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《时间简史》的作者是史蒂芬霍金。
史蒂芬威廉霍金,1942年1月8日出生于英国牛津,英国剑桥大学应用数学与理论物理学系物理学家,著名物理学家、宇宙学家、数学家。霍金毕业于牛津大学、剑桥大学,1979年至2009年任卢卡斯数学教授,后为荣誉卢卡斯数学教授。霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家和当代最伟大的科学家,人类历史上最伟大的人物之一,被誉为宇宙之王。
霍金出版《时间简史》后,多年来曾在英国、美国、日本、香港等地,向一般大众发表多场公开演说,叙述时间起源、宇宙终结、时光旅行,演说时其受欢迎程度犹如摇滚巨星。
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我国现在的物理课堂教学过程中,通常强调的是教给学生现成的知识,而很少关注知识产生的历史演变过程。学生受此教育理念影响,通常会缺乏一种历史眼光,以为物理学是从伽利略、开普勒、牛顿、爱因斯坦和玻尔等一些天才的头脑里蹦出来的,就像苹果掉到牛顿头上从而使牛顿发现万有引力定律一样。长此以往,这会不利于科学技术的传承和发展。其实,包括物理学在内的真正的科学理论是不断发展的,表现出一种不断纠错的动态过程。物理学史从萌芽发展到现在,经过了曲折的历程,它融通了科学与人文两种文化,搭建起了科学和人文之间的桥梁,具有很好的科学普及与传播的作用。
今天,如何培养创新型人才,实现万众创新的生动局面,是时代赋予我们的重大课题。其实,答案不应当只向未来张望,有时候也需要我们回头去寻找。创新需要汲取来自科研和科普两方面的营养。我们不但要致力于前沿科学的研究,还要更加重视科普工作,尤其是要写出经得起读者检验的面向大众的科学史科普著作。
刘树勇、白欣、周文臣和韦中龅认壬合作撰写的《大众物理学史》是这方面的近期少有的佳作。本书以通俗易懂的方式向公众普及物理学史,指明物理学家遇到的各种各样的困难,以及物理学家怎样战胜它们(有时还要巧妙地避开一些困难),最后,又怎样趋近于那从未达到的目标。读罢此书,读者内心深处不仅会对和谐统一的物理之美发出由衷的赞叹,还会对物理学发展史的波澜壮阔感到惊讶,同时也会对科学发展与社会条件和文化氛围之间的关系有深入的思考。
《大众物理学史》简明扼要地给读者讲述了物理学的发展历程,读起来并不晦涩难懂,还充满趣味性,展现了物理学的魅力,并且具有以下特点:一是面向大众读者,通俗易懂。《大众物理学史》可读性很强,能够用简单明了的语言把物理学发展过程讲解清楚。二是科学性。本书的内容都是学术界公认的、经得起时间考验的。主要学术观点力求有原始文献或转引自权威著作的文献作依据,避免粗制滥造、以讹传讹。三是系统性。《大众物理学史》虽然篇幅不大,但内容却比较全面,篇章设置能够涵盖物理学的重要成就、著名物理学家和重大事件等,为读者勾画了自然存在与演化的图像,让读者能够比较完整地了解物理学由低到高的不同发展阶段。四是兼顾知识与方法,融会科技与人文。《大众物理学史》展现了历史上的物理知识及物理学家的生平、科学活动和科学思想,兼具科学性和人文性,反映了物理学发展与人文思想演进的关系。
鱼儿眼里的高维世界
加来道雄小时候被父母带去日本茶园,他最喜欢蹲在一个小池旁边,观察池水中的鲤鱼,也会问一些只有孩子才会问的傻乎乎的问题:“鲤鱼怎么观察它们周围的世界?”他时常会乱想,人类和鲤鱼啊,被那薄薄的一层水面所分开,一个离不开空气,另一个离不开水,这完全就像生活在截然不同的两个宇宙中一样。假设鲤鱼社会中也像人类一样有所谓的“科学家”,那么它们会不会像人类研究地球宇宙一样,也研究那虽然巴掌大地盘但却是鲤鱼们的全世界的水底呢?又假设此时伸手将一个鲤鱼“科学家”拽出水面,在放回池水之前,它一定会感觉到恐惧、窒息,但同时它一定会为自己见到另一个世界而惊诧,它一定会发现在水里辛苦所习得的一切知识到了这个空间里完全不适用了!
