科学素质融入物理学教学的研究

章登宏 张先梅 陈建华 房 毅 钟菊花 陆 慧

（华东理工大学物理系，上海 200237）

摘 要 为了培养学生的科学素质和创新意识，在物理教学过程中做了一些有益的实践：阐

述了科学素质的基本含义，尝试了转变教学理念、加强物理学教学研究、开设窗口、精选内容、精心组织教学，从时空观、对称性、守恒律和非线性体现物理学现代化，结合物理学史与物理实验的教学培养科学素质，传播科学知识与传播科学思想、方法融合，物理学的术语与社会科学的联系，对社会现象进行定性化或者定量化的描述,给出深入浅出的解释，活跃思维，开阔视野，从多个方面做了研究。

关键词 科学素质；物理学；创新意识；教学实践

科学素质主要包含3方面：一是掌握所学的科学知识；二是探寻科学知识的兴趣；三是研究科学知识的方法。在物理学教学活动中，充分考虑到它在自然科学中的特殊地位：它为20世纪科学、技术和社会的发展提供了许多成熟的理论和科学方法，是许多新学科、新技术生长基础，是社会和谐发展的科学动力，物理学知识和方法是自然科学研究和工程技术工作者必备的基本素质，提供科学术语的表达素材。在教学活动中，如何处理好传授知识与培养科学素质、创新能力结合起来，做了一些 尝试。

1 强调教学与素质培养的教学观

如今，思想的教育、专业知识的传授、疑惑的解答，这3项职能，尚未完成物理学教育赋予的使命，而培养大学生的科学素质，则是物理学教育最根本的职能。按照加强基础、拓宽专业、注重实践、培养能力、提高素质的思想，要培养创新精神和创新能力的高素质人才，就必须尊重学生的主体意识，鼓励学生提出问题、探讨问题、支持学生的求异思维。

物理学是培养学生科学素质的重要基础课，教师教学观念要更新，业务水平要增强，教学能力要提高，既要充分发挥课程的育人作用，又要坚持内容体系和教学方式的改革，还要遵循教学的基本规律，坚持知识、能力、素质协调发展和综合提高的原则。

在教学过程中，科学地处理好各教学环节之间的关系，建立“宽、精、新、活”的内容体系和课程体系，加强开放性、注重发展学生个性，试图通过知识的传授和能力的培养转化为科学素质和创新意识的提高。

2 以近代物理学为背景，实现传授知识现代化

物理学教学内容体系庞大：力、热、光、电、磁等，既有经典，又有近代，为了适应21世纪高素质人才培养的要求，教学内容的改革势在必行。 收稿日期：2017-06-17

基金项目：工作得到2013年上海市《热学》精品课程、2013年上海市《电动力学》、《大学物理》重点课程、2015年上海市重点教育教学改革项目、2016年华东理工大学教育教学改革项目和公选课程建设的支持。

作者简介：章登宏，男，副教授，主要从事物理教学科研工作,研究方向为微电子与固体电子，dhzhang@ecust.edu.cn 引文格式：章登宏，张先梅，陈建华，等．科学素质融入物理学教学的研究[J]．物理与工程，2017，27（Z1）：51-55．

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2.1 精简经典、精选现代物理学的内容

2017年全国高等学校物理基础课程教育学术研讨会

经典的物理学与中学内容联系较多，对迅速发展的科学技术涉及很少，采取压缩经典物理学的措施，利用有限时间开设窗口介绍近现代物理学的发展历程、每一次变革取得的成就和产生的经济的、技术的效应。教材内容选择和讲授做到如下几点：首先融进现代物理学知识，这是物理学课程现代化的重要方面。在内容选择上，改变经典物理学知识框架与体系，以内容为线索串在一起讲授。其次讲授时删减或压缩一些传统内容，如用高等数学知识直接介绍一些物理学问题。

物理学教学中，以物理发展中的实例概括物理学的特点，介绍理想模型、假设、推理、数量级估计和物理实验在物理学及相近科学中的作用；谈物理学、技术、社会和经济的紧密联系。使学生对物理学有初步的整体图象，既学知识又学方法，有利于认识物理学在后续课程的重要地位。 2.2 介绍新知识，启发学生的创造性思维

