發(fā)布時間：2022-03-06 10:55:46
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的1篇大學物理論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
摘 要:文章簡要介紹了中國科學技術大學近代物理系的高能物理唯象理論和實驗研究的發(fā)展現(xiàn)狀,并總結了最近幾年中取得的進展情況.
1 引言
高能物理研究當前仍然是基礎物理科學的最前沿,被認為是最重要的學科之一.它深刻地影響著人類對物質(zhì)世界認識的基本觀念.在基礎理論研究方面,高能物理在不懈地探討微觀物質(zhì)結構及其相互作用、質(zhì)量起源、時空本性等基本理論問題,這些研究又和宏觀宇宙學之間存在很強的互相推動作用.
高能粒子對撞機是研究物質(zhì)最基本的結構和相互作用規(guī)律的重要、有效的工具.對高能物理的研究和其研究手段的每次重大突破都會帶來物理學新領域、新方向的發(fā)展,甚至新的學科分支的產(chǎn)生.它對于加深人類對物質(zhì)世界更深層次基本規(guī)律的認識有著重要意義.即將投入運行的TeV能量大型強子對撞機(LHC)和計劃建設的國際直線對撞機(ILC)便是驗證高能物理理論的極好的大型設備.
隨著新一代的超高能量的對撞機實驗數(shù)據(jù)的獲取,高能物理的研究將面臨著又一次新的重大突破.理論上預言的黑格斯粒子和可能的新物理信號將會被發(fā)現(xiàn).這些將會是本世紀初物理學的重大進展.粒子物理的發(fā)展涉及了多種學科和前沿技術.粒子物理實驗科學實際上與加速器技術、粒子探測技術等近代物理技術密切相關.實踐證明,粒子物理實驗技術的創(chuàng)新對國民經(jīng)濟領域中諸多技術問題的解決具有重大作用.
下面我們對中國科學技術大學(以下簡稱中國科大)近代物理系的高能物理研究發(fā)展現(xiàn)狀進行兩方面的介紹:一是高能物理唯象理論研究方面;二是高能物理實驗研究方面.
2 高能物理唯象理論研究
高能物理唯象理論研究始于1985年,當時中國科學技術大學參加了丁肇中先生領導的DESY MARK\|J實驗和歐洲核子研究中心L3實驗的國際合作研究.我們的唯象理論研究就是當時針對大型正負電子對撞機實驗中的現(xiàn)象學進行研究而發(fā)展起來的.從那時起,其研究課題就一直與國內(nèi)外的大型高能物理實驗現(xiàn)象學緊密結合.其研究工作的特點是:注重研發(fā)粒子物理理論研究所需的計算物理新方法和計算程序,建立了自己獨特的高能計算物理實用軟件環(huán)境,目前該實驗室擁有先進的量子場論復雜計算的技術和能力,擁有研究室自己的高能物理理論計算和數(shù)據(jù)分析的PC FARM,并建成了DZERO SAM GRID的D0USTC節(jié)點,使我們的網(wǎng)格節(jié)點正式成為D0合作組標準MONTE CARLO事例產(chǎn)生主要節(jié)點.因而,該實驗室在現(xiàn)象學理論研究和物理分析方面具有很強的國際競爭力.
近年來,粒子物理唯象理論研究室的理論研究課題密切結合他們參加的費米實驗室D0組的實驗,大型強子對撞機LHC上Atlas組的實驗和未來的國際直線對撞機ILC上實驗所涉及的TeV物理現(xiàn)象學,集中研究標準模型理論的精確檢驗和新物理信號的探索.重點研究內(nèi)容涉及:Higgs物理、Top物理、超對稱理論現(xiàn)象學、超引力模型現(xiàn)象學、額外維模型和最小Higgs模型現(xiàn)象學、超高能量下CP破壞來源研究等.考慮到未來對撞機上尋找新粒子和深入了解電弱破缺機制的物理實驗中所處的重要地位,我們從研究如何實現(xiàn)高精度量子修正的數(shù)值計算方法問題入手解決對撞機物理現(xiàn)象中的復雜理論計算問題.重點解決的計算技術包括:高效率的多體末態(tài)(N≥3)蒙特卡羅相空間積分技術;費曼圖中不穩(wěn)定粒子的處理問題;在相空間邊界上多點積分函數(shù)(n≥5)數(shù)值計算的有效方法;紅外發(fā)散的解析處理;帶復數(shù)質(zhì)量的粒子的重整化參數(shù)和單圈積分函數(shù)的計算方法等.這些問題也一直是粒子物理現(xiàn)象學中的幾個研究重點和難點問題.在這些研究中,他們已經(jīng)在單圈圖計算中,在不穩(wěn)定粒子的計算處理方法上以及在多點(n≥5)標量、矢量、張量積分函數(shù)的解析和數(shù)值計算上取得了進展.
該研究室自2001年以來,在國際國內(nèi)重要學術期刊上發(fā)表SCI收錄的涉及唯象理論研究的論文58篇,被引用達300余次.作出了一批為國際同行重視的研究成果.近年來該研究室取得了以下突出的研究成果:
1997年,在國際上首先解決了四點積分函數(shù)在相空間邊緣發(fā)散點的數(shù)值計算困難[1].在國際上首次解決了三體末態(tài)過程的單圈階幅射修正計算中的五點標量和張量積分的計算問題,完成了關于在直線對撞機上對H\|t\|t Yukawa耦合精確檢驗的理論研究[2].精確研究了強子對撞機上超對稱chargino/neutralino伴隨產(chǎn)生過程,以及tb-H-產(chǎn)生過程的NLO階QCD修正效應,為LHC新物理尋找提供了理論依據(jù)[3].在最小超對稱模型下對ppH±bc+X味道改變過程的精確計算,首次發(fā)現(xiàn)在squark的混合機制下,超對稱QCD對H±bc耦合的修正可以使該產(chǎn)生過程的截面大大提高,這使得該過程成為發(fā)現(xiàn)帶電Higgs粒子和味道改變效應的重要反應道[4].T宇稱守恒和不守恒情況的最小Higgs模型下γγtt-h°+X過程中的新物理效應的計算和討論[5],得到了可能在LC對撞機上觀測到LH/LHT的效應,或者給出對LH/LHT參數(shù)更嚴格的限制[6].完成了四體、五體末態(tài)相空間高精度積分程序的發(fā)展,實現(xiàn)了不穩(wěn)定粒子處理技術,六點單圈標量、矢量、張量積分函數(shù)的紅外分離及正確的數(shù)值計算方法和程序,并通過了若干正確性檢驗.在此軟件環(huán)境下完成了在帶電或中性Higgs尋找過程中,可能測
量到的γγtt-bb-和e+e-W+W-bb-過程的QCD輻射修正計算工作.這為Higgs粒子尋找和top物理有關理論的精確檢驗提供了理論依據(jù)[7].