通过以上一系列的联想,加来道雄越来越认为我们人类自己也就像这些自鸣得意地在池中游动的鲤鱼一样,我们的一生也在所谓的“池子中”度过,大部分也从未思考过,或许也有这样一层水面将我们同另外一个空间完全隔开。而这个空间,也是后来加来道雄理论的最核心,他为之取名“高维空间”,像水面上的空间对金鱼来说,就是一个高维空间。你不要指望看见它,就像不要指望盲人能看见颜色一般。高维的概念很复杂,相信我,即使你读到博士,也未必可以领悟。
高维总共有十个维度,先从最简单的四维入手来小小窥探一下奇妙的宇宙吧!一、二、三维很好理解,一维表示点,二维表示长和宽,推之三维就代表长宽高或者说立体空间。假设现在你用吸管去喝可乐,你在吸可乐的过程中,管子里的可乐正是三维,同时你有没有发现,可乐不是静止不动的,它正在吸管里汩汩流动着,它流动的过程叫做时间。你可以理解时间就是第四维,我们这些三维动物之所以有意义,就是因为被第四维时间在推动着。最后再假设你的吸管是一个空间,很显然这样的吸管成千上万,而它们也有一个好听的名字叫做――平行空间。
难住爱因斯坦后半生的绝世难题
加来道雄从老师那里听来的一个故事,说的是某个已故科学家的发现改变了整个世界和我们周围的一切,很少人可以理解这个科学家的思想。如此了不起的人也被一个难题给击败了,直到他去世,有关这个问题的论文还摆放在他的桌子上。这个科学家就是爱因斯坦,而他生命中的最后30年,苦苦追求却依然没有找到答案的问题就是――让宇宙四种力(包括电磁力、强核力、弱核力和引力)统一成一种力。很神秘吧?完全不知所云吧?没关系,正是凭借着对这个前端问题的好奇心,才让加来道雄立志成为一名理论物理学家。他认为将思考模式置身于更高维度,就如同将鲤鱼拉出水面一样,是解决这个难题的最佳途径。这两个看上去毫无关系的事件,在加来道雄的眼里却有了不一样的诠释。到底是怎么诠释的,你很好奇吗?就跟小时候的加来道雄一样?哈哈,那恭喜你了,也许这个文章便是你通往科学道路的转折点!
加来道雄档案
加来道雄,美籍日裔物理学家,毕业于哈佛大学,然后又获得了加州大学伯克利分校哲学博士学位。他是当今高能物理和理论物理学中“超弦理论”的发明者之一。他也是一位科学畅销书作者,出版过《超越时空》《平行宇宙》和《超越爱因斯坦》。他还担任过很多科普节目,比如《不可能的物理学》的主持人。他提出的很多构想也被好莱坞导演和美剧编剧参考来构思科幻情节,比如隐形术、移相器和死星、心灵感应、意志力、机器人、不明飞行物和外星人、星级飞船、反物质和反宇宙、DNA定序、比光速更快的旅行、时间旅行和平行宇宙。
加来道雄经典语录
我们的好奇心是自然秩序的一部分。
北卡罗来纳大学文学和科学院著名物理学教授保罗.法拉姆顿博士和路易斯.J.罗宾及研究生罗伊斯.鲍姆共同提出了一个循环模式,这个循环模式有四个关键部分:膨胀、逆转、收缩和反弹。在膨胀阶段,暗物质(引发宇宙加速膨胀的未知能量)不停的推进,直到所有物质分裂成任何东西都无法连接的碎片。黑洞中释放出来的所有东西都被分裂成了原子。然后在膨胀结束前的一瞬间转入逆向阶段。
逆向阶段,在一次逆大爆炸过程中,碎片没有再重新粘合在一起,而是每一个碎片分裂和个自收缩。这些碎片形成了无数个独立的宇宙,这些宇宙收缩,然后反弹,以类似于大爆炸的方式再次向外部膨胀。其中的一块碎片就形成了我们现在这个宇宙。
法拉姆顿说,“这个循环进行了无数次,从而令我们无从了解确切的开始或者结束时间。因此在这种循环中不存在宇宙大爆炸。”
《物理评论快报》杂志将在下一期中刊登阐述这一模式的论文。法拉姆顿说,宇宙学家二十世纪三十年代首次提出没有开始或者结束的宇宙振荡模式来取代大爆炸理论。但因振荡理论无法与包括热力学第二定律在内的物理学吻合,这一理论最终被遗弃。
