《天地之美的画卷》PPT课件.ppt

“天地之美”的画卷 “万物之理”的智慧 物理学是怎样一门学科？ 物理学的本质 教师教物理学教什么？怎么教？ 物理教育的功能 学生学物理学学什么？怎么学？ 学习物理学的价值 引论 一。从“科学是什么？”谈起 1。科学是人类的骄傲和智慧的体现： 在人类历史上，人类心目中的世界经历过： 想象的世界天地与鬼神； 感悟的世界体验和感悟； 形象的世界梦幻和乐园。 但是，人类不能只有自己心目中的世界，人类 能够意识到自己的地位与作用，能够用自己的智慧 来处理人与自然、人与人以及人与社会的关系。 人类需要具有实际认识世界和把握世界的能力 ， 科学是人类智慧的集中体现， 科学是人类表达自己意志的方式。 2。科学的本质和特征： 科学思想的创造性；科学精神的批判性； 科学态度的严肃性；科学方法的探究性。 科学的目的：追求真理，获得自由； 科学的精神：批判旧世界，探索新世界。 科学的动因：好奇加追求，现实加功利 科学的品质：科学是独立的；科学是朴实的； 科学是自洽的；科学是普适的。 3。创造科学和欣赏科学 创造科学是科学家追求的崇高目标，欣赏科 学是全人类的共同爱好。 欣赏科学表述的神奇 （从感受到文字再到符号的表述）； 欣赏科学图像的美妙 （从自然美到艺术美再到科学美）； 欣赏科学创造的威力 （时间尺度，空间尺度，质量尺度） 4。不要让科学之火烧毁了人类自己 “科学技术是双刃剑”。 它可以使人类文明获得巨大的进步，也 可以用来制造毁灭性的武器，破坏生态平衡 ，导致资源枯竭；可以使富人越富，穷人越 穷。 爱因斯坦在科学与社会一书中指出 ： “科学对于人类事物的影响有两种方式. 第一种方式是大家熟悉的：科学直接地、并 且在更大的程度上间接地生产出完全改变了 人类生活的工具。第二种是教育方式的 它作用于心灵。” 二。谈谈国际科学教育的趋势 1。 “2061”计划的提出： 1985年，美国科学促进协会 (AAAS)组织 26名科学家提出了一个跨世纪的科学教育计 划“2061计划”，提出了从幼儿园至高 中阶段的科学教育目标和在“科学知识、能 力和思维习惯”方面的要求。 1989年，专家组又提出了一份研究报告 “普及科学美国2061计划”，提出 了实施计划的具体步骤和方法。 1994年，美国提出科学素质的基准 1996年，美国制定全国科学教育标准 2，国际科学教育的基本趋势： 提高科学教育的地位，重新认识科学教 育的功能和作用。 重视科学教育的普及，强调科学教育质 量的提高； 更新科学教育的目标，提高学生的科学 素养。 三，科学素养，你具备吗？ 1。 中国科协最新公布的我国公众科学 素养调查显示： 2003年我国公众达到 科学素养 的比例为1。98。 比2001年提高 0。6个百分比 而美国的一项相近调查 显示美国公众具备的 科学素养比例达到 17 2。 科学素养的具体标准 对于科学知识达到基本了解的程度 。 对科学的研究过程和方法达到基本 了解的程度。 对于科学技术对社会和个人所产生 的影响达到基本了解的程度。 （中国公众科学素养调查组） 什么是科学素养? （1）了解重要的科学事实、概念、原则和理论； （2）具有把有关的科学知识应用于日常生活情景 中的能力； （3）具有实施科学探究过程的能力； （4）理解科学性质的一般原理和关于科学技术于 社会的相互作用。 （5）具有明智的对待科学的态度以及具有对与科 学有关事物的兴趣。 （引自The International Encyclopedia of Education） 例如：对四个科学术语全部达到基本了解或 完全了解的水平。2004年的科学术语是 DNA，Internet，分子和纳米。 具体题目： 1，就你来说，你认为“分子”是什么？ 物质中能够独立存在并保持该物质一切化 学特性的最小微粒； 是组成原子的基本微粒，由原子核和核外 电子组成； 与物质的化学性质有关，是构成物质的基 本微粒； 不知道; 2。