唯象理論組在國際上首先提出了在強子對撞機上通過超對稱標量中微子雙輕子共振態(tài),探測R宇稱破壞的實驗物理分析方案,并計算了其QCD 輻射修正[8—12].該成果被Tevatron的兩個實驗合作組CDF和D0先后作為其探測雙輕子高質(zhì)量共振態(tài)的主要物理動機和數(shù)據(jù)分析依據(jù)在發(fā)表的論文中引用.費米實驗室Fermilab Today對這一研究成果進行了報道.該研究室對這一理論與實驗結合的研究,不但在唯象理論研究方面,推動了對TeV強子對撞物理過程中QCD NLO效應的精確把握,而且在實驗物理方面,促進中國科大D0組在徑跡探測器觸發(fā)方法研究、高亮度環(huán)境下高能電子/光子鑒別、量能器刻度等研究中做出了成果.該研究還促進了高能數(shù)據(jù)網(wǎng)格計算節(jié)點建設,該室建成了中國科大D0USTC網(wǎng)格計算機群,并為D0合作組產(chǎn)生106模擬事例,為中國科大高能物理研究提供了1010以上的網(wǎng)格數(shù)據(jù)分析與處理能力,從而確保最終物理成果的獲得.這些工作得到了D0合作組以及費米實驗室的高度評價.韓良教授成為D0合作組Authorship Committee 7人委員會成員,負責審查合作組各單位成員作者資格.劉衍文博士成為費米實驗室首批International Scientist Fellowship成員.第28次中美高能物理合作聯(lián)合委員會會議,確定費米實驗室繼續(xù)支持中國科大D0實驗物理研究.
3 高能物理實驗研究
高能物理實驗研究始于1973年,在楊衍明、陳宏芳教授領導下,為云南高山站宇宙線測量研制多絲正比室.之后先后參加了德國DESY的MARK\|J實驗,是CERN LEP的L3實驗的發(fā)起單位之一.與此同時,被接受為LHC大型強子對撞機的CMS合作組和日本KEK的B 介子工廠Belle合作組的成員.與瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院(ETHZ)合作成立了高能物理聯(lián)合研究所.1991年正式參加中國科學院高能物理研究所BES合作組,成為國內(nèi)大學中最早投入國內(nèi)高能基地研究工作的BES成員,相繼參加了BESII的物理分析和BESIII的建造與物理工作.2001年10月又被接收為美國BNL的STAR合作組成員.
3.1 為STAR合作組研制的飛行時間探測器和相對論性重離子碰撞(RHIC)物理研究
多氣隙電阻板室(MRPC)是上世紀90年代后期歐洲核子研究中心(CERN) 的LHC-ALICE實驗組首先發(fā)展起來的新型探測器.受國家自然科學基金委員會委托,該研究室于2000年8月率先在國內(nèi)開展MRPC研制.先后成功地研制了多種結構的MRPC,其中6氣隙的MRPC時間分辨為60ps,對最小電離粒子的探測效率好于95%,達到國際先進水平;雙層結構10氣隙的MRPC,時間分辨好于50ps,探測效率大于99%,達到國際領先水平. 并成功地研制了第一個基于MRPC技術的STAR飛行時間探測器原型TOFr Tray,性能指標達到:平均時間分辨為85ps,探測效率好于90%,好于設計指標.并于2002年10月裝入STAR探測器,參加了2003年度氘-金核(質(zhì)心能量為200GeV/核子)和2004年度金-金核(質(zhì)心能量為200GeV/核子及62.4GeV/核子)碰撞實驗,有效提高了STAR探測器的粒子鑒別本領,對π/K分辨的動量區(qū)域由原來的0.6GeV/c擴展到1.6 GeV/c,對π,K/p分辨的動量范圍由1.0GeV/c擴展到3 GeV/c.利用MRPC-TOF的數(shù)據(jù)和時間投影室?guī)щ娏Ｗ拥碾婋x能量損失的數(shù)據(jù)發(fā)展了一種可以鑒別高動量區(qū)π介子和質(zhì)子的新技術,把STARπ探測器介子和質(zhì)子的鑒別橫動量區(qū)間擴展到12GeV/c[13].是第一個運用MRPC技術成功運行于大型高能核核碰撞物理實驗的大面積飛行時間探測器,使一些原來很難開展但有重要意義的物理課題有可能進行/！/,并獲得了一些重要的物理結果.2006年4月,用于RHIC-STAR-TOF探測器的MRPC通過批量生產(chǎn)標準和標準的最后評審.MRPC生產(chǎn)穩(wěn)定,質(zhì)量越來越好,性能達到指標要求.RICE大學還專門做了報道.圖1,2分別給出了200GeV AuAu對撞中TOF的強子鑒別和電子鑒別能力.
利用飛行時間探測器得到的主要物理成果有:基于TOFr粒子鑒別的強子譜和Cronin效應的研究[14].首次得到在氘-金碰撞與質(zhì)子-質(zhì)子碰撞中重味夸克衰變的電子譜.結合低橫動量D0粒子譜和高橫動量單電子譜,在世界上首次給出了氘-金碰撞中雙核子質(zhì)心能量為200GeV/核子下每核子-核子碰撞中粲夸克產(chǎn)生在中快度區(qū)的微分截面[15].開展帶電強子橫動量譜的研究.通過測量帶電強子(π±,p,p-)的單舉不變產(chǎn)額譜(0.3 對氘、氦\|3以及它們的反粒子在中橫動量區(qū)間的不變產(chǎn)額、橫動量譜和橢圓流的測量和研究,首次得到了輕核的結合參數(shù)B2和B3,發(fā)現(xiàn)B2與B3 具有相似的值,表明氘、氦\|3 以及它們的反粒子有相似的freeze\|out 時刻.發(fā)現(xiàn)在不同中心度對撞中,輕核的結合參數(shù)和π介子的freeze\|out體積成正比.發(fā)現(xiàn)氘核和反氘核的橢圓流近似服從組分夸克數(shù)的標度不變性,在實驗上驗證夸克融合模型.首次測量了低橫動量的反氘核的負值橢圓流,這是RHIC上觀測到的第一個負值橢圓流,發(fā)現(xiàn)重粒子(氘)的負值橢圓流與大徑向流的理論模型相吻合[17].開展關于重味夸克產(chǎn)生截面和粲介子D0半輕子衰變道的研究.