热力学第二定律说熵不可能消失。但是假如熵在一个振荡到下一个振荡的过程中增加的话,宇宙每个循环之后就会变得更大。法拉姆顿说,“宇宙就可能像混雪球一样越混越大。每一次振荡的时间同时也会持续更长。从时间上反推,我现在宇宙之前的振荡时间将非常的短暂。这将不可避免地要引发宇宙大爆炸的产生。”
法拉姆顿和鲍姆通过假定在逆向阶段所有碎片中残留的熵都相隔太远而无法相互产生作用来避开大爆炸。每一个分裂碎片都成为一个独立的宇宙,每个宇宙都可以收缩基本为空的物质和熵。法拉姆顿说,“任何物质的出现都会对收缩产生无法克服的困难。返回为空的观点是这一新循环模式的最重要部分。”当去年10月份他突然想到这一观点的时候感到非常震惊。他说,“我突然发现了一个解决这个看似无法解决难题的新方法。我座在椅子上,把腿放在桌子上,半睡半醒地苦思这一问题。当我发现这一非常简单的可能性后几乎从椅子上摔下来。”
1.物理课堂文化的导向功能
1.1 物理课堂文化影响着物理教育目标的制定
物理教育本是一种广义的文化活动,不能不重视物理学的文化价值,物理教育活动中,学生仅了解物理学知识是远远不够的,还应了解物理学在人类文化发展和社会生产力发展中的作用并形成和掌握科学的价值观、科学思维方式,接受物理课堂文化全方位的熏陶。
国际纯粹物理与应用物理联合会在《进入新千年的物理学》一书中,对20世纪物理教育的目的得出了质疑,其论点是:如果所有的学生都要学物理,那么物理教育的主要目标放在大多数的未来公民的兴趣和需要上,而不是放在将进一步学习物理而成为科学家或工程师的少数精英分子身上,如果物理教育是为更多学生的全面发展服务的,那就应当重视物理学家的工作成果在社会上、技术上的应用;重视物理学的哲学和物理学的历史;重视蕴含于我们文化之中的物理学方法;重视物理学家这个专业群体的特点,如支持、贡献社会的方式等。
物理教学是一个庞大的体系,至少可分为三种类型:为研究物理而学物理;为应用而学物理;为提高文化素养而学物理,这就构成了物理教学目的多样性或者说物理学习的多功能性问题,诺贝尔物理学奖获得者费曼对物理科学的价值有独到的看法,他认为,科学应用价值是众所周知的,科学知识使人们能够制造许多产品,做许多事业,科学的另一个价值是提供智慧与思辨的享受,这种享受在一些人可以从阅读、学习、思考中得到,而在另一些人则要从真正的深入研究中方能满足,这种享受的重要性往往受人忽略,科学上已发现的理论和定律,是科学研究的收获,也是科学家得到的最高奖赏科学家发现这些理论时激动不已,学习者从学习和理解的过程中得到满足和成就感,这种心情对于人来说是极其重要的,第三个价值是改变人们对世界概念的认识,人类为了满足自身的物质和精神需要而创造出来的科学和技术,已经成为人类的文化背景,改变了人们对自然和世界的认识,第四个价值是科学的精神价值,科学就是对未知世界的永无止境的探索,科学家们对研究对象不知道答案时是无知的;当大概有了猜测时是不确定的;即使满有把握时也会留下质疑的余地,科学家的责任是探索更好的办法留传给下一代。
基于此笔者认为学习物理有五方面的目标:第一是为学会怎样动手做测量和计划及其知识在各方面的应用:第二是培养科学家,他们不仅致力于工业的发展,而且贡献于人类知识的进步;第三认识自然界的美妙,感受世界稳定的实在;第四是学习怎样由未知进到已知的科学求知方法;第五是通过尝试和纠错,学会一种有普遍意义的自由探索创造精神。
1.2 物理课堂文化影响着物理教师角色
物理课堂文化研究把物理学家和物理教师看做“活”的物理课堂文化载体,这可以为物理教育提供观念上的启示,
首先,物理教师的基本任务之一是传递物理课堂文化,以保证物理课堂文化得以延续和发展。