就你来说，你认为DNA是什么？ 生物学名词，与遗传有关； 人体的蛋白质，存在与血液中，是白 血球的简称； 生物的遗传物质，存在于一切细胞中 ，是脱氧核糖核酸； 不知道。 3。就你来说，你认为Internet(因 特网）是什么？ 全球通信网络和计算机网络的总和； 由一些使用公共协议互相通信的计算 机连接而成的全球网络； 由多台计算机和线路连接而成的区域 网络 不知道。 4。就你来说，你认为纳米是什么？ 长度计量单位之一； 一种高科技材料； 水稻新品种； 不知道。 5。平时，你可能经常听说科学研究这个词， 就来说，你认为科学研究是什么？ 引进新技术、推广新技术、使用新技术； 观察、解释、结论； 观察、推理、实验； 不清楚 6。你对以下几种预测人生或命运的方法相 信吗？是很相信还是有些相信？是不相信还 是不知道？ 求签； 相面； 星座预测； 碟仙或笔仙； 周公解梦。 7。如果以上任何一种预测方法告诉你， 你最近将有大灾难，你将如何处理？ 不理睬； 查询有关的书籍或询问亲友； 按照预测者提供的办法避灾免灾； 不知道。 第一讲第一讲 物理学物理学“万物之理万物之理” ” 从美国新物理运动和从美国新物理运动和“ “哈佛物理规划哈佛物理规划” ”提提 出的教学基本原则引出的问题出的教学基本原则引出的问题 美国从本世纪初兴起了“新物理运动”， 即物理课程改革运动，指导这项改革的“哈 佛物理规划”提出了这样的教学基本原则： “物理教材必须现代化，必须反映最新 科学成就；要让教师和学生以物理学家认识 物理世界的本来面目去认识世界，获得认识 世界和进行科学研究的能力和方法。” 1。引起思考的问题： 什么是物理学？ 庄子曰：“原天地之美，达万物之理”。 什么是万物之理？是物理定律，定理和数 学公式的堆积 ？ 为什么要学习物理学？ 你同意这样的说法吗：“我不想成为物理 学家，也不会当物理老师，因此，我不必学习 物理学。” 学习物理学有什么用？ 学习物理学除了会熟练解题，获得前人积累的知 识，能够解释一些自然现象外，还能得到什么？ （教学生懂物理不是物理教学的全部。 2005年国际物理年。超越牛顿和超越爱因斯坦。) 你对于20世纪现代物理学的进展了解多少 ? 物理学的前沿领域有哪些？ 物理学的基本问题是什么？ 物理学与其他学科的关系？ 物理学与高新技术的关系? （三百多年和一百多年。物质观、时空观。） 两个论断： “物理学是研究物质运动和物质结 构的科学，更是人类丰富文化宝库的重 要组成部分。” “学习物理学是为了掌握一定的科学 知识和技能，更是为了学会用物理学家 认识世界本来面目的方法认识世界和创 造世界。” 什么人可以担任物理教师？ 你同意这样的说法吗： “只要具备足够的物理知识，就可 以做一个物理教师。” “一个学过物理的人，如果干不了 物理学的研究工作，也干不了其他工作 ，教中学物理总是不成问题的。” 物理学科教育具有什么功能？ 物理学科教育的功能是什么？ 随着物理学的发展，物理学科教育的 功能发生了什么变化? 与其他学科（例如化学、生物学）相 比，物理学科教育的功能有什么特点? 一个论断：“物理教育是科学素养的 教育，更是人文素养的教育”。 物理教学包含的意义是什么？ 物理教学的内涵是什么? 物理教学的价值何在？ 你认为“以学生为主体”的教学应该是什 么模式? 你认为“提倡自主、探究、合作的学习方 式”有什么意义？ 一个论断：“物理教学是知识的传授和技 能的训练，也是品格的示范和精神的感染；是 引导学生学会学习和学会生活，更是对人的价 值的体现和唤醒.” 物理教育教学研究的意义 物理教育教学研究的定位； 物理教育教学研究的类型； 物理教育教学研究的方法； 物理教育教学研究的目的； 一个论断：“从事教学研究是教师专 业能力的体现，更是一种对待人生的态度 。” 