中学物理交叉前沿科学知识分类研究获奖科研报告

中学物理交叉前沿科学知识分类研究获奖科研报告摘要：物理课程中，尚未有对前沿知识的明确界定，但许多习题中常涉及一些新的前沿物理知识与教材中基础知识的关联考察，使教学中存在诸多困境。本研究以人民教育出版社初中高中物理教材为蓝本，就物理学科教材中呈现的交叉性知识、前沿性知识等教学内容进行梳理和剖析，依据物理知识的概念、呈现的物理现象、涉及的新锐技术进行分类整合研究，为教材与前沿科学的结合内容梳理提供参考。

关键词：前沿知识交叉科学物理课程分类研究

引言

依据教育部颁行的《中华人民共和国基础教育课程改革实施纲要》的要求，教育部在对中学物理课程的内容改革中，加入部分涉及前沿科学、交叉科学、复杂科学相关的一些内容，特别是新近物理科学中的新发现、新进展等热点内容的基础介绍等。目前而言，学术界尚未对中学物理课程内容体系中的前沿知识做出明确界定，较少见到关于这方面的系统性分析，显然不利于教师合理地处理物理课程的教学内容。本研究即依据教学改革前后课程内容的对比，基于人教版教材剖析其中的前沿科学知识内容，对其进行整理分析。

1.中学物理教学内容中前沿知识的特点分析

中学物理课程学习必然关联到物理科学的相关前沿，尤其高中物理课程更加如此。例如，现代量子理论、场论、超弦理论等，还有物理学科与生物、化学、材料等学科的交叉融合，形成地球物理、非线性系统、材料物理、物理化学等分支交叉学科。这些交叉学科和物理前沿知识虽然处于科学发展的前沿，但大多不脱离物理课程的基础知识，尤其是最经典的物理基础概念，交叉复杂的前沿物理表征之下，是传统基础物理内涵的新发展、新应用。因此，本研究将具有时代性、非常识性、复杂性、交叉性特征的物理知识内容，都归纳为中学物理的前沿知识。

1.1时代性

首先，前沿知识应具有鲜明的时代性。从前沿科学知识的发现和运用时间来看，前沿知识本身是新近发现和运用的。例如，中学物理课程人教版教材中提及的黑体与黑体辐射、非线性系统、爱因斯坦光电效应，等等，皆为时下物理科学研究的热点前沿，因此顺理成章成为中学物理课程当中的前沿内容。从另一角度考察，由于新课标的要求和课程改革的推动，相对于之前的教材，新教材突破性地提及了部分新知识，如牛顿经典物理与爱因斯坦相对论及量子理论，等等，作为经典物理与现代物理的分水岭，在20世纪已经确定，但由于其复杂性和日常生活当中的运用不普遍，因此对于高中物理来说，依然将近代物理的量子理论与相对论作为前沿知识进行介绍。

1.2非常识性

前沿物理知识应当是非常识性的。即在日常生活和生产实践当中，并不广泛、普遍运用这些知识。这些知识仅在某专业领域具有不广为人知的运用与实践。对于中学生现有的知识结构来说，这类知识大大超出了学生目前的知识结构范畴和认识程度。举例如物理教学中对于真空的描述，通常将真空解释为空空如也、一无所有的地方，即不存在任何物质与能量的空间。但这种观点与解释仅在牛顿经典物理理论中成立，在近代物理中并不成立。实际上，就量子理论而言，真空作为量子场的基态，包含涨落和极化的效应。由于引力作用存在引力场等，近代科学解释早已远远超越牛顿经典物理中对真空的理解和认识，因此成为物理教学当中的前沿内容。

