大学物理课程与高中物理课程的衔接研究

摘 要:本文首先比较了教育部制订的《高中物理课程标准》和教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会最新编制的《理工科类大学物理课程教学基本要求》(2010年版)中关于近代物理部分内容的基本要求,然后,以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的《物理》和2010年8月第1版的机械工业出版社出版的《大学物理》为例,分析了高中物理课程标准实验教材和大学物理教材在近代物理知识编写上的异同.最后,深入分析了大学物理与中学物理在近代物理内容衔接中的一些具体问题,并提出了相应的教学衔接的建议,希望为顺利实现从中学向大学的过渡提供参考.

关键词:大学物理 中学物理 近代物理 教学改革 衔接

中图分类号:O57文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)03(a)-0126-03

1 引言

近代物理是物理学的近代发展,从19世纪末和20世纪初开始形成,其中量子力学和相对论是近代物理的主旋律,它们导致物理学在观念和思想上的变革,并分别渗透到微观和高能的各个领域且获得了广泛的应用和验证。近代物理学推动了信息技术、新材料技术、新能源技术、航空航天技术、生物技术等的迅速发展,继而推动了人类社会的变化[1],对人类社会产生了深刻的影响。

大学物理课程是所有高等院校理工科非物理类专业学生的一门重要的通识性必修基础课,着重讲述最基本的物理概念和物理学处理疑难问题的各种理论方法以及它在解决各种不同性质实际问题的作用[2]。大学物理课程在为学生系统地打好必要的物理基础,培养学生树立科学的世界观,增强学生分析问题和解决问题的能力,培养学生的探索精神和创新意识等方面,具有其他课程不能替代的重要作用[3]。而高中物理课程使学生学习基本的物理知识与技能,旨在进一步提高全体高中学生的科学素养,从知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观等三个方面培养学生,属于基础教育范畴。大学物理相比于中学物理,教材内容虽有部分重复,但在深度和广度上都有加深和拓展,学习目的和培养目标不尽相同。而且大学教育与中学教育的对象分属不同成长阶段的青少年,教学方法和手段以及学生的学习心理和方法也有较大区别。所以,做好大学物理和中学物理的衔接教学,使学生尽快地从中学物理过渡到大学物理的学习,是大学物理教学迫切需要解决的一个问题,也是近年来教育改革的焦点之一。

为此,本文以2007年4月第2版的人民教育出版社出版的的《物理》(普通高中课程标准实验教科书,以下简称高中物理教材)和2010年8月第1版的机械工业出版社出版的《大学物理》(以下简称大学物理教材)为例,对中学物理与大学物理中近代物理内容的衔接知识点进行探讨和分析.从教材的编写来看,不论是大学物理还是中学物理都比较重视近现代物理的内容.大学物理新增了现代科学与高新技术物理专题章节,而中学物理的教材编写也涉及到粒子物理、原子核物理、凝聚态物理、天体物理、光物理等近现代物理技术,穿插物理学在能源开发与利用、环境保护、空间科学和公共健康的应用等“科学、技术、社会”(STS)方面的话题。从物理“层次”上近代物理可分为天体物理、凝聚态物理(含固体)、原子物理(含分子)、原子核物理、粒子物理,而相对论和量子理论贯穿其中。本文主要讨论近代物理中固体物理、核物理、粒子物理及天体物理的内容,狭义相对论和量子物理基础的衔接研究将发表在《物理与工程》。

教育部2010年颁发的“理工科类大学物理课程教学基本要求”(以下简称“要求”) 中有分子与固体、核物理与粒子物理以及天体物理与宇宙学等近代物理内容。高中物理课程标准(以下简称“新课标”)中与此相关的部分有选修2-3(二)原子结构与核技术、选修3-3(二)固体、液体与气体以及选修3-5(三)原子核。高中物理教材与之相关的内容主要体现在选修2-3(第5章,第6章)、3-3(第九章)和3-5(第十九章),而大学物理教材与近代物理相关的内容主要体现在第23、24和25章.接下来,我们详细比较“新课标”和“要求”以及高中物理教材和大学物理教材的共同和差异之处,在此基础上分析和探讨加强中学物理课程和大学物理课程中近代物理部分衔接的措施。

