提问：
哪些是事实？
哪些是推论？
推论是怎样得来的？
我为什么相信它？
……问题可以正面提，也可以反向提。
过去我们在教学中经常有个口号，即“培养学生分析问题、解析问题的能力”，这固然是很重要的，但少了更重要的一条，即“提出问题的能力”。
伟大的科学家之所以伟大，往往就在这一条上。
有一次记者问玻尔：
“您可是那位知道科学中大部分问题答案的人？
”玻尔回答说：
“啊，不，不过也许我比别人多知道一点问题。
勤于思考，悟物穷理，就要让学生建立自己的物理图象。
我们反对“题海战术”，反对针对某类考试或题库的应试教育。
但是做题毕竟是学生学习过程中比较主动的环节，学习物理，不做习题是不行的。
但做习题不在于多，而在于精。
教师要引导学生，习题做完了不要对一下答案或交给老师批改就了事。
自己从物理上应该想一想，答案的数量级是否对头？
所反映的物理过程是否合理？
能否从别的角度判断自己的答案是否正确？
要求学生力争能够作到，习题要么做不出来，做出来就有充分的理由相信它是对的，即使它和书上给的答案不一样。
老师要鼓励学生在未被说服之前敢于和自己争辩，直到学生真正明白错误之所在。
万一最后证明是老师自己错了（这是教学过程中常有的事，至少我个人如此），不仅要坦率承认，而且应对该生加以赞扬。
好的老师最欣赏的是能指出自己错误的学生。
我讲了这么多，也许说得比较空洞，该结束了。
下面请几位老师结合自己的教学实践介绍他们的体会和宝贵经验。
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