从物理科学到物理教学的一条 “长链”示意图如下： 物理科学 物理教育 物理教学 物理教材 物理课程 教学研究 第二讲 物理学的基本价值 物理学提供人们对自然界的最基本认识 和基本图像 两千多年前，我国古代伟大的思想家庄子就表 达了“原天地之美，达万物之理”的愿望。 一部物理学发展史，正是人类追求对“天”（ 星体、宇宙）、“地”（山脉、河流）以及周围自然 界“万物之理”的一幅美妙的“画卷”。物理学之所以 一直处于整个自然科学的基础地位，正是因为物理 学提供给人们的是对物质结构和物质运动形式及其 相互转化的最基本的认识。 物理学家的“手” 在空间尺度上： “大”至1026米（150亿光年； 1光年9。461015米） “小”至1019米（氢核的直径约31015米） 一“大”一“小”的数量级相距1045米！ 在时间尺度上 “长”达1018秒（宇宙年龄约为 6 1010年1。81018秒） “短”达1024秒（粒子的共振态寿命） 一“长”一“短”的数量级相距1042秒！ 物理学的历史发展 当代物理学正在三个层次上发展： 宏观层次（例如，以相对论为代表，宇宙论，天体物理） 复杂层次（例如，以非线性科学为代表，凝聚态物理等） 微观层次（例如，以量子论为代表，粒子物理等） 当今时代正在走向信息时代： 20世纪初电气化时代20世纪40年代原子时代 20世纪70年代信息时代 1687年牛顿创立经典力学体系 20世纪初以相对论和量子论为开端的现代物理学 20世纪的物理学是自然科学发展史上一个最富于物质成果 和思想成果的带头学科 一，物理学对人类未来的进步起着关键作用 1 物理学与物理教学 物理教学不仅是传授物理知识的过程，而且 更是一个认识的过程、探究的过程。 物理学研究的是自然界 的物质形态在不同层次 的结构特征和自然界不 同运动形式之间的互相 转换的学科。 物理教学是为了达到 一定的教育目标和教学 目标对物理学内容进行 重新组织和系统归纳 而形成的一门学科教学。 1。物理认识的三个层次： 从文字形式的认识到数学公式再到方法论的 认识 一是用文字和公式表现出来的关于物 质结构和物质运动形式的众多基本定理和 定律；它们集中地反映了人类对自然界不 断深化的认识。 利用这些物理学的认识，人们可以在 自己的生活和生产实践中把握自然现象的 发展和变化，从而减少盲目性，增加主动 性。 二是用数学形式表现的物理量之间的相 互关系；借助于数学公式使物理量的认识表 述的更一般，更确切，更有科学美。 三是体现在这些定理和定律中的关于对 物质世界的基本观念和理解；它们反映的是 人类对自然界图景的描绘方式和领悟， 而在每一种描绘和领悟背后往往 有着一种深刻的思想和方法论。 三百多年前，牛顿所创立的经典力学三 大定律就是在物理学发展史上有着深远影响 的理论体系。利用牛顿定律，人们可以根据 起始时刻的运动状态作出对小到一块石头， 大到对太阳、地球和月亮星体运动的预测。 实际上这样的理论创立过程可以一直追溯到 牛顿之前的笛卡儿、伽利略的奠基工作，牛 顿踏在巨人的肩膀上成了经典力学的集大成 者。 （牛顿定律适用的范围:“不大不小，不快不 慢，不死不活”的自然界。） 牛顿三大定律的相对完整性，由此引出的八大 概念，所体现的确定论因果思想，观察主体与客体 的对立的绝对时空思想以及归纳在前，演绎在后和 演绎在前、归纳在后的实验哲学方法论。牛顿物理 学割裂了人与自然的和谐。 爱因斯坦的基本常数的绝对性和与运动不可分 离的相对时空观,能量质量的统一观以及从批判基本 概念着手建立的逻辑上和心理上的概念方法论.相对 论提出的人与自然的和谐。相对论是人生现实的一 部分. 以上所提到的这三个方面是不可分割地融合在一 起的；前两个方面是后一个方面的具体表现，而后 一个方面是前两个方面的在思想上和在认识论方法 论上的源泉。 爱因斯坦曾经明确指出，他所感兴趣的“并不 是资料的历史什么时候、什么人干什么，等等 而是对观念发展的追踪。”