偏重近、现代物理学知识，介绍新知识，突出物理学与高科技的联系。一是增加介绍相对成熟的理论，如相对论、量子物理学、原子核与粒子物理学、非线形物理学等；二是介绍当前物理学热点，如分形、混沌、渗流、非平衡理论等初步知识；三是介绍对高科技发展有重大影响的技术和有些正在探索的课题，如宇宙的大小、引力子的存在等。四是介绍与量子卫星、量子通讯和量子纠缠关联的量子物理学知识。目前出现的高新科技绝大部分都直接或间接地同物理学相关联。如正在研制的离子束武器，理论基础是：物理学中，把电子、质子、中子等极微小的粒子统称为微观粒子，尽管它们的质量很小，但当它们获得极高的速度时，将具有较大的动能。如果将许多高速运动的粒子汇聚成一股高速运动的密集束流，将具有极大的动能。这样的粒子流射向目标，能发挥比枪弹或炮弹更大的威力。因此，丰富了知识，开阔了视野，激发了浓厚的求知欲望，培养了学生的想象力和创造性思维能力。 2.3 从时空观、对称性、守恒律和非线性体现物理学现代化 2.3.1 时空观[1]认识世界

时间和空间是人们进行自然活动的场所，也是和物理学密切联系的。在物理学中，既介绍牛顿的绝对时空观、伽利略蕴涵的时空观（两者均为经典时空观），又介绍爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论时空观，也有量子时空观。让学生了解时空观的发展，经过了近300年的历程，以便对时空观理解得更加透彻。 2.3.2 对称性[2]理解未知

对称性概念在现代物理学中占据了支配地位，是现代物理重要的指导思想和最基本的工作语言。对称性是科学理论必须具备的基本特征。众所周知，理论必须被实践（或实验）检验。在讲授物理学课程时，强调实验（或实践）结果不因时间而异，这是表现为时间平移对称性；实验结果不因空间（地点）而异，这就是空间平移、旋转对称性；实验结果不因人（参考系）而异，这是相对论阐述的对称性。只有具有对称性的理论，才是可检验的，也才是科学的。对称性体现了物理学简单、和谐、统一的审美原则。

2.3.3 守恒律释疑解惑

20世纪物理学发展表明守恒量和守恒律在宏观、微观领域占重要地位。采用从质量定义、动量守恒和引力定律出发讲物理学的体系；为体现物理学特点，通过“气垫导轨实验”引入质量和动量概念。有利于学生正确看待实验和理论的关系，便于较早提出粒子和场都有动量，便于认识牛顿定律的适用范围，更接近现代物理思想。此外，还通过实验和观察引入角动量。教学改革宜继承又革新，注意保持物理学体系简明的优良传统，又融入现代物理学的观点。

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2.3.4 非线性探索大自然

对待非线性，爱因斯坦说：“真正的规律不可能是线性的，……”。分形、混沌运动是非线性系统特有的行为，是20世纪物理学重要成果且与物理学密切相关。在万有引力部分通过著名天体物理学家策比黑利的工作就保守系统谈了运动对初值敏感的特点。教学经验表明，青年宜尽早接受新观念的熏陶，激发他们的兴趣和探索欲望，对未来的学习和工作有极大的积极影响。

3 物理学史与物理实验的教学中培养科学素质

3.1 有效渗透物理学史培养科学精神

物理学史既是科学，也是文化[3]：一是记录了过去经历的科学事件和取得的成果，二是表达了物理学思想的渊源、传递和发展的文化，三是宣传了科学与文化的结合、分化、交织，四是继承了物理学文化的逻辑性、系统性、思想性和连续性，五是形成了具有理性特征的时空观、因果观、人生观、道德观、世界观，六是两种文化的隔阂在加大，为了加强交流和联系，大学校园里的弥合具有极好的氛围和平台，将会营造和谐的世界，友好的环境。

物理学史蕴含了丰富的科学知识、方法以及人文精神，对于促进学生形成良好的科学素养具有重要意义，介绍如赵忠尧、王淦昌、周培源、钱学森和牛顿、爱因斯坦、霍金等的成就。将物理学史引人教学中，对科学的发展历程，学生“参与”物理知识发现的过程，刨根问底，有助于增强学生学习物理的兴趣和信心；有助于培养学生实事求是的工作态度和脚踏实地的工作作风。整个物理学史是一幅认识自然和改造自然、理论与实验交叉、失败与成功并存，逻辑与非逻辑并用的丰富多彩的画面。 3.2 实验教学促进理论联系实际

