物理学地位作用的论文

物理学毕业论文 时间:2018-09-17 我要投稿

  摘要:物理学是一项国际事业,它对人类未来的进步起着关键的作用。在中学的各门课程中,物理课在提高学生的科学素质方面起着无可替代的作用。本文从物理学的重要作用出发阐述了对中学物理教师的要求。

  国际纯粹物理和应用物理联合会第23届代表大会(1999美国亚特兰大市)通过决议,呼吁社会正视物理学的重要性。对物理学的作用,大会的口号是“探索自然,驱动技术,拯救生命”。决议指出:“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,它对人类未来的进步起着关键的作用。对物理教育的支持和研究,对所有国家都是重要的。”

  中等教育阶段,是一个人从少年步入青年的时期,是身心成长趋于成型的时期,是在知识上和能力上为今后的工作和学习打基础、作准备的时期,有着特殊的重要意义。在中学的各门课程中,物理课在提高学生的科学素质方面起着无可替代的作用。对于这个问题,我想从20世纪科技发展大的背景谈起。

  1、物理学推动了20世纪科学技术的高速发展

  20世纪,是科学技术空前高速发展的世纪。在此世纪内,人类社会在科技进步上经历了一个又一个划时代的变革。这个世纪之初,无论在动力和信息交流方面,人类社会就全面地进入了“电气化时代”。这是19世纪安培、法拉第、麦克斯韦等一批物理学家和爱迪生等发明家努力的结果。从上个世纪之交放射性的发现,经过近半个世纪原子物理、核物理的研究,40年代物理学使人类掌握了核能的奥秘,把人类社会带进了“原子时代”。今天核技术的应用远不止于为社会提供长久可靠的能源,放射性与核磁共振在医学上的诊断与治疗作用,已为人所共知。这个成果是和卢瑟福、玻尔、爱因斯坦、居里夫人和她的女婿和女儿约里奥-居里夫妇、海森伯、费米、哈恩等一大串光辉的名字分不开的。到了50、60年代,物理学家又发明了激光,它的理论基础是爱因斯坦1916年提出的光的受激发射过程。今天激光技术已广泛应于尖端科学研究、工业、农业、医学、通讯、计算、军事和日常生活,成为几十亿、上百亿的巨大产业。

  20世纪科学技术给人类社会带来的最大的冲击,莫过于以现代计算机为基础发展起来的信息技术。号称“信息时代”的到来被誉为“第二次产业革命”。的确,计算机给人类社会带来如此广泛而深刻的变化,是二三十年前任何有远见的科学家都不可能预见到的。现代计算机的硬件核心是半导体集成电路,PN结是基础。半个多世纪前,巴丁、肖克莱、布赖顿等三位物理学家发明了晶体管,标志着信息时代的诞生。从我们物理学家的眼光看来,这个婴儿在娘胎里至少孕育了20年。这就是说,20年代建立量子力学之后,物理学家发展了费米-狄拉克统计、能带论,从此有了电子和空穴的概念。尔后用掺杂的办法产生了N型和P型的半导体,这才为晶体管的发明打下基础。

  以上成果又是和一连串物理学家光辉的名字——薛定谔、海森伯、狄拉克、泡利、布洛赫、索末菲等联系在一起的。自从40年代末晶体管问世以来,60年代制成了集成电路,从70年代后期起,发展成为大规模集成电路,而后是超大规模集成电路,集成度以每10年1000倍的速度增长着。在有的人看来,物理学对高技术的贡献属于过去,今天我国发展高技术的关键在于新材料、新工艺。殊不知,微电子加工和分析手段本身,如离子注入、激光退火、卢瑟福背景散射谱、俄歇电子谱、X射线发光光谱、二次发射离子质谱,以及高分辨的电子刻蚀、同步辐射光刻,哪一样不是从物理学各分支的实验室里移植到工业上去的!现在教育界大谈素质教育和培养学生的创新精神,我想,20世纪高科技发展的事实证明,重大的创造来源于新的物理思想,否则只是“小打小闹”,成不了大气候。