他还指出，“在建立一个 物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。物理 书上充满了复杂的数学公式，但是所有的物理学理 论都是起源于思维与观念，而不是公式。” 正是这样的基本观念提供了物理学家进行归纳 、演绎和逻辑推理的基础和方向，指导着物理学家 的实验研究和理论活动，并把丰富的感性经验上升 为理性的认识，从而实现理论上的升华。 2。物理教学的三个目标 传统的物理教学过于注重知识本身的系统传授， 而忽视对知识形成过程和方法的精心阐述；如果提 到方法的话，物理教学更多的重视学生的学习方法 、解题方法而不是物理科学自身的形成思想和科学 方法。不同层次（初中、高中）的物理学科教学可 以有不同的教学目的，但是有三个教学目的是共同 的或者说最根本的： 一是激发学生对学习物理学的兴趣， 二是指导学生理解物理学思想的形成过程和物理学 的方法。 三是帮助学生初步建立物理学描绘出的自然图像。 如今，在相当一部分学生中存在着缺乏学习物 理学的兴趣，失去学习物理学的信心的现象，究其 原因，与物理课程的“一个过多”和“一个过少”有很 大的关系。 “过多”指的是对物理教学的学科体系强调过多 ；“过少”指的是对学科的历史发展背景，渗透在物 理学中的科学方法，当代的发展前沿和学科的应用 领域以及物理图像的学习过少。 就学习物理学的方法而言，物理教学除了告诉 学生“是什么”和“这样做”以外，还应该教会学生“为 什么”和“怎么办”。在这里“为什么”和“怎么办”的问 题就是方法论的问题。 在传授物理学知识的过程中通过对物理学历史 发展过程的考察揭示物理学发生、发展和演化及其 相应的认识论和方法论变革的历史规律，并对物理 学发展的基本趋势和它在科学技术中的地位和作用 提出科学的说明，有助于学生了解人类对自然界的 认识发生发展的基本规律，了解物理学家认识和发 现物理定理、定律的基本方法，以物理学家认识世 界本来面目的方式去认识世界，扭转目前物理教学 中由于“应试教育”可能给予学生某些被“题海”歪曲 了的物理世界的图象，从而实现个人的智力、智慧 和创造力的发展与科学知识、科学体系的形成过程 之间达到基本平行和同步。 3。我们面前的三个世界 自然科学教科书 上描绘的自然界 简化结论、 解题训练 人类面对的是一 个可能被改头换 面的、甚至被歪 曲了的自然界。 自然科学家认识 的自然界。 提出模型、 严谨推导、 演化有序 人类面对的是一 个可以认识和改 造自然界。 真实的客观的自 然界。 纷繁复杂、 千姿百态、 奥妙无穷 人类面对的是一 个对它的认识永 无止境的自然界 。 4。物理认识论从感性-理性悟性的三个基 本阶段 科学既是一种人类的知识体系，又是人 类认识世界的一种方式和探索过程，是人类 与自然界之间的一种试探和对话。因此，人 们在创立科学理论的过程中必然会涉及到对 宇宙的起源,物质的结构和运动的起因等最基 本的问题和如何正确地认识我们周围世界的 方法和由此产生的观念等认识论问题： 从认识论的角度上看，人们的认识总是从感 性认识开始，例如，在物理学上人们进行的一系列 物理实验；然而，感觉到的东西人们并不理解它， 于是，人们的认识必须从感性认识上升为理性的认 识，例如，通过大量的实验，物理学家概括、总结 得到的定理和定律； 只有对理解的东西人们才能更深刻地感觉到它 。例如，当人们掌握了牛顿提出的动力学的定律， 才能对观察到的运动和运动的变化作出区别，更深 刻把握观察或实验的目的，把“有什么，看什么” 的被动观察转变为“为了什么，看什么”的主动观 察。 但是，一个定理只能体现人们在某一个 方面的认识，这样的认识不可避免地会带上 一定的局限性。当人们在对许多物理学定理 和定律揭示的内涵进行深入思考以后，又会 发现在它们背后隐含着体现人类对世界认识 的智慧和思想。 例如，在相对论和牛顿力学中人们可以 更深刻地认识到两种不同的时空观，而在量 子力学和牛顿力学中，我们体会到的是概率 性和确定性的两种不同的认识论模式。 