其次,物理课堂文化的知识体系和技术应用已经是我们时代重要的文化背景,当今社会科技含量越来越高,物理教师要跟上时展的步伐必须终生学习,我们认为优秀物理教师的知识领域在不断扩大,大致包括:物理学知识体系的内容知识;实验设计与操作知识;物理学目的、价值观和科学精神知识;著名物理学家的文化背景知识;科学道德知识;物理课堂教学设计知识;用生动的例子揭示教育内容的知识;课堂教学过程中的决策与组织协调知识等,因而,物理教师的职业要求正在不断地提高,物理教师的发展是社会进步的必然要求。
第三,物理课堂文化除了具有延续性以外还具有创造性,物理教师既要充当文化传播者的角色,同时要充当文化的整理和创造者,物理课堂文化作为人类认识自然的伟大成果,集中体现了人类的创造智慧,优秀的物理教师应能感受物理学探索过程中闪耀的科学创造之光,物理教师要在学校中创造一种“活”的物理课堂文化环境,这种环境充满探索、发现、创新、充满好奇心,物理教学过程要始终把学生培养探索精神放在重要地位,把物理知识和方法的教学作为培养学生创造力的基础,教师的教学方法和手段要多样化,不能把活生生的充满创造之光的物理学蜕化为干巴巴的概念、枯燥的公式和繁杂的计算,不能把具有生动性、创造性的物理教学变为对付各种考试的应试活动,激发学生的好奇和兴趣,满足学生探究的天性,建立科学价值观、促进学生发展,才是物理教学的根本任务。
2 物理课堂文化的潜在课程
物理课堂文化它包括“显性课堂”和“潜在课程”两部分,所谓“潜在课程”,就是通过课堂的环境、气氛、班级的风气所施加给学生的影响,起到教育的作用,教育要以“人”为出发点,强调理性和非理性的统一,不仅要重视显性课程的教学而且要重视潜在课程的影响,这样才能培养学生丰富的精神世界、和谐发展的个性,才能适应信息社会的挑战。
2.1 在课堂中关注人际交往所形成的思维方式、价值观和行为方式
人际交往有着巨大的教育潜力,教育、教学活动同其它人类实践一样,都是在交往活动中展开的,人们的认识不可避免地带有交往性、群体性,群体中人际交往产生的心理互动所形成的社会心理定势对个体的认识方式、价值和行为式影响极大。
建立物理课堂师生之间、同学之间和谐的人际关系,是潜在课程里的重要内容,学生总是通过周围的人去学习、认识自己,从而产生与他人联系的需要,学生从别人对他的态度中发展了自我观念,将别人的评价与对自己的评价加以平衡,并对别人的评价作出选择,有所批判,他们也正是在这个基础上形成了自己的交往范围、游戏的团体与伙伴关系,这种关系使他们彼此交往,共享经验,共同发展,进而形成一股内动力,任何一种团体都有一种倾向,要求他的成员有某种程度的服从,发扬这一团体的规范的思想和行为举止,特别是学生所处的非正式群体有的价值观和行为方式对学生的影响是不可忽视的,这些都构成了学生文化的重要部分,所谓学生文化就是指学生特有的价值观、思考方式、行为方式的总称,学生文化对学生的学习成绩、学生的抱负、个性的形成有极大的影响,而这种文化的形成又和学生的来源、他们的家庭所属社会阶层(职业)的文化水平面、个人的社会
关系等有着千丝万缕的联系因此有时学生文化和学校整个教育目的存在着冲突的一面,这就需要教师有意识地加以疏通和引导。
和谐的师生关系则更为重要,师生关系对学生发展的影响早已有许多研究,如皮格马利翁效应是众所周知的,在师生关系中还有一种是在学校环境中的非正式交往,这种交往的教育影响程度则和交往者的意图、内容和亲密程度有关,只有师生关系和谐,学生才会亲其师、信其道,才会朝着老师期望的方向发展,才会产生教学相长的互补效应,老师的期望是师生心理互动的主要方面也是影响学生个性倾向形成的重要方面,教师与学生同辈集体应当是合作者而不是彼此对立,教育更广义的任务之一就是帮助学生思考,使他们学习检查自己的行为,并重新作出估价与改进,老师可以利用让学生对自身行为有考察和议论机会的这种办法来协助学生在社会交往方面得到发展。
