高中文理贯通教育的思考.ppt

高中文理贯通教育的思考,浙江省宁波市效实中学 姜水根,高中文理贯通教育的思考,1 问题的提出 2 解决问题的思路 3 我们要进行的研究,1 问题的提出,1.1 从一次谈判说起,1.2 物理教学的现状 1.2.1 脱离实际,脱离实际 有一个倔强系数为8103N/m的弹簧放置在光滑的水平桌面上，将它的一端固定，它的自由端系上一块质量为4.99kg的木块。一颗质量为10g的子弹，以1000m/s的速度水平射入这块静止的木块并嵌在其中，弹簧被压缩从而做简谐振动。求弹簧的振动周期。,有一个氧气钢瓶，放在室温是27 C房间里，钢瓶里氧气的压强是15 atm，现在把它放到温度是57 C的地方，钢瓶中的氧气的压强是多大？ 用销钉固定活塞把水平放置的容器分隔成AB两部分，其体积之比=21，如图2所示，起初A中有温度为127压强为1.8Pa的空气，B中有温度为27压强为1.2Pa的空气，拔出销钉，使活塞可以无摩擦地移动（不漏气），由于容器壁缓慢导热，最后气体都变到室温27，活塞也停止运动，求最后气体的压强。,如图所示,质量为m的物体在恒力F的作用下沿天花板匀速滑动，F与水平方向的夹角为，物体与天花板之间的动摩擦因数为，则物体受到的摩擦力大小是( ) （A）Fcos （B）Fsin （C）(Fsin- mg ) （D）(mg-Fsin),图6-15,国外物理教育 一个小孩重364N，坐在重41N的凳子上，已知凳腿与地面接触的总面积为19.3cm3，问该小孩与凳子施加在地面上的平均压强为多少？,宇航员与月球登陆舱都对月球表面产生压强。如果月球舱的质量约为7300kg，并且以直径均为91cm的四个缓冲器座作为支撑，那么它施加在月球表面上的压强是多少？你如何估计宇航员所产生的压强？,要建造一座功率输出容量为1000 MW的太阳能发电厂，如果太阳收集器是效率为 90 %的光电池和反射镜。它们产生的蒸汽供给涡轮发电机，效率为30 %，问：收集器必须占多大面积的土地？,1.2.2 省略过程 实验? 过程? 故事? 趣味?,1.2.3 轻视人文 关于科学事件 关于科学结论 关于科学价值观,关于 脱离实际 省略过程 轻视人文,1.3 物理教学效果 理科生 理论 解题 结论,问题的症结在哪里？ 应试教育问题 成才观念问题 社会、文化问题,知识结构的片面性问题是一个实际存在的问题，这个问题可能跟我们的基础教育是有关的，应试教育可能是一个因素。,2 解决问题的思路,2.1 取消文理分科 现在行得通吗？,2.2 改革教材 教材改革之路 省版教材 试用本 甲、乙种本 必修加选修 较高要求和基本要求 新课程必修加选修 多年改革的效果如何？,2.3 改革课程 全方位的改革 教材内容 课程结构 教学方式 评价体系 组织形式 我们可以做什么？,多少年来的教材改革没有解决学生的知识结构问题，多少年来的教育改革没有解决学生学业负担过重的问题，当前的新课程改革又一次给我们带来了一些希望。