2 分子与固体的教学衔接

2.1 “新课标”和“要求”的比较

在分子与固体部分,“新课标”中相关知识出现在选修模块3-3(二)固体、液体与气体中。内容标准为:(1)了解固体的微观结构.会区别晶体和非晶体,列举生活中常见的晶体和非晶体;(2)了解材料科学技术的有关知识及应用,体会它们的发展对人类生活和社会发展的影响。(例:知道半导体的一些特点,了解半导体技术在生活,生产中的应用;初步了解纳米材料的特性,关注纳米材料的研究和应用。)[1]

在“要求”中,分子与固体的内容都为扩展内容,教学内容基本要求包括:(1)化学键:离子键、共价键;(2)分子的振动与转动;(3)自由电子的能量分布与金属导电的量子解释;(4)能带、导体和绝缘体;(5)半导体、pn结、半导体器件[3]。

在关于晶体的介绍方面,“新课标”的重点在于从外形和物理性质方面区分晶体与非晶体,了解晶体的微观结构,知道常见的一些晶体和非晶体。“要求”中侧重让学生知道晶体的微观结构以及不同类型的化学键。在“新课标”和“要求”中都要求知道半导体的一些基本特点,但在“要求”中更明确的指出需要知道半导体的基本性质,pn结和一些常用的半导体器件。“新课标”中还让学生了解纳米材料的特性,关注纳米材料的研究和应用,这在“要求”中并未提及。“要求”中添加了很多新的知识点,诸如(2)分子的振动与转动;(3)自由电子的能量分布与金属导电的量子解释;(4)能带、导体和绝缘体。这些在“新课标”中都是没有的。

2.2 高中物理教材和大学物理教材的比较

大学物理教材的第23章是固体物理简介,在高中物理教材中与此相关的内容出现在选修3-3第九章的第1节固体中。本节的教学重点是晶体与非晶体的区别,从比较两组固体物质入手,指出固体可分为晶体与非晶体两大类,主要从外形和物理性质两方面比较了晶体与非晶体的不同。在本节中,晶体的微观结构是教学难点,教材中也用将近一页的篇幅和图例来讲述晶体的微观结构,明确告诉学生晶体的形状和物理性质之所以与非晶体不同,是因为它们有不同的微观结构。在本节最后“科学漫步”中,分别介绍了纳米材料的特性和应用以及什么是形状记忆合金和它的应用[5]。

大学物理教材固体物理简介一章中,首先更为细致的介绍了晶体的一些特殊的物理性质,接着详细叙述了晶体的微观结构,在高中教材的基础上明确提出了“空间点阵”概念并介绍了促使粒子形成“空间点阵”的共价键。接着,给出晶体的内能及结合能的一般表述。在固体中的电子一节中,主要介绍了金属中自由电子的能量分布并应用量子统计解释金属为什么具有良好的导电性。第4节通过引入能带结构告诉学生如何用晶体结构的微观理论去解释宏观上不同的导电特性,例如导体和绝缘体,并简要介绍了分子的转动能级和振动能级。最后一节从半导体的发展简史到半导体的性质和能带理论对半导体进行概述,并介绍了经典的pn结和二极管的伏安特性以及常用的半导体器件[6]。

从以上分析可以看出,“新课标”和“要求”中的知识点在高中物理和大学物理教材中都有明确的体现。对于固体物理,从中学物理中一节的内容扩展到大学物理一章的内容。中学物理仅仅是简单的概念性的介绍,让学生了解固体的基本性质和相关材料科学的发展,而大学物理中固体物理实际是对固体物理学科中重要知识点的提炼、总结。大学物理教材与高中物理教材仅有少量的重复,且都集中在第23章第1节晶体的基本特性和微观结构中。大学物理中固体物理的大部分内容对于大一新生来说是全新的,很多固体物理的专业术语对于学生来说甚至是艰涩难懂的。

