物理前沿知识作为新课导入进入中学物理课堂

陈咏钜 李 敏

（赤峰学院 物理与智能制造工程学院 内蒙古自治 024000）

一、背景

二十一世纪科技迅速发展，学生可以通过手机、电脑、参观科技园等方法，学习新鲜的、前沿的物理知识。在新高考改革背景下，物理学科进一步得到国家以及理工科高校重视。在某中学见习时，发现物理教师新课导入新课内容差异不大，内容不新颖，不容易吸引学生兴趣。根据一份调查报告显示[1]：多数物理教师未能够明白新课导入的重要性、局限于形式——“可有可无”“设计随意”。以新颖的、引人入胜的物理学科前沿知识导入新课，会提升学生学习兴趣以及对物理学习的热爱。

二、理论依据

1.马斯洛需要层次理论

马斯洛需要层次理论，被比喻为一个七层金字塔。这个金字塔由低到高为生理的需要，安全的需要，归属与爱的需要，尊重的需要，求知与理解的需要，审美的需要，还有自我实现的需要。因此，学生为了进一步发展，会踏向第五层——求知与理解的需要——也是成长性需要的开始。永远不会满足是成长性需要的重要特征。

2.陈述性知识建构的基本机制

从赫尔巴特提出“同化”这一概念，皮亚杰对其进行了发展，提出了“同化与顺应”才是能形成“图式”。“同化”是将新知识融入现有的认知结构中。新知识如果与原有知识产生了冲突，则会更改学生原有的认知结构，这一过程被称为“顺应”。后来，奥苏伯尔在皮亚杰的理论上，进一步提出“上位学习”“下位学习”和“并列学习”。

3.耶基斯-多德森定律

这一定律讲述了学习动机与学习效果之间的关系。学习动机与学习效果并不是线性相关或者正比关系，而是倒“U”关系。影响学习效果的因素有任务难易程度、动机强烈与否、学习者本身能力等诸多因素。对于复杂的物理前沿知识，作为新课导入来简单介绍是合适的。

三、物理前沿知识

1.物理前沿知识

顾名思义，即在物理学科发展的前端研究性知识。与之相对应的还有经典物理，甚至还有物理学史。物理知识可以分为经典物理和前沿物理（现代物理）两部分，这两部分知识有着各自不同的思维、方法和研究思路[2]。笔者认为完整的物理知识，应当是这经典物理、物理学史与物理前沿知识的结合。随着信息技术的提高，经典物理学内容、物理学史在中学物理课堂得到了较好的展现，但物理前沿知识，并没有充分融入教师实施的课程中。

物理前沿知识有什么特点呢？通过查阅相关文献[3，4]，综合整理过后并且结合自身所上的“物理学科前沿”专业课程，得出了以下特点：

（1）复杂性。物理前沿知识，是研究物理最前端的知识。关于这一类知识的研究，基本都是科学家们在研究。专家与普通学者有着巨大的差别，例如知识的完整性、检索知识的能力、思考的全面性、知识运用的熟练性、反复作业次数等等。

（2）学科交叉性。解决一个前沿物理问题，除了需要有熟练的物理学知识以外，还要拥有各个学科的知识，例如大学课程中有“数学物理方法”“物理化学”等综合课程。只有通过广泛涉猎各个学科，才能够更好解决问题。例如要想解决“孔雀开屏”“壁虎变色”等问题，就需要了解光的性质与特点，还需要了解动物身体构造。

（3）非常识性。《普通高中物理新课程标准》明确指出：高中物理课程应当引导学生经历科学探究过程，体会科学研究方法，增强创新意识和实践能力，形成科学态度、科学世界观和正确价值观[5]。物理前沿知识则非常重视创新与实践能力。

（4）时代性。科学是一直在进步的，随着人们对某一物理现象、理论有了更加深入的认识之后，便会朝着不同方向去深入研究。例如，在航空航天领域，过去科学家在研究怎们飞上天，现在科学家们在研究怎们在太空中立足。中国科学家在航空航天领域取得了卓越成就，建立起了完全属于中国的太空空间站。

2.初中、高中物理教材的前沿知识分析

教材会与时俱进。教材编写专家会不断地增加前沿物理知识。在前人研究的基础上，对文献中表格进行分析[3，4，6]，并针对初中与高中光学部分的内容对比分析，绘制了以下表格。

综合前人的分析与表1中内容，得出以下特点：

表1 人教版初、高中有关光学部分前沿知识

（1）初中、高中物理教材中，涉及非常多的物理前沿知识，有一定的占比。

（2）在教材中，物理前沿知识涉及面广阔，从宏观物体到微观粒子，从声、光、热、力、电、磁、宇宙都有涉及。

（3）物理前沿知识展现形式多样。有正文必学、正文了解、习题了解，科学漫步（世界）等多种形式。并且必学与选学分布上差不多。并且高中物理课本对物理前沿知识对初中物理前沿知识要求更加深入。