2.2 在课堂中建立长期形成的制度与非制度的文化
这主要是指课堂中的传统舆论、仪式与规章制度等,这些影响不论是合理的,还是不合理的,都会通过各种渠道传播开来,而当它们一旦形成就成为一种不以人们意志为转移的力量客观地存在于学校、班级生活之中,这种客观存在虽然有时是一种摸不着、看不见的无形的影响,但实际上它又总是依存在学校各类人员的精神面貌之中,依存在学校、班级的规章制度,(如学生守则、学生公约)以及学习纪律之中,特别是集中反映在学生的学风、教师的教风中,其它,如学生之间所使用的特别语言,行为方式,师生员工的举止、言谈以及他们的衣着、仪表等都体现着一个物理课堂的精神面貌。
物理课堂中长期形成的制度与非制度文化的作用是巨大的,首先,它具有一种同化力,使生活在其中的人?替移默化地受到影响,使所到这个环境中的师生会自觉不自觉地接受这种熏陶,克制和改变原来不适应新环境的行为作风,从而去适应新环境的要求,其次,它具有一种促进和约束的力量,一个班级如果具有有条不紊的教学秩序、活泼紧张的生活作风,强烈求知的读书风气,它就会使生活在其中的人身心愉快、精神焕发,使他们自然产生集体的荣誉感、自豪感,并成为他们前进不息的一种动力,同时这种精神面貌一旦形成也会使生活在其中的人自觉要求维护它,而破坏和污染这种精神环境的人和事便自然地会受到大家的抵制和谴责,它还具有一种约束的作用,因此,物理课堂中长期形成的制度与非制度的文化是开发潜在课程的重要因素。
3 物理课堂文化的物理教育
从文化的视角来看,物理教育与物理课堂文化是密不可分的,物理课堂文化的世代相传主要依靠物理教育,物理教育一方面保证物理课堂文化在新一代身上再生,以保证物理课堂文化的延续,另一方面把人纳入一定的社会模式中使其社会化,培养成适应社会需要的、掌握一定知识的技术、具有一定科学精神的现代人力资源。
3.1 科学认知与思维训练的培养
物理学知识具有解释物质世界的认知功能,能帮助人们科学地认识和理解物质世界的规律,开阔人们的认识视野,提高人们与自然和谐相处的能力。
物理学方法是发明创造的思维武器,也是开发创造思维的理论指导,著名物理学家都非常重视科学方法的研究和应用,物理学上的重大发现往往是从方法上打开缺口,突破前人思想方法的局限,进而获得成功的,物理学是包含科学方法最多的学科,在通过300多种科学方法中,物理学中包含170多种,例如,物理教学理想的教学模式是:创设问题最快(通过实验或现象描述)一分析问题一找出解决问题的可能的途径一从最佳途径出发建立数学模型一求解数学模型一讨论命题的物理意义和可能的技术应用,这一过程就是研究复杂问题的全过程,是解决复杂问题的基本方法,许多重大科学发现从方法论的角度看和解决一个物理问题完全一样。
3.2 科学探索精神的培育
物理课堂文化是当代人类文化的主流文化之一,是引领社会进步的重要力量,物理课堂文化是科技文化的基础,对青少年的培养具有不可替代作用,它是战胜一切伪科学的认识论基础,物理学习活动有助于激发好奇心、求知欲,培养人的探索精神。
我们不难推想经过系统的物理学习的人群,比起没有接触这种文化的人群来,更具有抵御迷信和伪科学的能力,好奇心是人的天性,人类生活在大自然中,总是力图了解自身和所处的外部世界,渴望使心中的疑团得以解释,古人对自然的奥秘发出过多少质朴的发问:天体是怎样运行的?热现象的本质是什么?电、磁是怎么产生的?光的本质是什么?物质是怎样构成的?正是自然界美妙而复杂的现象,激发了一代又一代物理学家的好奇心,促使他们去探索自然现象背后的本质,而物理学的每一个科学概念的产生都充满了探索和创新,还包括对已有错误观念的批判,物理学作为人类认识自然的伟大成果,其内容、方法和结构都是人类创造智慧的集中体现,物理学形成和发展的过程,就是一个探索和创新的过程,闪耀着科学探索之光,物理课堂文化教育是在课堂上再现科学探索的过程,因而有助于培养人的科学探索精神。