2.3 衔接措施

固体物理学是研究固体物质的物理性质、微观结构、构成物质的各种粒子的运动形态,及其相互关系的科学,是基础理论和众多高科技应用学科(如:金属物理、半导体物理、磁学、低温物理、电介质物理、表面物理、非晶体态物理、材料科学)等之间的桥梁。固体物理教学内容有较多的专业术语、涉及一些空间图形变换、复杂的数学演算,是学生认为较为难学的章节之一。所以,做好大学物理中固体物理的教学衔接工作,使学生尽快地从中学物理过渡到大学物理的学习尤其重要。为做好课程的衔接,我们给出下面几点建议:(1)重视引入教学,良好的开端是成功的一半。在引言中使学生了解固体物理的传统内容,发展历程,以及和其他众多高新技术学科之间的联系,对以后学习有一个纵观的了解,这样可以激发学生的学习兴趣,从开始学习就做到心中有数。(2)在固体物理的教学中贯彻一条主线:固体物理是研究固体的结构及其组成粒子(原子、离子、电子等)之间相互作用与运动规律以阐明其性能与用途的学科,是从微观的角度来揭示固体的宏观物理现象。由于固体物理内容在大学物理中属于扩展内容,课时有限,教学中必须简化公式的推导、方程的求解等环节,教学中贯彻了这样一条主线,能使学生的物理概念、物理模型清晰,有利于对基础知识的掌握。(3)物理知识具有系统性和连贯性,大学物理的部分知识是在中学物理基础上的提高,在讲授两者之间重复的知识点内容时,首先简要复习中学物理知识,随后指出中学物理知识的局限性或特殊性,从而比较自然地引入课题。在讲述第1节晶体时,不妨先复习一下高中物理固体一节的内容,相对来讲,高中教材讲述的晶体和非晶体更生动,容易接受,但同时指出高中物理教材的不足,例如只是泛泛的说明晶体具有特殊的微观结构,并没有告诉我们是怎样的结构以及相应的特点。接着具体讲授晶体的微观结构,引入“空间点阵”的概念,让学生了解基元、晶格、晶胞等基本概念,进而介绍七大晶系和14种布喇菲格子。(4)固体物理和当今最活跃的纳米科学技术、凝聚态物理和超导物理等现代科技知识紧密相连,在高中物理教材的“科学漫步”中已简单介绍了纳米材料的特性,在大学物理的教学中可将第26章现代科学与高新技术物理专题的部分内容诸如凝聚态物理、纳米科技、超导科技等知识引入固体物理的教学过程。这将有助于提高学生对该部分内容学习的积极性,极大的拓展学生的视野,同时也给课堂教学增添活力。

3 核物理与粒子物理以及天体物理与宇宙学的教学衔接

3.1 “新课标”和“要求”的异同点

“新课标”的核物理与粒子物理知识在选修模块2-3(二)和选修模块3-5(三)中,天体物理与宇宙学知识在3-5(三)的内容标准的第7条中体现,具体内容标准见表1。新课标2-3(二)原子结构与核技术和3-5(三)原子核的很多知识点是重复的,不过相同的知识点在3-5中要求更深一些。例如2-3(二)中的内容标准(1)中提到会用半衰期表示衰变的速度。而在3-5(三)(1)中就要求会用半衰期描述衰变速度,知道半衰期的统计意义。再如,2-3(二)中的(3)为初步了解放射性同位素概念以及应用,这在3-5(三)的(2)中变为了解放射性的应用。另外,在3-5(三)还增加了部分知识点,例如核力的性质、核反应方程、原子核的结合能等。

在“要求”中,核物理与粒子物理、天体物理与宇宙学都为扩展内容。其中核物理与粒子物理教学内容基本要求包括:(1)原子核的一般性质,(2)放射性衰变、辐射剂量,(3)原子核的裂变与聚变,(4)粒子及其分类,(5)守恒定律,(6)基本相互作用与标准模型。天体物理与宇宙学教学内容基本要求包括:(1)星体的演化:白矮星、中子星和黑洞,(2)广义相对论基础:等效原理、弯曲时空、引力红移和引力辐射,(3)宇宙学:大爆炸理论、宇宙膨胀、宇宙背景辐射.与“新课标”比较可以看出,核物理与粒子物理教学内容基本囊括了“新课标”的2-3 (二)和3-5(三)中的知识点,但“要求”中有一半内容是关于粒子物理的,这些知识点在“新课标”中仅有很少量体现。在“新课标”中天体物理知识的要求很少,只是让学生初步了解恒星的演化,但在“要求”中作为独立的一个模块让学生了解和学习,着重让学生了解广义相对论、宇宙学、微观,宏观和宇观物理规律之间的联系,帮助学生建立科学的自然观和宇宙观(表1)。