物理课程有极强的实际应用性，物理教育必须要重视将理论与实践的紧密结合，是培养学生基本操作技能和创新能力的重要途径。同时，通过对实验教学的改革，能够培养学生的非智力因素，具有专业背景、又素质极高的新型人才。物理实验中抓好五个环节：首先培养学生的基本实验技能和科学态度，两个方面着手：正确使用物理基本实验仪器，养成良好的实验习惯；其次有计划地训练探索物理规律的科学方法，物理实验往往是保持其他条件不变情况下，控制一个条件的变化来观察所产生的物理现象，由此通过综合、概括、总结导出规律；三是训练学生用实验数据绘图、寻找规律或建立概念的科学方法；四是撰写实验报告，分析讨论；五是开放实验室，进行创新研究活动。

通过活动，提高了解决实际问题的能力，达到“构建多元化开放式实践教学体系培养大学生的“四种能力”[4]的实际效果。利用和挖掘已有的资源优势，创设有利于对实验的设计思想、方法、技术和科学实验的认识的实验环境，培养观察、分析、动手、想象的能力，达到具有厚基础、宽专业、较强的创新意识、较高的实践能力、视野开阔的高素质人才的目标。

4 传播科学知识与传播科学思想、方法融合

将物理学与现代科技和社会相联系，反映中外科学家成就：将牛顿创立引力定律与灵感和顿悟联系，将刚体研究方法与质点类比，将麦克斯韦的电磁场理论与假设联系，将安德森发现正电子、劳伦斯制造回旋加速器、卢瑟福原子核模型和密里根油滴实验等获诺贝尔奖的项目引进课堂，此外还涉及粒子对撞机和LHC、猫的翻身下落、相对论效应对元素周期性质的影响等。

关注科学对人类、社会的发展和作用，将严密抽象的物理知识通俗化，创设一个趣味性的物理环境。如在讲授三种宇宙速度时，简要介绍嫦娥奔月包含的丰富的科学思想、技术特征、经济效益等；在讲气体动理论时，将氢气、氮气、氧气的方均根速率与逃逸速率比较，进一步分析地球与金星的大气层，引出温室效应和保护环境的碳排放，传递保护环境和可持续发展的概念。鼓励学生勇敢探索，活跃思维，激发学习物理学的兴趣、探索奥妙无穷的物理世界、开阔视野，培养坚定理想信念和优良

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道德品质。

以提高学生的智力、非智力因素和科学素质为目的，以师生互动为基础，提高效率。多种教学方法灵活运用，如启发式、问题求解式、命题讨论式、数形结合[7]、类比[8]等，调节课堂气氛、活跃思维，对培养学生科学思考问题具有一定的启发。传统与现代、黑板与电脑、课堂与网络，介绍前沿科技，增大信息量，是提高教学质量的关键，还能起到激发学习的兴趣、探索奥妙无穷的世界、开阔视野的作用。

物理学科研究中常用的思想方法是：感性思维——观察和实验；理性思维——归纳和演绎，分析和综合等。科学方法的重要性不仅在于总结和解释已知的事实，更重要的在于用它推测出未知的事实，探索大自然。

物理学科与自然科学存在着紧密结合的关系，相互影响、相互渗透；同时，物理以其极快的速度融合到社会科学、自然科学以及艺术科学等诸多领域，因此也产生了一个极为庞大的物理学的交叉学科。如今，物理与社会科学的联系愈加密切，通过物理方法对社会现象进行定性化或者定量化的描述，以此形成一种特定的自然语言，如“社会引力与斥力”[9]的描述:“从上心理”——初始型引力，“从众心理”——学习型引力，“从源心理”——理想型引力，将此归为“社会引力束”，深入将事件本质挖掘出来，将社会现象中的一些难点通过物理知识明晰的解答出来。可见，物理术语提供了独特的思维方式，从科学角度予以解释，已经成为必备的基本素养。

5 结论

物理学源于实践活动，其基本观点、科学术语、思维方法、研究手段、实验设计、模型构建、技能技巧已经渗透到包括社会科学、人文科学在内的各学科之中，产生了许多边缘学科和交叉学科，代表着一整套获取知识、组织知识和运用知识研究未知事件的有效方法。毫无疑问，物理教育在培养公众的科学素质中起着其他学科无法替代的作用和地位。

感谢顾英俊老师的交流和讨论，获益匪浅！

参 考 文 献

[1] 杜谓霖. 物理中和谐的世界观及宇宙宏观发展趋势[J]. 科学导报，2015(3)：241.