,3 我们要进行的研究,3.1 总体目标 选修课的教材研究和教学实践,3.1.1 课程性质 形式 校本选修 内容 以物理学为中心的文理贯通知识 目的 有效改善学生的知识结构 树立科学精神和人文精神,3.1.2 研究的基础 前期我们已经做了有关的研究： 对科学和哲学进行了研究 对科学和文化进行了研究,连载1 怎样看待古希腊哲学 中学物理教学参考2004年1、2期合刊 连载2 孩子哲学物理学 中学物理教学参考2004年第3期 连载3 科学和哲学的分水岭 中学物理教学参考2004年第4期 连载4 科学统一世界 中学物理教学参考2004年第5期 连载5 理性实践信仰 中学物理教学参考2004年第6期 连载6 悖论,科学问题的哲学思辨 中学物理教学参考2004年第7期 连载7 智慧就是力量 中学物理教学参考2004年第8期 连载8 理念的世界 中学物理教学参考2004年第9期 连载9 科学规律的形式 中学物理教学参考2004年第10期 连载10 存在和变化 中学物理教学参考2004年第11期 连载11 一半随缘，一半随机 中学物理教学参考2004年第12期 连载12 科学和哲学的汇合 中学物理教学参考2005年1、2期合刊 连载13 从物质、运动不灭思想到守恒定律 中学物理教学参考2005年第3期 连载14 人择原理 中学物理教学参考2005年第4期 连载15 永恒的魅力 中学物理教学参考2005年第5期,连载1 东方文化的魅力 物理教师2007年第3期 连载2 灿烂的古希腊文化 物理教师 2007年第4期 连载3 科学的兴起 物理教师 2007年第5期 连载4 科学改变了世界 物理教师 2007年第6期 连载5 人类的交通变革 物理教师 2007年第7期 连载6 从结绳记事到互联网 物理教师 2007年第8期 连载7 娱乐的意义 物理教师 2007年第9期 连载8 战争文化的变迁 物理教师 2007年第10期 连载9 凝固的音乐 物理教师 2007年第11期 连载10 文明的两翼 物理教师 2007年第12期 连载11 科学精神 物理教师 2008年第1期 连载12 科学美 物理教师 2008年第2期 连载13 科学的文化背景 物理教师 2008年第3期 连载14 科学的社会建制 物理教师 2008年第4期 连载15 从蒙难到和谐 物理教师 2008年第5期 连载16 法的科学背景 物理教师 2008年第6期 连载17 文化的载波 物理教师 2008年第8期 连载18 理性的呼唤 物理教师 2008年第9期 连载19 时代精神的精华 物理教师 2008年第10期,对当前教育界课题立项的两点困惑： 1.研究期限为2年？ 2.研究结果一定成功？ 这项研究做过了！ 这项研究成功了？,3.1.3 课程的实施 我们在思考的问题： 教材具有怎样的面貌？ 授课模式会有变化吗？ 怎样促进学生的发展？,以校本课程的形式进行这项改革，具有灵活性。如果这项改革失败了，那么就转向别的方向。如果这项改革能成功，那么逐步把这门选修课变成必修课。,3.2 本课程内容介绍 3.2.1 四个板块 古希腊文明 科学的文化背景 历史上最美丽的实验 科学家的思维,文理贯通与古希腊文明 关于西方文化的源头 关于科学文化的源头 古希腊文明本身是文理贯通的,文理贯通与科学的文化背景 科学是一种文化 科学的形式和内容跟文化有关,文理贯通与科学史上的重要实验 实验不仅仅属于科学的范畴 实验是人做的、是在一定的历史条件下做的 科学实验本身是文理贯通的,文理贯通与科学家的思维 科学家的思维不仅是科学的 也是一定的历史的、社会条件形成的 科学家的思维内容本身也是文理贯通的,3.2.2 三条线索 历史 诗歌 哲学,第1条线索：科学史教育 关于科学史的认识 必然性和偶然性问题 关于科学史教学的做法 引入 简单化 割裂,下面列举的事例中，正确的是（ ）。 （A）居里夫妇用粒子轰击铝箔时发现了正电子 （B）卢瑟福的原子结构学说成功地解释了氢原子的发光现象 （C）麦克斯韦从理论上预言了电磁波的存在，赫兹用实验方法给予证实 （D）玻尔建立了量子理论，解释了各种原子发光现象,把科学家和科学成就进行连线 牛顿 万有引力定律 法拉第 电磁感应定律 爱因斯坦 相对论 玻尔 量子理论,历史故事给人以贯通的脉络 牛顿的少年时代 伦敦的瘟疫 剑桥的放假 牛顿的研究,三句名言，三个故事 尤里卡 给我一个支点，我就能撬动地球 不要动我的图,后续的故事羊皮书的故事 阿基米德的著作在中世纪 有3个副本,10世纪抄在羊皮纸上（希腊文） 12世纪一名僧侣得到羊皮书洗净墨迹抄写祈祷文 1906年哥本哈根大学教授发现给书上有阿基米德著作 19191922年发生希土战争该书失踪 1998年该书现身，被拍卖后送巴尔的摩华特斯美术馆 古文物复原专家复原阿基米德著作 恢复了80% 华特斯美术馆善本书籍部主任：“这犹如从公元前3世纪收到一份传真。真是令人兴奋不已。”,科学史教育 不仅是我们物理教学的内容 而且也是进行素质教育的方法 科学史教育 科学知识与技能的传授 科学过程与科学方法的教学， 科学情感、科学态度和价值观的教育。,第2条线索：诗歌 诗歌给人以联想的意象,丘成桐描述陈省身的陈氏类的研究： 采菊东篱下 悠然见南山 丘成桐描述自己的超对称的引力场结构的研究： 落花人独立 微雨燕双飞,朱夏院士： 红岩百丈英雄岭， 捻指油砂自在香。 似挽流光酬寂寞， 格孜湖水拥斜阳。,关于牛顿的评价 关于牛顿的传记 牛顿自己的语录 都没有诗歌浪漫，给人以联想,墓志铭 这儿安睡着伊萨克牛顿爵士。他以超乎常人的智力，用他所发明的数学方式，第一次证明了行星的运动和图像，彗星的轨道和大海的潮汐；他研究了各种不同的光线，以及由此所产生的颜色的性质，而这些都是别人连想都没想到的；对于自然、历史和圣经，他是一个勤奋、敏锐而忠实的铨释者。他用他的哲学证明了上帝的威严；他渡过了新教徒式的简朴的一生。所有活着的人都为有他这样一位伟人而感到幸福。,（蒲柏为牛顿写的墓志铭） Nature and natures law lay hid in night. God said, let Newton be! And all was light.,（蒲柏为牛顿写的墓志铭） 大自然及其规律 在黑暗中。 上帝说 让牛顿去吧！ 于是一片光明。,（给牛顿建立科学理论附一首诗） 一往伦敦抱敬思，剑河桥影断肠时。 千般落木见无数，万物相引梦有知。 昨念平抛随归雁，今看星箭走西寺。 今朝留影功勋树，再访英伦会有期。,（给牛顿建立科学理论附一首诗） 夜幕下的沃斯索普村 四周如梦，一片蛙声 回味着苹果落地的瞬间 追思着太阳色彩的光影 那是大自然表演的精彩一幕 引无数学子求索一生,（给阿基米德开创科学研究附一首诗） 先贤希腊哲如林，独立科学第一人。 起举地球施无力，计量王冠浴有盆。 千人持镜镜焚舰，一剑刺君君断魂。 我为奇才长叹息，羊皮书里读传真。,（给阿基米德开创科学研究附一首诗） 浴盆、杠杆、支点 你是科学史上第一人， 机器、镜子、阳光 你在保卫战中敌万人， 圆规、树干、沙盘 你的生命定格在研究的瞬间 啊！阿基米德 你的智慧跨越关山万里， 你的精神穿透宇宙永恒。,第3条线索：哲学 哲学给人以深刻的思想 科学知识中 认识论上 关于价值观方面,牛顿的发现是必然的还是偶然的？ 