3.3 物理学美的熏陶
自然界是丰富多彩的,人们在对自然的审视中获得了美的感受和体验,作为自然界理性思维成果的物理学也存在美,如和谐、优雅、一致、简单、对称、新奇等,其美还表现在发展和变化之中,著名物理学家杨振宁认为,物理学的美包括三个方面:现象之美,理论描述之美,理论结构之美。
1、薛定谔的猫(英文名称:ErwinSchrdinger'sCat)是奥地利著名物理学家薛定谔(ErwinSchrdinger,1887年8月12日——1961年1月4日)提出的一个思想实验,是指将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。镭的衰变存在几率,如果镭发生衰变,会触发机关打碎装有氰化物的瓶子,猫就会死;如果镭不发生衰变,猫就存活。
2、根据量子力学理论,由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加,猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态。这只既死又活的猫就是所谓的“薛定谔猫”。但是是不可能存在即死又活的猫,则必须在打开箱子后才知道结果。
3、该实验试图从宏观尺度阐述微观尺度的量子叠加原理的问题,巧妙地把微观物质在观测后是粒子还是波的存在形式和宏观的猫联系起来,以此求证观测介入时量子的存在形式。随着量子物理学的发展,薛定谔的猫还延伸出了平行宇宙等物理问题和哲学争议。
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焦耳与千瓦时的单位换算为1千瓦时等于3600000焦耳。
1千瓦时相当于额定功率1千瓦的电器1小时消耗的电量,即1千瓦时等于1000瓦乘以3600秒,结果为3600000焦耳,故焦耳与千瓦时的单位换算为1千瓦时等于3600000焦耳;千瓦时或千瓦小时,符号为kWh,简称为度,是一个能量量度单位,表示一件功率为一千瓦的电器在使用一小时之后所消耗的能量。千瓦时,该单位主要用于量度电力,千瓦时比焦耳更易被大众了解,并更易转化为电器使用时数,另一方面,焦耳相对千瓦时的单位量度太小,较不方便计算,中国大陆亦有公共机构在收费单上使用兆瓦时来代替千‧时;焦耳,物理学热量的公制单位,简称“焦”,是为了纪念英国著名物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳而创立的。
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新课程强调学生作为主体对课堂教学的参与,其目的在于形成一个平等、和谐、热烈的教学氛围,变传统的被动接受式学习为积极主动的参与式、探究式学习。一堂课的成败首先取决于学生听讲的情绪。物理学以观察实验为基础,精心设计的观察实验活动乃是课堂上创设学习物理情景的最有效手段。如《机械波》教学中,可以让十多位同学头顶颜色球排成一行按先后顺序蹲下站起,就在同学们亲自参与的过程中和在愉悦的笑声中深刻体悟了机械波传播的特点。又如,讲“反冲运动”和人造卫星时,可用录像片展现我国二号火箭发射“神五”、“神六”的情境,以激发学生的求知欲及爱国热情,使学生在接受认知信息的同时接收相应的情感因素的传递,彼此产生良好的情感体验,从而达到以情促知,情知交融的教学效果。