  2、物理学和其它自然科学的关系

  谈了物理学对高技术的推动之后,我们再谈谈物理学和其它自然科学的关系。

  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。自从伽利略、牛顿以来,物理学与天文学已是精密的理论科学,然而长期以来,包括化学在内的其它自然科学却一直是经验性科学。1998年的诺贝尔化学奖颁给了W.Kohn和J.A.Pople,以表彰他们在量子化学方面所做的开创性贡献。颁奖的公报说,量子化学将化学带入一个新的时代,化学不再是纯实验科学了。化学是研究分子的学科。此前,如果说物理化学还是物理学和化学在较唯象层次上的结合,则量子化学已深入到化学现象的微观机理。近年来,量子化学、激光化学、分子反应动力学、固体表面催化和功能材料等物理学与化学间的交叉学科,取得了长足的进展,今后两学科之间的合作将更为兴旺发达。

  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。物理学和生物学的相互渗透,前途是不可估量的。早在40年代,量子力学的创始人之一薛定谔在《生命是什么?》一书里预言:“生命的物质载体是非周期性晶体,遗传基因分子正是这种有大量原子秩序井然地结合起来的非周期性晶体;这种非周期性晶体的结构,可以有无限可能的排列,不同样式的排列相当于遗传的微型密码;……”他所说的这种“非周期性晶体”,就是存在于细胞核染色体中的DNA分子。1953年沃森(J.D.Watson,年青的细菌遗传学博士)和克里克(F.H.C.Crick,一位二战前受过传统物理学训练的人,战后转为生物物理学研究生)共同发现DNA分子的双螺旋结构。核物理学家伽莫夫(G.Gamow,大爆炸宇宙论的创始人)用信息论的方法推测,DNA的遗传密码中,每个“单词”都是用三个“字母”组成的。这些推测相继得到实验证实,20世纪60年代三联密码逐一被破译。薛定谔在《生命是什么?》一书中还有另一段名言:“生命之所以能存在,就在于从环境中不断得到‘负熵’”。作者还说:“有机体是依赖负熵为生的”。这就是生命的热力学基础。60年代比利时科学家普里高津(I.Prigogine)的耗散结构理论,证实了薛定谔的预言。当前生命科学中分子生物学、量子生物学、遗传信息学、蛋白质结构等新兴学科的研究正方兴未艾。人们说21世纪是生命科学的世纪,一位物理学家则说,21世纪是物理科学全面介入生命科学的世纪。

  1997年诺贝尔经济学奖授予的项目,是一个对全球金融产生巨大影响的期权定价模型—BlackScholes公式。公式的主要创建人F.S.Black的学历背景如下:1959年毕业于哈佛大学物理系,1964年获该校应用数学系博士,1971年任芝加哥大学经济系教授。可惜他于1995年去世,未能享受诺贝尔奖的殊荣。当前出身数理的人跻身于经济学界的大有人在。

  翻阅一下现在物理学的许多重要期刊,或看看许多国际物理学术会议的日程,就会发现,诸如蛋白质折叠、免疫网络、化学键断裂、水土流失、交通堵塞等,大量本不属于物理学内容的标题,赫然入目。人们不禁要问:“什么是物理学?”的确,今天再从研究对象来回答这个问题已很困难。我们的看法是,不管什么问题,当物理学家用物理学的方法去研究它时,就把它变成了物理问题。物理学,是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套最全面最有效的科学方法。我们说,在对学生的科学素质教育中,物理课有着无可替代的重要作用,根据就在于此。

  3、对中学物理教师的要求

  我认为,作一名优秀的中学教师,除了良好的师德之外,最重要的是两条:一是先进的教育思想,二是较高的学术水平。

  3.1转变教育思想

  先谈教育思想。过去比较重视知识传授,现在提倡素质教育,其实两者不应是对立的。学校的功能是传授知识,脱离了科学知识的背景,科学素质教育是空的。在传授知识的同时,应注意培养学生的科学素质。但绝不能把素质异化为知识,灌输给学生。