3.2 高中物理教材和大学物理教材的异同点

大学物理教材的第24章是核物理与粒子物理,第25章为天体物理与宇宙学,在高中物理教材中与此相关的内容出现在选修2-3的第5章(放射性与原子核)和第6章(核能与反应堆技术)以及选修3-5的第十九章(原子核)中。高中物理教材选修2-3中的第5章首先分别介绍了射线、射线、射线的基本特性,由此引出原子结构的发现和原子核的组成。第2节介绍了原子核的衰变和半衰期,并重点讲述了著名的碳14鉴年技术.第3节和第4节是关于放射性同位素在工农业、医疗卫生和科学研究等方面的应用以及常用的射线探测技术的内容。第6章分别介绍了核反应、核能、核裂变、核聚变和受控热核反应。让学生知道大众传媒经常提到的原子弹和核电站的工作原理,告诉学生人类是如何和平利用原子能的。本章最后还有关于恒星内部的热核反应的介绍。选修3-5中第十九章的是关于原子核的内容,本章与2-3中第5章和第6章的内容有大量重复,例如天然放射现象、原子核的组成、原子核的衰变、半衰期、探测射线的方法、放射性的应用与防护、核反应与结合能以及核裂变与聚变等在2-3中已经讲述过。在本章第5节中增加了核力与基本相互作用力的介绍,让学生知道核力的基本特点,最后一节还简单介绍了粒子物理和天体物理的部分内容。

大学物理教材第24章——核物理与粒子物理分为7节,首先讲述了原子核的构成、大小以及自旋和磁矩。第2节介绍了核力和核力的一般性质,并在此基础上介绍了原子核结合能的计算。第3节主要介绍了衰变、衰变、衰变及它们的一般表达式,之后给出放射性衰变的统计规律和半衰期的计算。原子核的裂变与聚变被安排在第4节。第5节到第7节是关于粒子物理的内容,依次介绍了“基本粒子”的发展历程、粒子的分类、重要的守恒定律、四种基本相互作用以及夸克物质,最后还提及粒子物理中著名的标准模型。第25章介绍了三个方面的内容:恒星演化和他们的最终产物—白矮星、中子星和黑洞;广义相对论的两个基本原理以及一些奇特的推论,例如弯曲时空、光线引力偏折;大爆炸宇宙学和宇宙学中两个最著名的成就—哈勃定律和微波背景辐射。

对比大学物理教材和中学物理教材,可以看出,高中物理教材相当重视原子核、放射性和核能的教学,有些内容甚至重复介绍。大学物理教材在高中物理的基础上对很多知识点和概念进行了总结,并做了深层次的讲述。例如在原子核的一般性质一节中加入了原子核半径的估算方法的介绍,引入原子物理的知识介绍了原子核的自旋和磁矩。高中物理教材中两次提到原子核的质量亏损,但都是基于爱因斯坦相对论质能方程的简单介绍,而大学物理却给出了计算质量亏损的一般公式,并以235U为例介绍了结合能和比结合能的计算.高中物理教材让学生充分了解了射线、射线、射线的特点,大学物理则主要介绍产生这些射线的衰变、衰变、衰变反应,并给出了反应的一般表达式。高中物理教材大篇幅重复介绍了原子核的衰变、探测射线的方法以及放射线的应用与防护,而大学物理教材着重讲述了放射性衰变的统计规律并给出计算具体衰变数目的公式。重核的裂变和轻核的聚变在高中物理教材中也是重点讲述的内容,大学物理对此部分内容并没有过多阐述,只将其中的要点进行了总结。大学物理教材中粒子物理和天体物理及宇宙学的内容在中学物理教材中较少提及或者没有讲述,这些知识对于学生来说是全新的。