完成了200GeV 金金碰撞中D0介子以及粲粒子半輕子衰變到的電子和μ子的數(shù)據(jù)分析工作,首次在重離子實驗中通過cμ+X道確定粲夸克(ccbar) 總產(chǎn)生截面.首次在重離子碰撞實驗中證實粲夸克截面相對于兩兩碰撞數(shù)的標度不變性.首次利用STAR TOF探測器測量粲粒子半輕子衰變的單電子譜碰撞中心度的依賴關系.首次利用STAR TOF探測器觀測到單電子譜壓低,測量重味夸克能量損失.首次觀測到單電子譜的熱力學性質(zhì)與集體運動流效應不同于輕強子[18].對粲粒子及其半輕子衰變的單電子橢圓流進行了實驗測量和唯象理論探討.理論上給出了D介子及其單電子橢圓流,并預言底夸克粒子的集體運動流效應很小[19].完成了RHIC能區(qū)粲夸克產(chǎn)生截面和粲粒子半輕子衰變道的研究.2007年8月23—25日在QCD相變與重離子碰撞物理國際研討會上匯報了該項工作.受到Quark Matter 2008會議組委會的邀請,于2008年2月4日—10日在印度Jaipur舉行的第20屆國際超相對論核-核碰撞(夸克物質(zhì)2008)學術大會上做了題為《Overview of the Charm Production at RHIC》的大會報告[20].進行奇異共振態(tài)強子φKK 的不變質(zhì)量的重建研究.利用STAR實驗數(shù)據(jù),通過僅用TPC信息和聯(lián)合TPC+TOFr信息(即要求其中的一條帶電徑跡由TOFr所識別)的比較研究,進一步證明了,結合TOFr和TPC信息可以實現(xiàn)對帶電徑跡的高精度鑒別,從而大大提高對奇異共振態(tài)強子不變質(zhì)量重建的分辨率.完成了200GeV 金金碰撞中奇異強子橢圓流的中心度依賴性研究,系統(tǒng)測量了KS 0, Λ,Ξ,Ω粒子的v2(橢圓流).結果表明,在低橫動量區(qū),這些強子的v2符合流體力學的預言,表明早期熱化可能在RHIC形成.在中間橫動量區(qū),v2符合組分夸克數(shù)標度性,表明重組合是強子形成可能的機制,解禁閉可能在RHIC已經(jīng)形成.中心度的依賴關系表明,v2沒有初始坐標空間各向異性的標度性.集體運動在較中心碰撞中較強,熱化有可能在中心碰撞中達到[21].v2隨碰撞系統(tǒng)的大小變化的依賴性將幫助我們驗證早期熱化這一假設.對200GeV銅銅碰撞中KS0, Λ粒子的v2也進行了測量,并和200GeV金金碰撞的結果進行比較,結果表明,在銅銅碰撞中,KS0, Λ粒子也符合組分夸克數(shù)標度性,但是熱化沒有達到.
3.2 與日本高能加速器研究機構(KEK)B介子工廠Belle實驗的國際合作
Belle探測器于1999年開始取數(shù),2000年夏,我們從D0Kπ+道的測量開始正式參與物理分析工作,以后還選取了帶電D* 對產(chǎn)生的連續(xù)過程,用D*+D0π+衰變產(chǎn)生的軟π介子標記D0或D-0[22,23] .給出了當時世界上最為精確的實驗結果,并被2006年粒子物理數(shù)據(jù)庫(PDG)收錄.我們關于D0-D-0混合的第二項研究課題是D0Ksπ+π-道的含時達里茲分析測量,該過程的優(yōu)點是可以直接給出混合參數(shù)x,y和強混合角δ[24].
3.3 與中國科學院高能物理研究所的北京譜儀(BES)實驗的合作
中國科學技術大學自1991年以來一直參加中國科學院高能物理研究所的北京譜儀(BES)實驗,在BESI和BESII上開展了物理研究,在BES3建設中,中國科大是國內(nèi)唯一參加BES3硬件設計和建造的一所大學,如端蓋TOF探測器的預研和建造,亮度監(jiān)測器的設計和建造以及亮度監(jiān)測系統(tǒng)的電子學部分,TOF和μ探測器的讀出電子學系統(tǒng)、TOF觸發(fā)子系統(tǒng)、TOF 監(jiān)測儀的電子學和BES3時鐘系統(tǒng).
從1991年至今,積極參與BES物理分析研究.如BES1-BES2的物理:Tau的米歇爾參數(shù)的測量,ψ的幾種VP和PP模式衰變道的測量和研究,J/ψ的輻射衰變,J/ψγρρ, γωω的分波分析.在BES粲物理的研究方面,通過對J/ψ的輻射衰變道J/ψγω和J/ψγωω的分波分析,仔細研究了這些反應道中的強子共振態(tài)結構和分支比測量,發(fā)現(xiàn)了ω不變質(zhì)量譜的近閾增強和可能存在的X(1812)態(tài)[25].
3.4 ALTAS/LHC強子對撞實驗國際合作
我們與中國科學院高能物理研究所計算中心、中國科大計算中心合作,在中國科大搭建了網(wǎng)格計算(LCG Tier3)的工作平臺的雛形.同時,我們與美國密歇根大學ATLAS合作組也開始了ATLAS物理分析合作工作,派人參加ATLAS端蓋部分muon子漂移室安裝、測試和運行維護工作.2006年,蔣一教授、韓良教授參加國家自然科學基金委員會重大重點國際合作項目:“ATLAS強子對撞物理研究”,正式成為ATLAS合作組成員.
在物理教學中,有意識地對學生進行科學方法的教育和訓練,是培養(yǎng)學生科學素質(zhì)的重要途徑。本文就怎樣在物理教學中進行科學方法教育談些認識和看法。
一、在實驗教學中進行科學方法教育
教師要在演示實驗和分組實驗中引導學生掌握觀察的方法:
1、結合實際,啟發(fā)學生養(yǎng)成認真觀察物理現(xiàn)象,勤于思考問題的習慣。例如,講“機械運動”一節(jié)時,教師可要求學生觀察以不同的參照物看物體的運動狀態(tài),最好體驗一下坐在汽車或火車上的情景。在學習“浮力”一節(jié)時,教師可讓學生觀察“水中戲蛋”的試驗,即先讓雞蛋沉在清水杯底,逐漸倒入濃鹽水,發(fā)現(xiàn)雞蛋竟然會離開杯底,并且逐漸上浮,停止倒鹽水,雞蛋將“懸浮”在鹽水里,這是為什么?若繼續(xù)倒入鹽水,就會看見雞蛋又會向上浮,直到有一部分蛋殼露出水面,雞蛋漂浮在液面上為止,這又是為什么?