Du Weilin. Harmonious World view and the trend of the macroscopic development of universe in physics[J]. Scientific Guide, 2015(3): 241. (in Chinese)

[2] 高策，赵丹. 基于对称性论物理学本体、认识与方法三者关系[J]. 山西大学学报：哲学社会科学版，2016(4)：1-11.

Gao Che, Zhao Dan. Discussing the relationship of noumenon、recognization and methods according to symmetry[J]. Shanxi University Journal: Philosophy and Social Science Edition, 2016(4): 1-11. (in Chinese)

[3] 吴宗汉，周雨青. 物理学史与物理学思想方法论[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007: Ⅰ.

[4] 韦化. 构建多元化开放式实践教学体系培养大学生的“四种能力”[J]. 实验室研究与探索，2011，30(5)：1.

Wei Hua. The construction of pluralistic and exoteric the system of practice teaching and cultivation of university students’ four abilities[J]. Research and Exploration in Laboratory, 2011, 30(5): 1. (in Chinese)

[5] 贾书惠. 猫下落时的翻身与运动生物力学[J]. 力学与实践，1990(3)：10-15.

Jia Shuhui. Turn over and motion biomechanics in falling cats[J]. Mechanics and Practice, the Third Issue of 1990: 10-15. (in Chinese) [6] 周公度. 结构和物性[M]. 北京：高等教育出版社，2013年6月：24-31.

[7] 房毅等. 基于“数形结合”多角度思维的思想方法培养[J]. 物理通报，2013(5): 20-23.

Fang Yi et al. The Cultivation of thinking methods in multi-angles based on the combination of numbers and shapes[J]. Physics Bulletin，the Fifth Issue of 2013: 20-23. (in Chinese)

[8] 章登宏，房毅，张孟. 浅谈物理学研究和应用中的类比法[J]. 物理与工程，2009(5): 24-26, 35.

Zhang Denghong, Fang Yi, Zhang Mang. Introduction to analogy method of research and application in physics[J]. Physics and Engineering, 2009, 19(5): 24-26, 35. （in Chinese）

[9] 牛文元. 社会物理引论[M]. 北京：科学出版社，2016：139-142.

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INTEGRATING SCIENTIFIC QUALITY INTO PHYSICS

TEACHING

Zhang Denghong Zhang Xianmei Chen Jianhua Fang Yi Zhong Juhua Lu hui (Department of Phycics, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237)

Abstract：In order to cultivate students’ scientific quality and creative consciousness, some useful research has been done in the course of physics teaching：describing the basic meaning of the scientific quality and try to change the concept of teaching, strengthening physics teaching and research, creating modern window of physics teaching, selecting content and organizing teaching carefully, embodying the modernization of the physics from space-time view, symmetry, conservation law and nonlinear, cultivating scientific quality which is combined with the history of physics and physical experiment, popularizing scientific knowledge and methods and fusion of methods, the communication of physical terminology and society science, doing the qualitative or quantitative description of society phenomenon and explaining it into a simple language, making thought more active, widening visual field and doing research in more fields.

Key words：scientific quality; physics; creative consciousness; teaching practice

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（上接第50页）

参 考 文 献

[1] 王瑞且，宋善炎. 物理方法论[M]. 长沙：中南大学出版社，2002.

[2] 邓世玺. 浅议类比法在物理教学中的应用[J]. 中国科教创新导刊，2013，3: 189.

THE USE OF ANALOGUE METHOD IN COLLEGE PHYSICS CLASSROOM IS CONDUCIVE TO THE DEVELOPMENT OF

STUDENTS’ THINKING ABILITY

Wang Wenchun Li Xuechun Zheng Shu Li Shufeng

(National Demonstration Center for Experimental Physics Education (Dalian university of technology)，

Dalian Liaoning 116024)

Abstract：This paper discusses the experience of using analogue method in college physics classroom teaching, and focuses on the symmetry analogy and covariant analogy method applied in college physics classroom teaching. In college physics classroom teaching has received the good teaching effect by adopting the analogy method, on the one hand, can deepen students’ understanding of physical concepts, contents and principle, on the other hand can broaden the students’ thinking ability, guide students to think deeply about some of the problems of physics, inspire the enthusiasm and interest of the students to learn physics, is of great significance for students to understand and master the scientific knowledge.

Key words：symmetrical analogy; covariant analogy; physical education; innovative thinking

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