3.3 衔接措施

基于以上对大学物理教材与中学物理教材的比较和分析,大学物理教学可以从以下几方面加以改进,做好课程的衔接:(1)适当增加课时量,重视近代物理教学.大学物理课程的教学模式中,一直把普通物理力学、热学、电磁学和光学部分作为绝对重点,近代物理部分占用的比例相对较少,要求低,甚至列为不考试的内容。由于学时紧的原因,近代物理以相对论和量子理论学习为主,较少讲述固体物理、原子物理、核物理与粒子物理等高新技术以及天体物理、宇宙演化等新理论的近代物理知识。这些知识又非常广泛,许多内容很难在大学物理课程有限的时间内加以容纳。因此,教师应尽可能压缩大学物理力学、热学、电磁学和光学部分,转变传统的教学模式,改革教材的体系结构,建立一个新的课程知识体系加强近现代物理的教学。(2)对于大学物理和高中物理重复的内容时,要适当简化,避免不必要的重复。例如核物理部分,在高中物理教材中已经有了详细的讲述,且部分内容还重复出现,大学物理讲述时要突出要点,重视难点,注意深度和广度的拓展。还可适当复习一些中学物理的内容,但要注意重点突出,简明扼要,目的是要由此引入大学物理新内容,重点是讲解大学物理知识。(3)改进教学内容和方法,提高教学质量。中学物理每节课的内容少,教师讲授很仔细,面面俱到。而大学教学内容多,进度快,教学内容抽象,难度大。许多问题要留给学生自己思考,给学生留有较大的探索思考的余地。如果学生缺乏学习的主动性和探索精神,就会感到很不适应,甚至产生厌学情绪。而且,就近代物理内容来说,中学物理教材的讲述更加生动,易于接受,大学物理教材重视从更深层次揭示物理原理和物理理论,讲述上稍显刻板且信息量大。因此,我们建议,大学物理要注意教学内容不可过专、过细,最好以讲座的形式结合现代物理前沿课题进行讲授,尽量不去进行完整的演绎推证,讲授方式采用精简式与渗透式相结合的教育方法。近代物理中的很多知识点比如夸克、宇宙大爆炸、广义相对论等在日常生活中比如电视、书籍上会经常看到,学生对这些知识也是充满好奇,但很多学生只是大概的了解,并不知其所以然。所以在教学方法上可采用讨论式教学,课前提出讨论课题和大致内容,鼓励学生利用各种手段查找相关的资料论著。由此唤醒学习的主体意识,让学生主动参与教学,调动学生学习的积极性。在研讨课上,教师要把握好研讨的内容和节奏,把研讨引向深入,真正让学生知其然更知其所以然。(4)采用多媒体教学手段,激发学生学习近代物理的兴趣.近代物理信息量大,与现代高新技术和前沿学科联系紧密,在教学中引入多媒体教学,可以达到事半功倍的效果。例如在讲授天体物理中的恒星演化及超致密星体时,由于笔者近年来一直从事这些领域的研究,掌握较多相关内容的图片和动画素材,并了解该领域最新的研究进展,将这些内容穿插在教学中将大大激发学生的学习兴趣,提高教学质量。

4 结语

大学的课程中很多都会涉及到大学与中学教学的衔接问题,大学物理和中学物理的教学衔接是个普遍问题。本文主要研究了大学物理中近代物理部分内容的衔接教学,从教学内容、方法、手段等方面努力探索,比较研究,给出了一些加强和改进大学物理和高中物理衔接的措施,希望能够帮助学生从中学顺利过渡到大学学习,提高大学物理教学的质量。大学物理和中学物理的教学衔接是一个系统工程,这需要有更多的教师来关心和投入到教学改革的研究中,实事求是地做好大学物理和中学物理的教学衔接工作,充分继承和发展中学物理课改成果,使学生系统地掌握必须的物理知识,了解当今物理学前沿和新的科技成果,培养学生科学的思维方式和研究问题的方法及创新精神,使他们成为未来社会发展的高素质、创新型人才。

参考文献

[1] 李尚仁.高中物理课程标准教师读本[M].武汉:华中师范大学出版社,2003.

[2] 兰智高.“大学物理教学衔接问题”的研究述略[J].枣庄师范专科学报,2002,19(2):31～33.

[3] 教育部高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会.理工科类大学物理课程教学基本要求.北京:高等教育出版社,2010.

[4] 郑海务,康缈,任凤竹,尹国盛.大学物理课程与高中物理课程的衔接研究--近代物理部分(1)[J].物理与工程,2011,21(5):45～48.

[5] 张大昌,彭前程,张维善.物理(普通高中课程实验教科书第2版,选修3-3[M].北京:人民教育出版社,2007.

[6]尹国盛,彭成晓.大学物理(下册)[M].北京:机械工业出版社,2010.

[7] 梅显秀.固体物理教学改革的探索与实践[J].大学物理,2010,29(7):43～45.

[8]张大昌,彭前程,张维善.物理(普通高中课程实验教科书第2版,选修2-3) [M].北京:人民教育出版社,2007.

[9]张大昌,彭前程,张维善.物理(普通高中课程实验教科书第2版,选修3-5)[M].北京:人民教育出版社,2007.

[10] 孟桂菊,杨昌权,兰志高.加强大学与中学物理衔接[J].黄冈师范学院学报,2004,24(3):77～80.

[11] 葛自明,阴其俊.工科院校近代物理教学内容和方法改革探析[J].化工高等教育,2007,94:29～31.

①基金项目:教育部物理基础课程教学指导分委员会教改项目(WJZW-2010-43-zn),河南大学教学改革项目资助。

作者简介:康缈(1979—),女,河南汝南人,博士,副教授,在教学研究方面主要从事大学物理的教研工作。

推荐访问:课程 衔接 高中物理 大学物理 研究