2、創(chuàng)造條件,引導學生學會觀察。在學習摩擦力時,教師可以自制教具做演示實驗:在一條橡皮帶上放一小木塊,小木塊連著一個指針,觀察皮帶運動速度和指針偏轉(zhuǎn)情況。當慢慢轉(zhuǎn)動皮帶時,指針由零逐漸增大,這是為什么?通過這個實驗說明:開始時小木塊受到的是靜摩擦力,由小變大,達到最大時為最大靜摩擦力。當皮帶運動速度加大,小木塊開始滑動時,小木塊受到的是動摩擦力,說明動摩擦力比最大靜摩擦力小。
3、教給學生進行觀察的一些具體方法:對比觀察法:例如在研究透鏡成像規(guī)律中,蠟燭在焦點內(nèi)和焦點外,像的性質(zhì)有什么不同;分步觀察法:對于復雜的物理現(xiàn)象,引導學生按一定的步驟、程序進行觀察;歸納觀察法:即從一個個的現(xiàn)象觀察中,先得出一個個結論,然后歸納出一般規(guī)律。例如,力的概念是從推、拉、提、壓等現(xiàn)象中,最后歸納出力是物體對物體的相互作用。
二、在概念和規(guī)律的教學中進行科學方法教育
科學方法體現(xiàn)在具體科學知識的認識過程中,只有把認識過程充分而合理地展示出來,學生才能看到科學問題是怎樣提出來的,從什么角度、用什么方法去解決,從而學到科學的方法。這就要求我們在教學中注意物理概念和規(guī)律的形成過程,按照學生的認知過程,合理的設計教學過程和教學方案。例如,在進行牛頓第一定律的教學時,可以設計如下教學程序:
提出問題——大多數(shù)人從生活經(jīng)驗中都感受到,只有力的作用物體才運動。難道只有力的作用物體才運動嗎?沒有力的作用物體就不能運動嗎?
演示實驗——讓小車從斜面頂端滑下,分別滑到鋪有毛巾、棉布和木板的平面上,觀察小車前進的距離。
分析推論——從實驗中看出,運動物體受到的阻力越小,它的速度減小得慢,它運動的時間就越長。進一步推理得出,在理想情況下,如果表面絕對光滑,物體受到的阻力為零,它的速度將保持不變,從而概括出牛頓第一定律。這樣的教學可以讓學生領略到物理學中應用邏輯與直觀、抽象與形象相結合的理想化論證方法。
教師在傳授物理知識的同時,一定要有意識地進行科學方法教育,結合物理教學特點,指導學生逐步掌握物理學研究的基本方法,不斷提高和發(fā)展學生的科學素質(zhì)。
生物物理學生理研究方法
國內(nèi)的生物物理學教材, 多適用于物理、化學專業(yè)背景的學生。生命科學背景的學生,往往畏難于其中的公式,同時也由于公式和理論與生命現(xiàn)象的聯(lián)系缺乏具體闡述,往往讓人摸不著頭腦。本書避免了以上缺憾,并且圖文并茂,既可以作為教材,也可以用來自學。
本書共有12章,每章有4-10小節(jié)。各章的內(nèi)容分別是:1. 我們身邊的能量,能量的形式、環(huán)境能量、分子能量、分子能量吸收、能量傳遞、離子輻射、磁共振、聲波;2. 分子相互作用,解離常數(shù)、啟動子位置和自身免疫病、測量解離常數(shù)的方法、金屬-分子配位鍵、氫鍵、非鍵分子相互作用;3. 擴散與直接轉(zhuǎn)運,力與流體、菲克擴散定律、布朗運動、離子和分子的生理擴散、分子馬達、胞間物質(zhì)轉(zhuǎn)運;4. 能量生發(fā),人體效能熱力學、能量分子ATP、ADP和Pi、磷酸肌酸、糖酵解、線粒體;5. 力與運動,肌肉長度-張力關系、應力飽和時的肌肉收縮、心肌和平滑肌的長度-張力關系、橫橋循環(huán)的希爾方程、肌肉收縮、伸長與力量、鈣依賴的肌肉傳導速率、平滑肌銷、肌肉張力瞬態(tài)、空腔器官的拉普拉斯定律、非肌肉運動;6. 負荷的承受,應力與限制、牙齒和骨骼、血管、肌腱、關節(jié)和軟骨;7. 流體和空氣的流動,流體特性、關節(jié)滑膜液、動脈血流、小動脈血流、粘度和凝血、動脈狹窄、動脈失對稱:動脈硬化和閉鎖,肺內(nèi)氣流;8. 生物物理界面:表面張力和膜結構特性,表面張力、表面活性劑與肺泡張力、膜磷脂、膜的曲率、膜蛋白與碳酸微環(huán)境、膜蛋白轉(zhuǎn)運子、膜的組裝、超聲波成孔、膜擴散和粘彈性、膜的乙醇效應;9. 膜的電學特性,膜電勢、戈德曼和能斯特方程、水的介電常數(shù)和表面結合、溶液中的誘導偶極矩取向、膜電場復合物解離、膜的電導性、心電圖、通道離子選擇性;10. 激動劑活性與藥物分析,膜受體蛋白、藥代動力學、量效曲線和希爾方程、胞內(nèi)分子擴散與清除、統(tǒng)計分析、藥物研發(fā)和罕見病;11. 穩(wěn)定性、復雜性和非線性系統(tǒng),系統(tǒng)控制、負反饋和代謝調(diào)控、正反饋、穩(wěn)態(tài)模型、狀態(tài)轉(zhuǎn)換、非線性系統(tǒng):分形和混沌,細胞凋亡;12. 總結。
本書作者Patrick F. Dillon是密西根州立大學自然學院的教授,具有30多年的教學經(jīng)驗,教授的學生涵蓋了高中生到醫(yī)學院研究生等多個層次,他因教學上的突出成就被授予大學杰出員工。
本書適合生命科學領域的大學生、教師及其他感興趣的學者。
摘要:探究式教學法將教師單向傳遞信息的模式轉(zhuǎn)變成師生間、生生間思維互動交流的新型關系。本文主要分析了探究式教學的特征,并結合教學實踐進行了系統(tǒng)的說明。
關鍵詞:探究式教學法;策略