二、让学生体验成功
新课程提倡“以学生为本”的教育理念。心理学的研究认为:人有一种自我实现、承认、取得成功的愿望和需要。美国心理学家马斯洛在《动机和人格》一书中将其列为人的五种基本需要之一。在教学中我对全体学生一视同仁,对不同层次、不同特点的学生分层施教。我们要注意设置教学内容的层次和梯度,创设更多的条件,让每个学生都能体验到学习上的成就感,提问时学习成绩好些的问题可设置的较深些,学习存在困难的问题基本以书本为主。在高中三年一盘棋布局中,针对我校生员状况较差,我建议高一、高二备课组老师要把教学要求压得低一点,考试题目要易一点,教学内容要严格控制在必修本以内,以保护学生学习物理的积极情感。千万不能根据高考要求,过早补充内容企图一步到位,考试内容又比较难,其结果往往适得其反,好多学生在高一对物理就产生了畏惧情绪,甚至抛弃。我觉的对学生来说“成功才是成功之母”。成功引发的满足感是必要的催化剂,只有他获得成功后的满足,才会激发他对进一步成功的渴望,逐步培养起他的学习兴趣。
三、利用美育因素,进行美感教育
【关键词】物理学;科学美;物理教学;教育
科学美来源于自然美,是潜藏在感性美背后的理性美,是审美者通过理解、逻辑思维才能体会到的美。物理学是一门揭示物质存在与运动规律的自然科学,在物理学的理论体系中处处体现出科学美。物理学家们在探索自然规律的同时,总是伴随着对美的热烈追求,他们追求科学美的精神对物理学的发展起着重要的推动作用。
1 物理学中的科学美
1.1 简洁美
简洁美是以简单、洁净呈现其美感。自然界的现象是错综复杂的,然而背后隐藏的规律却是简单的。因此研究的方法和规律的表达方式应是简单的,也就是说物理理论在体系上呈现出高度的简洁美。科学家们用最简洁的语言、最少的符号、最简单的形式来表达知识及自然规律。正如著名物理学家爱因斯坦所说:“真实的世界在逻辑上总是简单的。”所以,作为反映物质运动规律的物理学来说,那种最简洁的物理理论最能给人以美的享受。物理美的简洁性并不是指物理内容本身简单,而是物理理论体系的结构和物理规律的数学表达形式简洁。例如经典力学建立在牛顿三定律之上,由牛顿三定律可以推导出全部经典力学理论,电磁学建立在法拉第的“场”和麦克斯韦方程组之上,由此可对电磁现象做出全面的解释。只有当麦克斯韦用一组简单的方程式,把大量的有关电与磁的知识以及规律概括出来,才给人以美的感受。这些简单的物理关系式,包含的内容极其丰富,揭示的规律无比奥妙。
1.2 对称美
对称美是指整体各部分之间的相称与对应。自然界中的许多现象都有着对称性,对称总能给人以美感,因此作为揭示自然界规律的物理学,当然会显示出对称美。物理学中的对称美既有物理现象的对称美,例如引力与斥力、电生磁与磁生电、粒子与反粒子等。又有物理规律的对称美,例如圆周运动、简谐振动、光与波的反射等。还有公式的对称美,例动量、能量和角动量守恒定律、洛伦兹变换式等,麦克斯韦方程组更是具有完美的对称形式。近代物理学中,对称性已成为重要的研究方法,著名结晶学家和几何学家费多罗夫,用几何体的规则系统来代替晶体的原子系统,从而将物理学问题转化为几何学中的美学问题,并借助几何学框架使晶体学问题得到了圆满地解决。
1.3 和谐美
自然界处处呈现着和谐美。物理学其理论的和谐性、体系的逻辑自洽性及各种守恒性都给人以和谐美之感。著名科学家庞加莱说:“世界的普遍和谐是众美之源”。在宇宙领域中,各种星系、各种天体尽管进行着复杂的运动,但各种星体的运动轨道又是有规律的,例如月球一边自转一边绕地球公转,旋转的速度和轨道也几乎没有差错,宇宙太空中各天体的运动配合得如此默契和谐,像是在合奏一首雄伟壮丽的交响曲。电磁学中的麦克斯韦方程组,把E、D、B、H四个物理量用优美的数学形式联系起来,并把电学中的重要常数和磁学中的重要常数与光速联系起来,从而建立了和谐无矛盾的电磁场理论。在微观领域中,原子世界是一个和谐的世界,核外电子绕着核运动、分子间存在相互作用力。
