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高中物理选修2系列的特点与选学指导

    在普通高中物理课程标准(实验)中,选修系列2——选修2-1、选修2-2、选修2-3:是以物理学的核心内容为载体,侧重从技术应用的角度展示物理学,强调物理学与技术相互作用,着重体现物理学的应用性、实践性。本系列课程模块为进入普通高校工科学习的学生提供了必要的物理学基础知识,使其能理解技术应用中所包含的物理学知识,体会物理学与技术的相互关系。
  
  一、增加物理选修系列2的依据
  
  (一)体现物理学与技术的关系
  
  物理学是自然科学的基础学科之一,它在自然科学中占有重要的地位,数次工业革命都与物理学的进展紧密地物理学联系着,物理学同时也在不断地推动着技术的进步。
  
  一般来说,一种技术的形成和完善,通常总是要以某种科学理论为基础,形成这种技术的技术原理,选择某种技术方案,并确定具体的实施方案。因此,我们可以把技术原理和技术方案称之为技术形成过程的结构要素,物理学对技术发展的作用渗透在技术形成的全过程中,我们可以用下面的示意图表示。
  
  1.物理学为技术原理的形成提供了依据
  
  所有在生产中发展起来的技术都是依据一定的理论的,其中许多技术都是以物理学的理论为基础的,如火箭技术是以力学原理(牛顿运动定律、动量守恒定律等)为基础,无线电通讯技术是以电磁学理论(麦克斯韦方程、欧姆定律等)为基础,激光技术以原子物理学和光学(受激辐射原理、光的干涉原理等)为基础,热工技术以热力学原理(热力学第一定律、热力学第二定律等)为基础,1785年建立库仑定律,中间经过伏打、奥斯特、安培等人的努力,直到1831年法拉第发明电磁感应定律,导致此后半个多世纪,各种交、直流发电机、电动机和电报机的研究应运而生,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。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。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!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。
  
  总之,从物理学和技术的发展史来看,每个新的物理效应的发现,每个新的物理规律的得出,都会形成新的技术原理。物理学的基本原理对技术的发展提供了坚实的基础,为技术原理的形成提供了依据,物理学的原理潜在的社会效益对文明的贡献大部分是通过技术在实际中的应用来实现的,使物理与生活紧密联系了起来。
  
  2.物理学为技术方案的选择提供了基础
  
  物理学不仅为技术原理的形成提供了依据,还直接影响了技术方案的选择和技术实现的方向。如电磁感应定律的发现为研制发电机提供了技术原理,但应用这一原理去制造出满足实际需要的发电机却存在着多种方案,发电机的磁场可以用永磁体、永磁体组合、它激式电磁铁、自激式电磁铁;而发电机的电枢的形状可以用圆筒形、双T形、齿形、环形、鼓形等等。经过了近50年的探索,最后终于采取了鼓形电枢的自激式电磁铁,在这一技术方案的选择过程中,电流的磁效应、电磁感应、磁滞和剩磁理论等电磁学的理论起到了指导的作用。
  
  3.物理学为技术方案的实施提供了条件
  
  一种技术的方案确定后,下一个问题就是如何实施了,显然,在实施过程中还会遇到大量的问题,如在设计原子反应堆的技术方案确定后,在建造和运转原子反应堆的具体过程中,还要考虑核原料的提纯、临界体积的确定、减速剂的选用、铀钚转化循环的实现、冷却和热交换器的设计、放射性的防护和监测、核废料的处理等问题,在解决所有这些问题的过程中,物理学同样起着不可缺少的作用,这些问题的解决也都需要借助于物理学的理论和方法(当然,也会用到其他的科学知识)。
  
  4、技术应用不断为物理学提出新的问题,促进物理学的发展
  
  17世纪末叶发明了巴本锅和蒸气泵,18世纪末技术工人瓦特给蒸汽机增添了冷凝器、发明了活塞阀、飞轮、离心节速器等.完善了蒸汽机使之真正成为动力其后,蒸汽机被应用于纺织、轮船、火车,那时的热机效率只有5%--8%.1824年工程师卡诺提出他的著名定理,为提高热机效率提供了理论依据.到20世纪蒸汽机效率达到15%,内燃机达到40%,燃气涡轮机达到50%.19世纪中叶科学家迈耶、亥姆霍兹、焦耳确立了能量守恒定律,物理学家开尔文、克劳修斯建立了热力学第一、二定律.这里的模式是技术向物理提出了问题,促使物理发展了理论,反过来提高了技术,也称技术、物理、技为术的模式。
  
  (二)物理教育与科学、技术、社会(STS)的融合
  
  科学、技术、社会与物理教育的融合是物理教育的理念之一。在国外,学者们对STS有广义与狭义两种理解。在广义的理解中,STS体现为一个学科群,是科学史、科学哲学等等(还包括技术史、技术哲学、科学社会学、技术社会学、科技政策研究等)学科对科学、技术与社会的相互关系的研究的总称。在狭义的理解中,STS则是以传统的科学史、科学哲学、技术哲学等学科为基础,在更高的水平上进行理论综合,而形成的融合了上述传统学科之基本内容的一门新兴的交叉学科,它追求对科学、技术与社会之相互关系的新理解。科学、技术与社会”(STS)的思想与基础科学教育的融合,是从系统论的角度看待科学、技术与社会之间相互关系的一种理论和行为指导思想,并将这一理论和行为的指导思想运用到物理教育实践当中,包括将物理、技术社会作为一门课程,作为一种教学思想方法,作为一种教学活动,在物理、技术和人文之间架起一座沟通的桥梁。
  
  如前所述,物理与技术相互促进,技术推动社会生产力的发展与人们生活水平的提高。科技发展引起了许多新的问题,如是否应该发展核能,是否应该谨慎地加以限制基因工程的研究,应怎样控制世界人口,怎样控制非再生能源的消耗,怎样避免战争、环境污染,又怎样防止或消除等等。倘若国家中社会和科学技术明显分离,自然科学和人文科学相互脱节,而自然科学又占统治地位,技术的非理性将给社会带来严重后果。
  
  因此当代科学技术的发展对教育的内容、方法、观念及人才的培养都提出了新的要求,实际上,现代的社会需要更多的是有现代观念、有一定专长、也了解其他领域知识的通才。科学技术越专业化,越可能使得人们沉迷于技术的发展中,而只看到很窄的方面,甚至忽视了科技发展可能带来的负面影响。STS教育正是在出现了以上问题的情况下才逐渐形成的,它可以从根本上改变传统教育的不足。使学生在更宽的视野中(比如历史的、哲学的、社会的、伦理的,等等)理解科学的本质、科学技术发展的规律、科学的方法、科学的思想、科学技术和社会之间怎样相互影响、相互促进等等。
  
  在课程改革以前,我国的物理课程在知识系统上,深度上不亚于世界上任何其他国家。但单从一个维度上设计课程是不可取的,从知识建构的社会性来看,不利于学生全面理解物理概念原理和科学的性质,不利于培养社会广泛需要的具有较高科技素质的,具有正确的科学价值观的劳动大军,事实说明我们培养的学生的科技素养并不是世界一流的。
  
2019届高三各学科一轮复习精编