早在20 世紀初,著名實用主義教育學家杜威提出了以兒童為中心、注重中學生主觀能動性的教學方法。可以說這種具有探究思想的教學方法為施瓦布提出探究式教學理論奠定了重要的基礎。施瓦布的探究式教學模式建立在他的學科結構觀上, 他認為學科的結構處于不斷的變化中,教學不能將科學知識視為絕對的真理傳授給學生,它只能作為有證據(jù)的結論;而在教學過程中,教學的內(nèi)容應該體現(xiàn)學科特有的探究方法。這種探究方法促使人們思考現(xiàn)行科學教育存在的問題,積極探索學生理解科學知識的方法, 并設法為學生提供更多的體驗科學探索過程的機會。
顯而易見,探究式教學有別于傳統(tǒng)的“言談”式的課堂教學。它要求師生共同參與, 學生在教師的指導下,從學習以及社會生活中選擇和確定研究主題, 主動地獲取知識, 應用知識并解決問題。探究式教學既是一種教學方式, 同時也是學生的研究性學習方式,其本質(zhì)就是一種模擬的科學研究活動。
1 探究式教學的基本特征
究其本質(zhì),探究式教學就是將科學領域的探究引入課堂的一種特殊的教學方法,在實施探究教學的環(huán)節(jié)中能體現(xiàn)其自身的一些特征。具體如下:
1. 1 問題性
任何探究均源于問題, 如何提出科學的問題至關重要。在探究式教學初始階段,問題可以由教師精心設計,它應該具有一定的挑戰(zhàn)性,但不能超出學生的能力范圍。難易適中的問題最能激發(fā)學生的好奇心,這樣才能在探究學習的過程中讓學生保持學習的熱情, 求知的
欲望。
1. 2 開放性
探究式教學所探究的內(nèi)容非常廣泛,它可以來源于教材上的知識, 或自然中的各種現(xiàn)象;還可以是物理學科內(nèi)的問題, 或多學科的交叉和綜合。探究的環(huán)境可以是課堂內(nèi)或課堂外。探究涉及的范圍可大可小,內(nèi)容可深可淺。
1. 3 綜合性
在探究教學活動中, 探討的問題往往是復雜的、綜合的, 解決這樣的問題需要多方面和多學科的知識和技能。因此, 實施探究教學對教師提出了較高的要求,教師應該從多方面提高自身能力,從而在探究教學過程中能夠起到點撥的作用。
1. 4 重過程、重體驗。
探究式教學實質(zhì)上是一種模擬的科學研究活動,強調(diào)探究過程并使學生在這個過程中學會觀察、學會思考, 培養(yǎng)思維能力,領會科學研究方法, 達到提高科學素養(yǎng)的目的。可見, 探究式教學對學生的學習與體驗過程相當重視。
此外,探究式教學還具有社會性、實踐性和自主性等特點。探究式教學重視理論聯(lián)系實際,
強調(diào)活動體驗,且具有一定的社會性和實踐性。
2 探究式教學的應用
2. 1 教學設計的思路
2. 1. 1 以實驗為手段, 挖掘教材中蘊含的探究因素
物理實驗是學生進行探究活動的重要手段之一。比如,在講授歐姆定律時,最初學生對于電流、電壓和電阻三者之間的關系含糊不清。因此,選擇從三個物理量的測量儀器入手, 進行電路設計,引導學生通過實驗測量的方法來確定三者之間的關系。
2. 1. 2 以學生為主體, 在探究過程中培養(yǎng)思維能力。知識更新的速度不斷加快, 學會學習顯得尤為重要。因此在教學過程中以學生為主體,注重學生獲取知識的方法與收集資料信息能力的培養(yǎng)。探究式教學中教師要引導學生的探究思路,只在學生出現(xiàn)思路障礙時給予點撥。
2. 1. 3 以方法為主線,在探究過程中掌握科學研究方法和培養(yǎng)科學態(tài)度。
科學方法是人們在科學認識和實踐活動中逐漸形成和發(fā)展起來的。在中學物理教學中教師應充分利用教材中的方法論,滲透科學研究方法的教育。此外, 在科學教育中還應培養(yǎng)學生實事求是、嚴肅認真的科學態(tài)度。
2. 1. 4 以情感為動力, 在探究過程中注重情感教育
情感包含學習興趣、學習熱情、學習動機,以及內(nèi)心體驗等。因此注重對學生的情感教育有利于激發(fā)主動學習意向與主體性的發(fā)揮。
2. 2 教學過程設計
探究性學習的教學過程可以分為以下幾個步驟:提出問題v 查閱資料v 提出假設v 實驗證明v 得出結論。下面以“楞次定律”為例討論探究性學習的應用。
對于“楞次定律”的教學, 傳統(tǒng)的教學設計通常為:首先教師演示實驗,學生進行觀察實驗,然后教師引導學生分析得出楞次定律。學生主要是通過觀察現(xiàn)象加深對楞次定律的理解。在了解楞次定律后,通常以講解例題、課堂訓練以及課后練習來鞏固所學。這樣學生雖能應用楞次定律來判斷感應電流的方向,但從能力發(fā)展角度看,學生只能算學會,不能算會學。然而探究式教學的課堂設計:首先創(chuàng)設問題情景,讓學生討論、猜想,通過設計實驗,進行實驗, 分析實驗現(xiàn)象得出楞次定律,其后才是課堂講練。在教學過程中主要教師引導學生得出楞次定律。其主要教學設計如下:
2. 2. 1 創(chuàng)沒情景,指出問題
讓學生回顧感應電流產(chǎn)生的條件及右手定則,然后給出兩種典型情況, 讓學生分析其中有無感應電流,有則確定感應電流的方向。
情景1 :金屬棒在裸露的金屬框架上作切割磁感線的運動。
情景2 :閉合圓形線圈靜止,磁場增強時。
情景1 中導線切割磁感線,對此情景學生用右于定則很容易給出答案,但就情景2 中因沒有導線運動而只有磁感應強度變化的問題就很難應用右手定則了。
指出問題:能否尋找一個更普遍的規(guī)律來判斷感應電流的方向呢?