（4）从非前沿知识来看，高中物理还涉及更多的光学知识，例如光的衍射、光栅实验等等，与大学物理中光学能够更好地接轨，更加接近物理前沿知识。

因此，教材编写专家们早就认识到物理前沿知识的重要性并且渗透进入了教材方方面面。然而，由于教师地对前沿知识不甚了解、学生学业繁忙等因素，所以这一部分内容并未真正意义上渗透进入教学课堂。

四、学科前沿导入新课

一堂好的课堂，从新课导入开始。笔者从物理学科前沿知识着手解决新课导入问题。阅读文献，发现大部分教学工作者以及研究人员对课程导入的方式方法、原则单独研究居多，对于解决导课问题相对较少[7-9]。

1.什么是新课导入及其重要性

开始一堂新课，往往是从导入环节开始，这一环节被称为新课导入。新课导入重要性体现在以下两个方面：

（1）唤醒学生的情绪，吸引学生注意力。无论是在第一堂课还是其余某一个时刻的课程，学生的注意力是涣散的。老师采用“提问”“看视频”“动手实验”等多样性方式，来提醒学生开始上课了。学生在课堂情绪高，注意力集中，那么课堂效果好，已成为不争的事实。

（2）提升学生的学习兴趣。课堂导入如果能够进入学生的兴趣所在处，那么学生的学习便会很快进入主动状态。一个会主动学习的学生，成绩也不会差。口头上对学生灌输“学习是你自己的事，要主动”等，远不及一个优秀的新课导入来唤醒学生主动学习。

2.结合物理前沿知识导入新课的原则

由于物理前沿知识的特点，普通的课程导入原则是不能够很好地解决这一个问题。因此，列出了如下的导入新课原则：

（1）择性。选择性体现在二个方面：首先，选择内容为该堂课的课程目标服务，这也是导课基本原则之一。学生通过新课导入，应当抓住该课程的要点。其次，选择的内容应该具有显著物理前沿知识特点。物理前沿知识具有学科交叉性特点，我们要重点突出物理部分。

（2）适度性。首先，在导入新课只是作为一堂课的开端，是上好一堂课的重要环节之一，因此要把握好时间的长短。3到5分钟能够完美完成新课导入，同时也能够为后面正式讲解知识点留下充分时间。失败的新课导入原因之一就有导课时间太长。其次，物理前沿知识难度很大，并不适合学生深入学习，容易使学生产生挫败感，反而对教学效果起了抑制作用，因此要把握好前沿知识内容的难度。

（3）引导性。学习是一项脑力活动，教师的任务就是要让学生在学习过程之中积极思考。新的学生观告诉我们，学生是独立的人，是教学活动中学习的主体。物理前沿知识导课的目的，就是为了让学生成为学习的主人，彻底摆脱“老师牵着鼻子走”的现象。同时还能够激发学生对科学的热爱、对未知世界探索的热情，真正地拥有科学素养。

（4）可操作性。绝大部分初中和高中，并不像大学或科研所一样，能够拥有豪华的实验室、昂贵的实验设备。因此，价格是影响该前沿知识能否展现在学生面前的一个因素。同时，如果我们采用视频、文献等资料来展现，要考虑能否展示，是否合法、合规。学生的实际情况，也是同样重要的。同一份材料，教师面对物理平均水平不同的学生，要做出调整，否则达不到预期的效果，甚至会产生抑制作用。

（5）完整性。虽然物理前沿知识具有“不完整性”，但是导课应该具备完整性。教师在使用物理前沿知识材料时，根据需要可以适当提出问题；但是在一堂课结束（或者一章节结束）后，教师要回到导课材料中，通过向学生提问或者其他方式，对提出的问题用已有的知识进行初步地解答。

五、教师做好物理前沿知识导课

由于中考和高考等因素的影响，大多数学生并没有更多的时间阅读物理前沿知识的科普读物、参观科技馆学习新知识。因此，学生希望物理前沿知识由老师带领了解和学习。因此，这一节具体讨论教师专业化发展之一，学科知识专业化发展。物理教师怎样用学科前沿知识导好新课呢？本文从思想上、行动上两个方面来做出解答，并且给出了不同方法来进行物理前沿知识来进行新课导入。

要解决问题，首先要抓思想。一，教师要重视课程导入环节，不能够简单地认为它只是上课一环节，不能够流于形式，应当深刻认识到课程导入的重要性。二，时代是发展的、进步的，身为教师要紧随时代步伐。在这个知识更新速率极其快速的时代，物理教师应当学习物理前沿知识。三，学生与教师都是发展的，都应向更好的一面发展。在《学记》中，对于教学相长，有着详细描述，可以这么理解：学生的发展与进步，可以带动教师的发展与进步。四，教师要有终身发展的意识。