  科学素质教育中很重要的一点,是培养学生的创新精神。关于这个问题,我想借杨振宁先生的话来发挥。下表是杨先生为中、美教育所作的比较:

  中美

  严格、坚实的训练不规范的训练

  谦虚和循规蹈矩自大并充满活力

  小心谨慎、缺乏自信勇敢、自信

  兴趣集中于相对较窄的领域随心涉足广阔领域、兴趣广泛

  被动主动进攻

  上表中的词句是褒是贬,和我们中国教育的传统看法恐怕有些出入。事物往往不那么绝对,说褒贬参半也许更为恰当,不过这里包含了中西教育思想上的重大差别。杨先生认为:“中国传统教育提倡按部就班的教学方法,认真的学习态度,这有利于学生打下扎实的基础,但相对来说,缺少创新意识;美国提倡‘渗透式’的教育方法,其特点是学生在学习的时候,对所学的内容往往还不太清楚,然而就在这过程中已经一点一滴地学到了许多东西,这是一种‘体会式’的学习方法,培养出来的学生有较强的独立思考和创造能力。易于很快地进入科学发展的前沿,但不如前者具有扎实的根基。中美两种教育方式各具特色,长短互补,若能将两者的优点和谐地统一起来,在教育方法上无疑是一个突破。”

  在我国,有一种普遍的提法:作为一名好教师应当“课堂上解决问题”,把所教的内容都“讲深讲透”,不给学生课后留下疑难,让学生课后提不出问题。所以我国的教师都习惯于把知识组织得井井有条,对课程内容的每个细节作详尽的解说,对学生可能发生的误解一一予以告诫。我粗略地估计,同样的内容,在我国现在课上所用的学时,至少比西方多50~100%。现代物理学中的新事物,怕不能讲透而引起麻烦的,在课堂上宁可只字不提。这就是我国细嚼慢咽的讲授风格,封闭式的教学方法。

  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)。”所以好的老师不是讲得学生没问题可问,而是启发学生提出深刻的问题。长期以来在我国有种提法,即“培养学生分析问题、解决问题的能力”。我认为这个提法没有说到点子上。“启发学生提出问题的能力”才是科学素质教育的关键。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。”

  国际物理教育委员会前主席焦塞姆(L.E.Jossem)说:“最好的老师,是让学生知道他们自己是自己最好的老师。”亦即,老师的责任是教会学生自己去取得知识,老师教的目的是让学生以后不需要老师。

  以上是我们教育思想最需要转变的方面。

  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?

  3.2提高学术水平

  现在谈中学教师的学术水平问题。

  在教学中提高学生的素质,需要老师有较高的素质。提高教学水平的关键是师资的学术水平。学术水平高,教学水平不一定高;但学术水平不高,教学水平最多达到一定程度就饱和了,不可能太高。中学教师的学术水平怎样才算高?至少应该是大学本科毕业。师范还是理科?我们的看法,师范物理系与理科物理系在学术水准上不应有区别。如果说要体现师范性,那就是在基础物理方面对师范生的要求更高。

  培养学生创新意识,更需要老师自己有过创新的经历。从长远看,中学教师应达到硕士水平,我指的是物理学硕士,因为在研究生阶段才有真正从事创造性工作的经历。现在许多中学为了对付高考,都在高中拿出一年的时间进行“题海操练”,学生没有心思顾及与高考无关的问题。这种情况大大伤害了学生创造性的思维。这是一个社会性问题,我们已有另文评论,不在此地多说。正常的教育环境下,中学生思想应该很活跃,能给这样的学生有效的指导,对教师的要求是很高的。就物理教师而言,真正理解中学物理的课程内容,要求对大学物理有较透澈的理解;能给学生一些启发,教师要对物理学和其它科学的当代发展比较熟悉。

  为了提高中小学教师队伍整体素质,教育部提出中小学教师继续教育的规定。《大学物理》本是针对大学物理教学的,从这个角度看,它正好能对中学物理教师的继续教育发挥自己的作用。所以我们特开辟“中学物理教师继续教育”这一栏目,以便在这方面作出我们的贡献。

相关推荐