2. 2. 2 科學猜想,發(fā)散思維
鼓勵學生大膽猜測:“感應電流方向究竟由哪些因素決定呢?”。在此環(huán)節(jié)中,學生分組討論,教師適當提示,最終根據(jù)學生猜想,總結出:因電磁感應現(xiàn)象是由磁通量變化引起的,所以猜測感應電流的方向與磁通量如何變化有關。
2. 2. 3 設疑集思,設計實驗
根據(jù)猜想, 列出思考題: ①感應電流方向與磁通量的大小變化有關。怎樣研究?②列出所用器材和具體步驟;需觀察的內(nèi)容、需記錄些什么。在此基礎上,引導學生自己設計實驗。
2. 2. 4 分組實驗,探索研究
根據(jù)實驗設計, 進行實驗。用導線、靈敏電流計、線圈和電鍵組成閉合回路,分別
用磁鐵的北極和南極移近并插入線圈、從線圈中拔出并離開線圈,觀察指針的偏轉(zhuǎn)情況。在學生擬定方案及實施時,教師檢查學生設計是否合理,儀器使用是否得當,數(shù)據(jù)記錄是否正確,并能給予適當輔導。
2. 2. 5綜合分析,得出結論
學生根據(jù)自己的實驗結果, 列表比較分析,根據(jù)數(shù)據(jù)歸納結論。可以以實驗組為單位, 推薦代表發(fā)言。在學生總結過程中, 一些關鍵點需教師給予引導。在各個組得出結論后, 教師修正學生結論,最終得出楞次定律的內(nèi)容。學生在實驗中獲得感知,再對這些數(shù)據(jù)進行比較、概括,進行思維加工,自己總結得出結論。
2. 2. 6實驗驗證
教師要求學生設計實驗, 驗證楞次定律。實驗時注意觀察閉合電鍵、移動滑動變阻器觸頭及斷開電鍵時,大口徑線圈中產(chǎn)生的感應電流的方向與用楞次定律判斷的結果是否符合。在這一環(huán)節(jié)中,注意引導學生歸納用楞次定律研究感應電流方向的一般步驟:一是判定原磁場的方向; 二是判定原磁場穿過所研究平面磁通量變化情況;三是判定感應電流磁場方向。由實驗進一步把所得規(guī)律應用到新的物理情景中,激發(fā)學生的求知欲望,使學生的思維處于興奮狀態(tài)。
2. 2. 7應用練習,指導實踐
在這一環(huán)節(jié)中, 教師列出分層練習題, 根據(jù)反饋信息講評。學生運用結論解決問題, 這是檢查學生對知識的理解和鞏固的一種手段,也是遷移知識,深化知識的重要途徑。通過運用和深化,使學生的知識、技能逐漸轉(zhuǎn)化為能力。
2. 2. 8歸納總結,學法指導
教師引導學生總結本課的探究過程:發(fā)現(xiàn)問題,進行大膽猜想,對猜想進行探索研究,最后得出結論,并用以指導實踐。讓學生認識到此種方法是研究物理問題的基本思路之一。教育的最終目標是“發(fā)展”與“創(chuàng)新”, 物理教學中,“發(fā)展”與“創(chuàng)新”的優(yōu)秀問題是開發(fā)智力、培養(yǎng)能力,全面提高學生的素質(zhì)。探究式教學正是基于這一教學思想,為實現(xiàn)現(xiàn)代教育目標提供了有效途徑。
3 實施探究式教學應注意的幾方面
3. 1教師的設計引導功能
教師根據(jù)教學目標在深入了解學生認識水平的前提下,精心設計教學流程。為學生鋪設符合認識規(guī)律的思維軌道并設計合理的思維坡度,能夠坦然地面對課堂中突發(fā)問題,巧妙地引導學生, 使學生的信息處理和思維活動得以順利進行。
3. 2學生充分的自由活動空間
教學過程中要盡可能展示學生這一年齡階段特有的好動性、表現(xiàn)欲,從而有效地根據(jù)學生地個性并發(fā)展學生的創(chuàng)造能力。為此, 教師除了為學生營造一個師生之間相互尊重、相互信任、民主和諧的教學環(huán)境外,還要克服喜歡“循規(guī)蹈矩”、歧視“思維怪異”的學生的傾向。如此, 學生才能毫無顧忌地發(fā)表己見,促進學生互動, 給學生自由的空間與互相交流的機會。
3. 3教師在教學過程中應啟發(fā)學生自主建構知識結構
具體地講,就是學生通過觀察實驗,獨立思考,促進逐步理解和掌握知識, 以及發(fā)生的過程與認識的內(nèi)在聯(lián)系,以促使學生建構良好的知識和能力結構。
在中學物理教學實際中并不是所有的教學內(nèi)容都適合探究式教學。因此, 在教學中應盡量運用多種教學方法以激發(fā)學生的學習興趣,從而達到提高學生學習效率的目的。探究式教學應該有的放矢, 科學組織, 使之真正成為有效的培養(yǎng)學生思維能力以及創(chuàng)新意識的教學方法與途徑。
1 數(shù)學知識銜接中存在的問題與對策
高一物理起始階段的教學中需要用到大量的初中數(shù)學知識,像一元一次方程、一元二次方程、三角形中的正弦值、余弦值、正切值、勾股定律、相似形等等;而像在勻速運動中位移圖像、勻變速直線運動中速度圖像、力的合成中的矢量運算等問題用到的相關數(shù)學知識,在數(shù)學學科的教學中卻還未講到,這就必然會造成在實施物理教學活動過程中數(shù)學這一工具運用上的困難。
筆者對高一第一學期教學中經(jīng)常需要用到的一些數(shù)知識進行了梳理,現(xiàn)整理如下。
代數(shù)知識:正比例方程與反比例方程的轉(zhuǎn)換;一元二方程的求根;求極值的知識;二元一次字方程組的聯(lián)合求的知識。
平面幾何知識:相似三角形知識;解三角形的基本法;圓的割線,切線,周長,弧長,面積等基本知識;同位角、內(nèi)錯角等各種角度間關系的知識。
正弦值,余弦值,正切值與三角形各邊的關系;正、余弦定理;倍角公式;勾股定理等。
圖像的知識:圖像的斜率,截距,面積,交點等與之對應的物理量之間關系的知識。
等比、等差數(shù)列求和。
矢量運算知識:矢量求和,矢量求差。
針對上述存在的問題,筆者在實際的教學中采取了如下的解決策略:
(1)與初中數(shù)學教師進行溝通,了解相關的數(shù)學知識在初中數(shù)學教學中已經(jīng)達到的程度,哪些是學生一般會熟練掌握的、哪些是要求較低需要進一步拓展的。
(2)在數(shù)學知識運用比較集中的關鍵之處,專門增設相關數(shù)學知識拓展、補充的銜接課。
(3)引導學生總結運用數(shù)學知識在解決物理問題時的操作方法,例如在斜面問題中,經(jīng)常需要將斜面的傾角轉(zhuǎn)為物理問題中的速度矢量(受力矢量或位移矢量)組成的角形中去,就經(jīng)常用到“兩個角度的兩條邊相互垂直時,這兩個角度就相等或互補”這個結論,可以結合相關習題強調(diào)如何快速、準確地尋找對應角度的邊。
(4)采用低梯度、高密度、多反饋的教學策略,步步為營、逐漸推進,切忌一步到位。
2 學習方法銜接中存在的問題與對策