牛顿的世界观是怎样的？ 欧氏平直空间、均匀时间 与运动无关的时空 机械决定论 第一推动,3.2.3 作业与考核 开放性作业 实验制作的作业 学生喜欢作业吗？ 怎样考核？,文理贯通从内容上来说是古希腊文明、科学的文化背景、科学实验、科学家思维四个板块。从形式上来说是科学史、诗歌、哲学三条路径。,3.3 文理贯通教学的实践 3.3.1 已经进行的实践（2项） 古希腊文明 科学的文化背景,古希腊文明内容提要 第一部分 科学的起源（第一、二讲） 一、古希腊的神话 二、古希腊的自然哲学 三、古希腊的理性精神 四、古希腊的天文学 第二部分 希腊三贤（第三、四、五讲） 一、苏格拉底 二、柏拉图 三、亚里士多德 第三部分 传播至今的科学成就（第六、七讲） 一、欧几里得几何 二阿基米德 第四部分 古希腊与现代文明（第八讲） 一、希腊文化的流传 二、希腊的学术、民主制度、艺术对现代的影响 三、对现代文明的思考,苏格拉底之死,罪名 服从审判 我去死，你们去活，究竟谁过得更幸福，唯有神知道。,科学的文化背景内容提要 第1课 中国古代科学的特点 第2课 西方文化的源头 第3课 东西方文化的对比 第4课 科学诞生的文化背景 第5课 科学改变世界 第6课 科学发展的动力 第7课 科学和理性 第8课 时代的旗帜,博弈：点线行棋和空间行棋,科学表述,3.3.2 实践的反思 坚持方向（学生的需要） 改善形式（学生的向往） 作业是问题（学生要吗？）,本项研究的实施既有有利条件，也有不利条件。有利条件是有一部分学生对文理贯通课程有兴趣；不利条件是课程要求的落实有相当的难度。,举例片断,1. 电子双缝干涉实验,最美丽的物理实验,一、实验背景,1. 物质波理论的创立,法国物理学家德布罗意，原来学历史，第一次世界大战期间曾在军队服役从事无线电工作。平时爱读彭加勒、洛仑兹和朗之万的科学著作。后对普朗克、爱因斯坦和玻尔的工作发生了兴趣，转而研究物理学。退伍后随朗之万攻读物理学博土学位。他的兄长莫里斯德布罗意是一位研究X射线的专家，曾在1911年第一届索尔威会议上担任秘书，负责整理文件。那次会议的主题是关于辐射和量子论。会议文件对路易斯有很大启发。莫里斯和另一位X射线专家布拉格联系密切。布拉格曾主张过X射线的粒子性。这个观点对莫里斯很有影响，所以他经常跟弟弟讨论波和粒子的关系。,2. 三篇重要的论文,1923年9-10月间，德布罗意连续在法国科学院通报上发表了三篇有关波和量子的论文。 第一篇是辐射波与量子，提出了实物粒子也有波粒二象性，认为与运动粒子相应的还有一正弦波，两者总保持相同的位相。后来他把这种假想的非物质波称为相波。 第二篇题为光学光量子、衍射和干涉的论文中，德布罗意提出如下设想：“在一定情形中，任一运动质点能够被衍射。穿过一个相当小的开孔的电子群会表现出衍射现象。正是在这一方面，有可能寻得我们观点的实验验证。” 第三篇题为量子气体运动理论以及费马原理的论文 中他进一步提出，“只有满足位相波谐振，才是稳定的轨道”。 在第二年的博士论文中，他更明确地写下了：“谐振条件是 ，即电子轨道的周长是位相波波长的整数倍。”,德布罗意的论文发表后，当时并没有多大反应，一些人认为他的想法过于玄妙。后来朗之万将论文寄了一份给爱因斯坦。爱因斯坦向来欣赏物理学中的对称性，对德布罗意的想法很感兴趣，竭力支持。爱因斯坦在给朗之万的复信中对德布罗意的工作给于很高的评价，声称这是“揭开了大幕的一角”。