1.4 统一美
物理学中的统一美除指理论体系的统一还有真与美的统一。理论的统一就是要求理论在不附加太多的基本假定的基础上尽可能前后一致地解释更多的物理现象。例如通过热力学与统计物理学的统一、电学与电磁学规律的统一、时间与空间的统一、物质与能量的统一、实物粒子与场等几次大的综合与统一,建立起如今的物理大厦。统一美还包括真与美的统一,毕达哥拉斯学派对于真和美的理解是:美的事物一定是真的,因此美比真更本质。当他们还不知道天体的具体运动轨道时,即还不了解“真”的时候就敢于从美的愿望出发,设定天体运动的轨道是圆的。哥白尼日心说的提出,就是在美比真更本质的观点指导下的结果。从真的角度来看日心说和地心说很难判断哪一个理论更正确,因为根据这两种理论制定的历法相差无几。但从美的角度来看日心说更美一些。日心说具有无与伦比的对称性和统一性,在与托勒密的地心说之间的理论竞争中,毕达哥拉斯的科学美学思想成为这两种理论审美评价的标准。
2 物理教学中进行科学美教育
纵观物理学的发展过程可看出,物理学家对美的追求,在物理理论的发现、发展中起着十分重要的推动作用。爱因斯坦对对称美的坚定信念引导他走向相对论,他对和谐美更是近乎宗教般地相信,他说:“如果不相信我们世界的内在和谐性,那就不会有任何科学,这种信念永远是一切科学创造的根本动力……”。法拉第由于相信对称性,受奥斯特电生磁现象的启发发现了磁生电现象。狄拉克追求统一美,凭着娴熟的数学技巧,把量子力学与相对论相统一。因此在物理教学中进行科学美教育具有重要意义。
在物理教学中进行科学美教育,不是进行机械式的美学教育,而是渗透于物理课程中对科学美的发现。要求教师结合具体的教学内容,去发现科学美并把其渗透到课程教学之中,引导学生去体验科学美的奥妙。很多学生在学习物理时常常感到枯燥乏味,其主要原因是把科学理论当成一堆呆板的公式和条条框框,看不到物理学中的科学美。所以物理教师在传授知识的同时,要引导学生了解知识的产生过程、知识之间的相互联系以及知识体系的框架结构,理解物理的思维形式和思维方法,向学生展示和揭示隐藏在物理学中的科学美,从而促使学生领悟其中的魅力,激发学生学习物理的热情。例如电磁学中的麦克斯韦方程组,其本身从数学形式上看具有完美的对称性。麦克斯韦用数学方法把电磁场及其相互作用规律完美地表达出来,而且进一步又发现了电磁学与光学的联系,这就是和谐美与统一美。从发现摩擦琥珀可以吸引小物体开始,在电磁学发展的漫长岁月里,人们掌握了丰富的有关电与磁的知识以及规律,如果这些纷繁复杂的知识一一罗列出来,那么根本没有美可言,只有麦克斯韦在一八年用一组简单的方程式概括出电磁学规律,才给人以简洁、对称、和谐、统一之美。正是对科学美的享受,麦克斯韦预言了电磁波的存在,奠定了无线电通讯的基础。
物理学之美除了体现在物理知识的形式、体系结构和研究方法上,还体现在物理学家的精神上。物理学巨匠们比如开普勒、伽利略、牛顿、爱因斯坦、狄拉克等都不同程度地接受了科学美学,他们相信自然界是按和谐优美的数学公式设计的。物理学家对美的追求,强烈地影响着物理学成果的内容与形式,物理学的发展历史是一部物理学家对科学美进行孜孜不倦的追求的历史。
总之,物理学中处处蕴含着科学美,只要在物理教学中善于发现和剖析其中的科学美,引导学生去体会物理学中的简洁、和谐、对称、统一等科学之美,就能焕发学生的学习兴趣和热情,使学生陶醉于科学美的情景,领悟到科学美的奥妙,感受到科学美的精神,从而激发他们探索和创造的能力。
【参考文献】