初中學生進入高中物理的學習,從學習方法上看是一次重大的飛躍,它需要從以定性分析為主轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄐ浴攵俊⒍糠治鱿嘟Y合的方法上來;需要將以記憶為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐岳斫鉃橹鞯姆椒ㄉ蟻?需要將以形象思維為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕蜗笏季S、抽象思維、邏輯思維相結合的思維方法上來;需要從機械操練為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐园盐瘴锢砟Ｐ蜑橹鞯挠柧毞绞缴蟻?需要更多的依賴教師的學習方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟囊晕覟橹鞯膶W習方式上來。
上述轉(zhuǎn)變的實現(xiàn)是一個漸變過程,而高一階段則是關鍵時期,擔任高一階段教學任務的教師一定要提前思考,尋找最佳應對方法。
通過實踐筆者找到了一種實現(xiàn)銜接教學“軟著落”的有效方法,就是以教材為基礎,編制針對概念、規(guī)律的解讀性研讀單元”,貫穿于從課前預習到課后矯正訓練的整個過程的一種全新方法。總體的構思是實現(xiàn)以下4個“一體化”:
第一,“教、學案一體化”。教師的教學實施方案與學生的學習方案融合在一起;
第二,“讀、講、練一體化”。學生對“研讀單元”的研讀、教師對重點、難點、疑點、盲點的講解、各個層次教學目標的達成性訓練融合在一起實施;
第三,“課內(nèi)、外一體化”。課內(nèi)教學活動與課外需要完成的總結、作業(yè)等學習活動融合在一起,兩者的交匯點就是以教材為基礎而重新整合的“研讀單元”;
第四,“點、線、面一體化”。“點”就是針對“知識點”的教學、“線”就是針對“知識串”的教學、“面”就是針對終結性的知識結構”的教學,三者形成一個有機的序列。
具體操作方法如下:
(1)對原有教材進行合理的分割和重組
所謂分割教材就是將原有教材的內(nèi)容根據(jù)概念、規(guī)律等形成的內(nèi)在需要,分解成若干部分,每一個部分稱作為一個研讀單元。一個研讀單元可以是原教材中的某個段落,更多的是若干個段落組成;在需要時還可以打亂原教材自然段落的順序,進行重組;有的時候也可以將原一節(jié)教學內(nèi)容調(diào)整為兩節(jié)課時完成;還有的時候可以將前后幾節(jié)教材內(nèi)容重新組合成幾個研讀單元。這樣做的目的在于從知識本身的深度詮釋上、從知識的內(nèi)在聯(lián)系的深度思考上為學生提供一種更易理解的解讀性文本。
對于教材中提供的“問題與練習”中的題目,與研讀單元中的知識結合精密的可以穿插在其中讓學生在解讀文本的過程中就加以處理,有一定難度的題目則不適宜這樣處理,可以放在教學過程實施之后在配套的“回放性反饋訓練”中處理,當然這部分訓練題不僅僅是教材后面的題目,還需要補充,在本文的后面還會加以闡述。
(2)教學目標的情景化處理布魯姆的教育目標分類學對“認知、情感、動作”三個領域的目標進行了科學的分類,是值得借鑒的目標分類理論,在我國曾經(jīng)進行過大規(guī)模的“目標教學”教改實踐,筆者在80年代末期至90年代中期,也曾連續(xù)多年在高中學段進行了研究。布魯姆的教育目標分類學非常強調(diào)目標的層次性,不同層次的目標要用具體的、操作性的語言來描繪出學習行為的變化,有的時候這是不易做到的。通過實踐,筆者采用的“情景化”目標表達方式,收到了很好的實踐效果。其實就是將要達成的某一層次教學目標用具體的物理情景呈現(xiàn),這種情景往往具有單一的目標承載功能,學生在完成這一情景的過程中可以表現(xiàn)出思維的軌跡。
具體來講,情景的呈現(xiàn)方式有以下幾種:
第一,與教材內(nèi)容緊密配合的自編情景。教師根據(jù)對教材的分析及達成目標的分解,把在上課過程中要預設的授課素材,編制成表述嚴密的具體情景,附設在上述分割后的研讀單元后面,其要求是:情景簡單,落實一個具體目標層次,這樣可以實現(xiàn)教案與學案的有機結合。
第二,訓練型情景。通過編制一道訓練題,讓學生在嘗試完成的過程中暴露存在的問題,題目以判斷題、選擇題、填空題、配對題等為主,教材中配套的練習題也是重點考慮的一個方面。
第三,概念、規(guī)律的變式注解。把教材的內(nèi)容轉(zhuǎn)換一種學生更易接受的方式進行注解式的詮釋,使得教材內(nèi)容層次更分明、要求更明確。一般來講就是將概念、規(guī)律進行基于“關鍵詞”的解讀,引導學生養(yǎng)成對概念、規(guī)律的深度剖析的習慣。
(3)設置3個層次的梯度訓練
第一,知識回放性達成訓練。“回放性訓練”就是提供給學生在自學之后對相關概念、規(guī)律基本理解的初步回饋,所以題目以“識記”、“簡單回放性理解”為主要目標,還原概念、規(guī)律的最基本含義。可以用教材配套的“問題與練習”作為自學效果的回放性訓練題,從而引導學生重視教材中提供的問題。
第二,形成性達成訓練。在完成“形成性達成訓練”之前,首先將新學習的概念、規(guī)律進行簡單的梳理,引導學生及時整理所學知識,最好能繪制相關知識的概念圖:可以是教師上課時想要書寫的板書的再現(xiàn);也可以留下空白,讓學生進行整理。
對于“形成性達成訓練”題的組織要注意以下幾點:①達成練習應該突出“單一知識點”的落實,是概念、規(guī)律的變式練習;②目標層次定位在“識記”到“簡單理解”即可;③設置“學習札記”利于學生進行自我反饋活動;④題量適中,一般為10道左右,題型以選擇題為主,便于概念的辨析。
第三,反饋———矯正訓練。這種訓練的目的在于:①對“形成性達成練習”中的錯誤進行矯正;②可以進行自我認知的總結,像解題方法總結、錯誤認識的總結等等。
“反饋———矯正”訓練題的組織要注意以下幾點:①目標定位在“簡單應用”到“靈活應用”層次,是“形成性達成訓練”的有機延伸,形成對知識理解的螺旋式上升過程;②適當考慮知識點之間的聯(lián)系;③題目以計算為主,體現(xiàn)解題過程,暴露理解上的誤點、盲點。
最后要說明的是,“知識回放性訓練、形成性達成訓練、反饋—矯正性訓練”三者應該作為一個整體來考慮,目標側重點各有不同,但又是一個整體,以便實現(xiàn)一個序列漸進的訓練梯度。
在物理課堂教學中,實施教學合理性提問,將激發(fā)學生投身于物理活動之中。
這是由于教師所提出的問題,學生不可能照搬課本上的文字作為答案,這種提問方式能引起學生進行積極思維活動,能培養(yǎng)學生的學習興趣。那么,如何進行教學合理性提問呢?建議如下:
1、激疑性提問
孔子說過:“學起于思,思源于疑”,有疑才能有思,無思則不能釋疑。設疑、釋疑是人生追求。由于中學生缺乏思維的靈活性和敏捷性,教師若能在其似懂非懂、似通非通處及時提出問題,然后與學生共同釋疑,勢必收到事半功倍的效果。例如,在浮力教學中,為了使學生弄清浮力的大小與哪些因素有關,遵從什么規(guī)律,可以用學生熟悉的例子問學生:為什么木塊浮在水面上而鐵塊沉入水底?用鋼鐵制成的萬噸巨輪為什么可以浮在水面上?類似這樣的問題使學生的思維中出現(xiàn)了疑問,從而使他們產(chǎn)生了強烈的求知欲望。