作为一名物理教师，应该有丰富并且正确的经典物理学内容传授给学生。其次，物理教师关注到学生的学校之外的生活，发现学生学习物理的兴趣点并且充分利用。最后，物理教师要学习物理前沿知识。当然，教师不是专门研究物理学术的科学家，是会存在一些文献看不懂的情况。因此可以从最基本的原理、功能以及应用方面，来拓宽自身的视野。

新课导入除了形式、方法多种多样之外，内容也是多种多样的。教师除了使用教材和教案提供的素材，还可以加入物理前沿知识来进行新课导入。

六、基于物理前沿知识进行导课设计

1.设计一：图文结合导课法——以“光导纤维传感器”导入《全反射》

以人教版高中物理选择性必修第一册（国家教材委员会专家委员会审核通过2019年版）第四章《光》第二节《全反射》内容为例[10]。在分析初中、高中人民教育出版社的物理教材时，发现对光导纤维的介绍，仅仅停留在通信方面；对传感器的介绍中，缺少了光纤传导器。光纤传感器在生活中也使用较多，例如光纤传感器感应温度、震动等，并且给人民的生活带来巨大的经济效益。根据这一分析，笔者借助文献[11-13]，设计了图文结合新课导入法，从崭新的角度来介绍光导纤维进行《全反射》导课。

教师引导同学【回顾】“光的折射与反射”（注【】表示关键动作或环节，下同）

教师【展示文字与图片】光导纤维，也被称作光纤。现在光纤传感器是一种典型的常见的传感器。设计师人员用光导纤维传感器去监测桥梁【图片】，矿井安全人员用光纤传感器监测设备安全【图片】，中科大的教授团队，还用光导纤维感应温度【图片】、感应地震等【图片】，取得了显著的成就。

教师【提出问题】它是什么？有什么作用？

同学【相互讨论】并且抽取同学【回答】。

学生【阅读完成并作答】。

教师根据同学作答情况【补充知识】，并开始【正式上课】。

分析：教师展现图文，高度概括了光的全反射原理的应用，打开了学生的视野，让学生知道身边的光导纤维除了通信作用以外，还有传感方面的应用。同时采用图文并茂的导课方法，培养学生阅读能力的同时，还给了学生一个清晰的表象。

2.设计二：视频展示法——以“半导体与超导体”导入《导体的电阻》

在人民教育出版社高中物理必修三（国家教材委员会专家委员会审核通过2019年版），第十一章《电路及其应用》，第二节中讲述导体的电阻知识点[14]。教材以导线损耗电能为例，来谈论导体的电阻相关知识。在课本正文中简单提及了超导体发展，拓展部分展现了半导体“单向导通性”，只要求学生选学。整体来说，学生了解此部分非常少。笔者另辟蹊径，找到了展现半导体和超导体特点和应用的视频，以此来作为导课。

教师【展示视频】，并提出问题“半导体有什么特点和应用”与“超导体有什么特点和应用”

学生【看完视频】，抽问【回答特点】。

教师根据学生回答情况，给出【评价和总结】，接着进入导体学习。

分析：结合小视频，给同学们展现了半导体和超导体的特点，既给同学拓宽了视野，又为接下来导体的学习形成了对比——对比学习可以加深同学们的印象。

3.设计三：演示法——以“自制吸尘器”导入《流体压强与流速的关系》

在人教版八年级下册物理教材（教育部审定2012版），第九章《压强》第四节《流体压强与流速的关系》中，用了一个“口吹硬币”的小实验来引导接下来的学习[15]。虽然这个实验简单易操作，但是却缺失了学生的生活感。笔者依据家庭常用的吸尘器制作了一个“自制吸尘器”来导入这一章节。“自制吸尘器”制作简单，成本极低：一个空塑料瓶口、一个小马达、几张硬纸板、一小节电池、几根导线。

教师【展示实物图片】吸尘器，【提出问题】。

学生【回答】，并且分享【现象】。

教师结合同学作答【评价】，并且【演示实验】，请同学【体验】，并提出【问题】

同学【体验】并且【观察】，【描述实验现象】。

教师【正式上课】。

分析：教师通过对该知识点的了解，自制了课程“核心”教具，并且请同学试玩、体验。通过这样的方法，吸引了学生注意力，对课程核心知识点有了清楚的表象。结合这一新生成的表象，教师开展教学，会让学生学习知识点时不会空洞。

结语

物理前沿知识可以拓宽学生的视野，很好地吸引学生学习的兴趣，使学生在学习的过程中感受到物理学科的飞速发展和卓越成就。通过对学科前沿知识的学习，培养学生的科学思维，让学生更加热爱物理，为国家未来发展打下坚实的基础。