与感性和理性的认识相比，这样的带 有思想性和认识方法的认识更带整体性 和指导性，属于一种深层次的悟性的认 识。 在现代物理学中人们正关注着例如 宇宙的无限和有限、物质的可分和不可 分、因果的确定性和不确定性、简单性 和复杂性、可逆性和不可逆性等等的一 系列科学思想和认识模式的问题。 两个论断： 用科学家研究世界的方式去面对世界。 如何提出问题、 如何说明问题、 如何解决问题。 用科学发展所体现的认识方式去学习科学 。 如何看待 人与人、 人与自然、 人与社会 人与环境的关系。 第三讲 物理教育的功能 物理教育走向科学教育与人文教育的结合，在强化传 授学科知识和技能的同时，更注重呼唤人的价值。 一，物理学对人类未来的进步起着关键作用 1 物理学与物理教学 物理教学不仅具有培养学生提高科学素养的 过程，而且具有培养学生提高人文素养的过程。 物理学研究的是自然界 的物质形态在不同层次 的结构特征和自然界不 同运动形式之间的互相 转换的学科。 物理教学是为了达到 一定的教育目标和教学 目标对物理学内容进行 重新组织和系统归纳 而形成的一门学科教学。 2。正视物理教育的重要性 “物理学研究物质、能量和它们相互作用的学科 是一项国际事业，它对人类的未来进步起着关键的作 用。对物理教育的支持和研究，对任何国家都是重要的 。”（2000年国际物理学和应用物理学大会） （1）物理学是一项激动人心的智力探险活动， 它鼓舞着青年人，并扩展着我们关于大自然知识 的疆界。 （2）物理学发展着未来技术进步所需要的基本 知识，而技术进步将持续驱动着世界经济发动机 的运转。 （3）物理学有助于技术的基本建设，它为科学 的进步和发明的利用，提高需要的训练有素的人 才。 （4）物理学在培育化学家、工程师、计算机科学 家以及其它物理科学和生物医学工作者的教育中， 是一个重要的组成部分。 （5）物理学扩展和提高我们对其他科学的理解， 诸如地球科学、农业科学、化学、生物学、环境科 学以及天文学和宇宙学这些科学对世界上所有 民族都是重要的。 （6）物理学提供发展应用于医学的新设备和新技 术所需要的基本知识，如计算机层析术、磁共振成 像、正电子发射成析术、超声波成像和激光手术等 ，改善了我们的生活质量。 长期以来，物理教育以物理学的内容为主体，物理教 育被看成是物理学的一个缩影；在“以学科为中心”的观念 支配下， 物理教育应该以物理学内容为主体。物理教育的内 容必须随着物理学的发展而更新。在训练和培养高素质的 人才方面，物理教育有着独特的、比其它学科课程更为鲜 明的作用。 、 在课程目标上， 偏重培养系统掌握 物理知识的专门人才 在课程内容上， 偏重物理知识的 可接受性和初中、高中 知识必要的重复性 在课程实施上， 过于强调接受性学习 和机械式操练 二。物理学是当代人类文化的重要组成部分 1。物理学与世界观 物理学给人们带来了视野广阔而又深遽的世界观和宇 宙观。正是这样的世界观决定了人们对待自然界客观事物的 态度。 物理学家的“第二种哲学”对物理问题的长距离、中 距离和近距离的看法。（杨振宁） “解释世界”和“描述世界”观察自然界的两种不同的 视角。（费米） “愿天地之美，达万物之理”人类追求万“物”之“理” 的愿望。（庄子） 如今物理学思想宝库的博大精深已远非庄子时代 的朴素的科学思想可比拟。物理学体现的宇宙观和世 界观已经成了人类文化发展史上的宝贵财富。 习惯能力行为社会文化 2。物理学与认识论 物理学研究的对象是“物”，物理学的学科 体系是前人 从不同空间和时间的层次上对“物”的 认识的积累和总结留下人类对大自然从不认识到认识， 从认识不正确到认识逐渐接近客观规律的思维过程和活 动过程的踪迹。归根到底，是人与自然和人与社会的关 系的反映。 现代物理学正在成为人类发展对自己生存目标的 认识例如，道德、精神和美学价值的有力手段 。