1.3复杂性

前沿物理知识具有相当的复杂性。这里复杂性指物理现象较为复杂和物理解释过程较为复杂。在中学物理课程教学内容中，这两类复杂性内容都有体现。其一，如大幅度摆动的单摆，需要运用非线性物理与混沌系统理论进行解释，并非简单的力的分析可以简单阐释；其二，如光电效应，虽然光电效应的发现和运用早在上世纪已经实现，但是对于高中生的认知水平和知识结构来说，对这类复杂的微观的抽象物理现象较难有直观的感受，其发生的物理过程解释较为繁琐，必须牵涉光的量子理论，以及光的粒子系统理论进行解释。在中学物理课程内容中，非线性系统与光电效应等知识，都应当归属于前沿内容。

1.4交叉性

前沿物理知识具有学科的交叉特性。由于物理学科的进展和分支差异，物理学科与许多其他学科交叉形成了新兴的交叉科学，在微观和宏观上，在运用领域上，都存在一定程度的互相渗透。如生物物理、物理化学、现代材料物理、地球空间物理等，与众多自然科学发生了多种多样的融合。这些融合和交叉同样基于许多物理知识和物理现象，同时拔高于普通的物理现象，需要与其他科学知识共同联系起来进行解释和学习。因此，这类教学内容应当引入中学物理中进行介绍，一方面培养学生对物理科学的兴趣与爱好，另一方面扩大学生的知识面，具有较好的促进作用。

2.中学物理教学内容中前沿知识的分类

纵观中学物理中涉及的前沿知识，其编排嵌入各个章节，分布在不同知识领域，其组织安排较为零散，但都与归属章节关联紧密。因此，本研究根据上述四大特点，依照从初中到高中的课程章节顺序，根据呈现形式、章节内容、关联的前沿知识等部分进行分析和归纳整理。整理归类为四个主要模块：一是非经典物理概念；二是生活中需要用前沿知识解释的现象；三是需要用到交叉学科知识解答的问题；四是与新技术应用相关的知识。

2.1非经典物理概念

近代物理的基础诸如量子理论、相对论、场论等知识作为完全不同于牛顿经典物理的内容呈现在中学物理课程内容当中，特别是高中物理内容中较多。这些知识可以有效地激发学习者的学习兴趣，引发他们的学习探究热情，激励学生勇于创新和尝试，培养学生优良的科学素养和正确的世界观、科学价值观。这些内容都具有丰富的趣味性，尽可能贴近学生的知识结构进行科普，涉及的物理概念归类如表1所示。

2.2生活中需要用前沿知识解释的现象

不同于课本当中枯燥的物理概念、原理阐述和繁琐的公式推导过程，生活当中的物理更容易使学生接纳，并容易引起学生的好奇心。但是生活中存在一些少见的现象，其中一部分与物理前沿知识密切相关，这些物理现象在普通中学生知识结构下无法解释，运用一些复杂的前沿知识对这些现象进行阐释和分析。表2统计了物理课程内容中用前沿知识解释少见的生活中的物理现象。

2.3需要用到交叉学科知识解答的问题

近代科学发展的重要特征就是交叉学科的极大丰富。特别是交叉学科往往出现在应用科学当中，因此存在较强的实用性，并且有相当一部分内容已经在社会生产和生活当中运用，只是中学生现有知识结构较难掌握，但许多内容和现象已经可以在生活中逐步遇到。这些内容提供给学生使其将物理与其他课程知识相结合，并引导学生激发想象和创造性思维，并解决生活中遇到的实际问题。具有交叉内容的物理知识整理如表3所示：

2.4与新技术应用相关的知识

物理前沿科学迅猛发展为人类社会发展与进步起到了极大的促进作用。由于超导特性的发现，使得超导悬浮列车成为现实，极大提高了列车的运行速度，对城际交通进行了优化；原子能的发现和运用使得核裂变技术为核心的原子反应堆实现了发电功能，为千家万户送去了光明，并且成了无污染的清洁能源；全息影像技术和超声技术服务与医疗技术，使得千百万新生儿疾病能够在发病初期就能及时判断并治疗，极大提高了婴儿的出生率和健康水平……这些丰富的科学技术内容从头到尾贯穿物理学习过程中，能够较好地让学生感悟到物理科学的实用性，较好地发展学生的动手能力与创新能力。新技术在中