前沿物理教学与新课程改革

前沿物理教学与新课程改革浙江师范大学数理学院陈世鸥王辉众所周知，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、实践兴趣与解放兴趣。

技术兴趣指向外在目标，把环境当作客体。

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”。

哈贝马斯认为，在经验──分析学科中体现的是技术兴趣，在历史──解释学科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”。

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”教育已广受垢病，“科学为大众”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：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；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；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；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；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：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。

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：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。

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”。

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、居里失人、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．有利于明辫是非，抵制迷信科学教育的目的是提高公众的科学素养。

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。

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，他们宣称：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。