物理学已经融入人类的整个文化体系之中，成为当代 人类文化的重要组成部分。 经典物理学的“时钟” 与“零件”观 “还原论” 经典物理学的“时钟”与 “发条”观 “确定论” 三。物理教育功能的重新定位 爱因斯坦在培养独立思考的教育一文中尖锐地 指出： 如果说，几十年前，爱因斯坦就指出了当时在专 业教育中偏重知识传授的弊端，那么在今天，我们更应 该重视研究物理教育的教育目标和物理教育在“培养和 谐发展的人”方面优于其他学科的育人功能。 “用专业知识教育人是不够的。通过专业教育， 他可以成为一种有用的机器，但是不能成为一个 和谐发展的人。要使学生对价值有所理解并且产生 热烈的感情，那是最根本的。他必须获得对美和道 德上的善有鲜明的辨别力。否则，他连同他的 专业知识就更像一只受过很好训练的狗，而不 像一个和谐发展的人。 1。物理教育功能的重新定位： 物理教育不是物理学本身体系的简化和浓 缩，作为一门学科教育，物理教育有着它自身的 发展规律。 物理教育的体系不是物理学科体系的缩影， 而是物理学科中的以物理学以及与社会和生活的 关系为主要载体的、以研究提高人的科学素养和 人文素养为主要内容的一门子学科， 物理教育应该突破“以物理学科体系为中 心”的框架，建立起符合社会发展对人才的需求 的、体现现代物理学进展的，既符合学生当前的 认知发展规律、又能为学生将来的发展留下空间 的新 的课程体系。 这就是物理教育功能在物理学中的重新定位 。 2。人文素养功能是物理教育的一个重要功能 科学教育与人文教育相分离的趋势 现代教育，特别是现代学校教育，本来不存在纯 粹意义上的所谓“科学素养教育”与“人文素养教育 ”之分。然而，在当今世界上科学文化和人文文化的 两极分化却是不争的事实。 “任何教育行动都必须把重点放在下述两点上： 一是”科学的人道主义”，二是把科学运用于实践和 具体工作。“学会生存 物理教育与人文教育相融合的可能性 物理教育和人文教育都是教育的一部分 。它们在教育的功能上必定有相通之处。 物理教育 以“物”为对象 人文教育 以“人”为对象 “还原论” 和“确定论” 人与自然界的对立 “系统论” 和“随机论” 人与自然界的和谐 在物理教育中回归自然 如果问一个中学生： 你所学习的物理学给你留下了什么印象？ 可能的一个回答是：物理学众多的定理大量的习 题，严密的推导繁琐的计算。 自然界是“我”进行实验的对象，获得原料 的仓库 如果问一个大学生：你认为学习了物理学有什么用？ 可能的一个回答是：认识自然界，解释自然界，改造 自然界，索取自然界。 “我”是站在自然界对立面上的“主宰”。 每个学过物理的学生必须思考的问题： 物理教育提供的物理世界的图景是什么 在物理教育中回归社会 在学校里 教师是“知识的权威”； 讲台是“教师的堡垒”； 课桌是“学生的地界”； 在无声无息的、静悄悄 的课堂纪律中学生受到心 理和行为上的无形“约束” 。 在家庭中 学生“以自我为中心”的地 位 在“分数”“名次”的争论 中失去了切磋风气，淡漠 了群体概念。 物理实验教学是中学物理教学 的一个重要环节，也是对学生 进行回归社会教育的一种很好 的方式。 研究性学习是未来物理教育的 一种崭新的学习方式，也是使 学生回归社会的一种有效的教 学形式。 “21世纪的 教育哲学观 需要一种 全球合作精神。” 在物理教育中发展个性 知识的实用性、效益性和工具性 学生失去选 择 他可以获得许多科学知识， 但是可能丧失了敏锐客观的审美感知力； 他可以学会运用电脑的高超技能， 但可能失去了生动具体的个性； 他可以得到高薪的工作和职位， 但可能淡漠了正确的人生奋斗目标和 价值观。 未来的物理教育 应该使学生找回失落的 自我意识，培养学生学生 的学习主动性； 应该为学生营造一个 合适的物理教学环境，让学 生从中体验知识，体验知识 的道德力量和精神价值； 应该创造条件让学生发挥