同年爱因斯坦写信给洛仑兹，详细地谈到德布罗意的工作：“我们熟知的M德布罗意的弟弟已经对解释玻尔和索末菲的量子规则作了非常有趣的解释。我相信这对于揭示我们物理学中最难以捉摸的谜，开始露出了一线微弱的光芒。我还发现了支持他的解释的一些东西。”,3. 爱因斯坦的支持,4. 两个重要的关系式,方程的意义： 方程把粒子性的特征量与波的特征量有机地统一起来，显示了粒子波粒二象性之间的本质关系。通过方程可实现粒子的特征量与波的特征量之间的相互转换。 普朗克常量h成为德布罗意方程是否起实际作用的分水岭。由于普朗克常量h的值很小，与宏观粒子相伴随的物质波长趋近于零。方程对宏观粒子的运动没有实际意义。,1925年，戴维逊革末用具有一定波长(一定能量)的电子，垂直地射向金属镍单晶的平面上，观察散射电子束的强度与散射角的关系。 右图中，电子枪K发射电子，电子束在晶体表面上被散射，与入射方向成角的散射电子束，被与电流计相连的法拉第圆筒收集。由电流计的读数可以测出散射电子束的强度。当 角取某些特定值时，散射电子束的强度有极大值。这与X射线的衍射现象相同，从而很好的证明了电子具有波动性。,5. 德布罗意波的证实,戴维逊和汤姆生因发现电子衍射现象而获得1937年诺贝尔物理学奖。,德布罗意提出的物质波思想是一次伟大的综合。完全对立的波和粒子观念，第一次既互相排斥又彼此协调地贯穿于物理现象之中。,1926年，GP汤姆生让电子通过金属箔获得了衍射图样。,二、电子双缝干涉实验,视频：,1961年，德国物理学家约恩孙在铜膜上开了缝宽为0.3m，缝长为50m，相邻缝间距为1m的单缝、双缝、三缝、四缝、五缝做实验。实验中采用50kV电压加速电子，利用电磁透镜放大在距狭缝35cm处图像。,1. 实验装置,2. 实验现象：,理查德费曼：仔细地思考双缝实验的意义，我们就能够一点一滴地了解整个量子力学。透过双缝实验，我们可以明了量子世界的真谛。,一种看法是“波由粒子组成”。认为实验中的干涉条纹是组成波的电子之间相互作用的结果。事实证明这种看法是错误的，如在电子双缝干涉实验中减小电流的强度，使电子几乎一个一个地从电子枪射出时，实验发现，当通过的电子数比较少时，照相底片上只是一些无规则的点子，但当时间足够长，收集了大量电子以后，底板上显示了与用强度大的电子流做实验时一样的条纹。这说明电子的波动性并不依赖于大量电子在空间聚集和相互作用，既使单个电子也具有波动性。,3. 历史上的错误解释,另一种看法是“粒子由波组成”。把粒子看成是物质波的“波包”。所谓波包是指如图所示那样，其振幅只限于很小的空间范围内出现的波，它是由许多频率连续分布的简谐波合成的。这种观点把一个粒子就看成是一个波包：波包的大小就是粒子的大小。理论证明物质波包必然要扩散，形象地说随着时间的推得粒子将要愈变愈胖”。这与实验事实是矛盾的。,4. 电子的物质波到底是什么？,玻恩：单个粒子在空间的位置是不确定的，但有一定的几率分布，这分布是由物质波的强度决定的，在物质波强度大的地方，粒子出现的几率大。,薛定谔：可以认为是抹开的电子。,费曼：物体之所以发生干涉，是因为物体从出发点到终点的路程有无数多条，其中一些路径正好能发生干涉，而其他不是。由于物质自身的内秉性质，通过对无数多条可能路径的路径积分，我们可以得到一个结论：一切不合事实的路径总归是相互抵消的。,在诸多证明实物粒子的波动性的实验中，电