2、探究性提問
這種提問能啟發(fā)學生思維的靈活性,也有利于培養(yǎng)學生思維的深刻性。例如,對于物理概念,不直接讓學生回答,而是讓學生應用概念分析解決一些實際問題,并圍繞重要的物理過程、理論與實際的關系,深究細追。向?qū)W生發(fā)問、追究的問題要經(jīng)過周密、科學的設計。通過這樣的提問,就會把學生的認識逐步引向深化,并有利培養(yǎng)學生思維的靈活性。
3、發(fā)散性提問
發(fā)散思維是一種創(chuàng)造性思維,教師若能在授課時提出激發(fā)學生發(fā)散思維的問題,引導學生從正面和反面多途徑去思考,縱橫聯(lián)想所學知識,將提高學生思維能力和探索能力大有好處。這種提問難度較大,必須考慮學生知識的熟練程度。
例如,在講完一個例題后,啟發(fā)學生一題多解地提問,或題目引伸性提問,或逆著題意進行分析。這樣的提問很自然地把學生帶入積極思考,討論,探究等生機盎然的學習境界之中,對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維和探索能力無疑是有益的。
4、鋪墊性提問
這是一種常用的提問方式,在講授新知識之前,教師要提問與本課有聯(lián)系的舊知識,為傳授新知識鋪平道路。教師應從教材內(nèi)有規(guī)律出發(fā),針對學生的實際,在知識聯(lián)系的“掛鉤點”設計好問題,使學生思維有明確的目的性,啟發(fā)學生運用自己的知識、智慧,戰(zhàn)勝一個個困難,取得有創(chuàng)見的成果,以達到順利完成教學任務的目的。
5、激趣性提問
富有趣味性的提問,往往能激發(fā)學生帶著濃厚的學習興趣,以愉悅的心情去積極思維,直至問題得到圓滿的解答。例如,在講熱傳導時,可以這樣設計問題:在裝水的試管底部放一條小魚,用酒精燈對試管上部的水加熱,當上部的水已沸騰了,下面的小魚為什么卻安然無恙?象這類“煮金魚”以及“紙鍋燒開水”等生動有趣的提問,會使學生的注意力高度集中,從而在主動,輕松的心態(tài)中進入探求新知識的境界。
6、鞏固性提問
教師為了讓學生真正理解并掌握所學到的新知識,應在講授完新課,學生消化了該課內(nèi)容后,對本課內(nèi)容提出一個或幾個重點問題,引導學生對知識進行概括總結,以達到鞏固知識的目的。
摘 要:只有在課堂教學設計中多層次、多角度地滲透科學本質(zhì),讓學生在探究、實驗、思考的過程中,學習物理知識與技能,培養(yǎng)科學探究能力,才能逐步形成科學態(tài)度與科學精神。
關鍵詞:初中物理; 教學設計; 科學本質(zhì)
中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A 文章編號:1006-3315(2012)10-038-001
初中物理是一門基礎課程,是小學自然(科學)學科的一個延伸。它是培養(yǎng)學生愛科學、學科學、用科學的良好素材,有利于引導學生繼續(xù)學習基本的物理知識與實際應用,體驗科學探究過程,了解科學研究方法,增強創(chuàng)新意識和實踐能力,培養(yǎng)探索自然的科學精神,認識物理學對科技進步以及文化、經(jīng)濟和社會發(fā)展的影響,為終身發(fā)展,形成科學世界觀和科學價值觀奠定基礎。
1.初中物理新課程標準的特點
①在課程目標上注重提高全體學生的科學素養(yǎng);②在課程結構上重視基礎,體現(xiàn)課程的選擇性;③在課程內(nèi)容上體現(xiàn)時代性、基礎性、選擇性;④在課程實施上注重自主學習,提倡教學方式多樣化;⑤在課程評價上強調(diào)更新觀念,促進學生發(fā)展。
從以上特點可以了解:初中物理課程旨在從知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀三方面,進一步提高學生的科學素養(yǎng)。而課堂教學更加要求通過多樣化的教學設計,讓學生積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考,使其逐步形成科學態(tài)度與科學精神。
2.如何在課堂教學設計中體現(xiàn)科學本質(zhì)
新課程標準要求教師重構課堂。在課堂教學中,當學生從學科或現(xiàn)實生活中選擇和研究專題,通過獨立自主地發(fā)現(xiàn)問題、實驗操作、調(diào)查、信息搜索與處理、表達與交流等探索活動時,教師的職責是引導學生不斷地提出問題,使學習過程變成學生不斷提出問題、解決問題的探索過程。
教師不僅要對課程有一個整體的把握,還要精心設計課堂教學,把“科學本質(zhì)”教育細化滲透到課堂學習的每一個環(huán)節(jié)的具體指導上。
2.1提問的科學性是課堂教學設計的首要要求。主要體現(xiàn)在能創(chuàng)設恰當?shù)膯栴}情景,有利于教學目標的實現(xiàn),即課堂提問具有啟發(fā)性;同時還能促進學生深入思維,積極探究,嘗試解決問題,即課堂提問具有生成性。
情景創(chuàng)設是課堂教學內(nèi)容的重要組成部分,選擇具有針對性、啟發(fā)性、能吸引學生注意和激發(fā)興趣的材料,設計一些典型的簡單事例,使學生對物理概念、規(guī)律在生產(chǎn)和生活中的實際應用以及科學技術與社會之間的關系有更深的認識。
例如:“帕斯卡定律”中演示液壓機不僅笨重、搬動困難,而且實驗現(xiàn)象不易觀察。改用“氣體千斤頂”,效果明顯:取一個醫(yī)用500ml~1000ml引流袋(新的),這就是一個很好”氣體千斤頂”。把引流袋平放在桌面上,在它上面壓上5-6塊磚頭就被舉起來了,并翻到(學生發(fā)出驚呼聲)。為了讓學生參與實驗,親生體驗,我將8個500ml(或4個1000ml)的引流袋平放在桌面上,用一塊60cm×45cm的木板放在這些引流袋上,再請一個同學坐在木板上,另外又請八個同學同時向袋內(nèi)吹氣。這時坐在木板上的同學被頂起來了。“嘿,吹氣竟然能把人頂起來!”(學生贊嘆)精彩的實驗,再一次使學生的情緒達到高潮。本實驗讓學生深切感受到了從生活走向物理、從物理走向社會。
2.2培養(yǎng)質(zhì)疑精神是體現(xiàn)科學研究的根本。學生能在課堂教學的過程中提出有意義的問題或能發(fā)表個人見解,從而提高學生有效思維的長度。
曾經(jīng)設計了這樣的一個實驗:在一支試管中裝入水,并放一條小魚,實驗前問學生:“如將裝有小魚的試管放在酒精燈上加熱一段時間后,小魚會怎么樣呢?”學生不假思索地回答:“小魚會死。”“結果究竟如何?請同學們注意觀察實驗。”這時,教室里鴉雀無聲,個個聚精會神地觀察老師的實驗操作,教師先用酒精燈加熱試管上半部分的水,一段時間后,試管上半部分的水已經(jīng)沸騰了。教師提醒學生:“此時,小魚怎么樣了呢?”學生回答:“小魚在試管底部自由自在地游動。”難道小魚有驚人的耐熱力嗎?不是的,那為什么魚不死呢?同學們展開了激烈的討論,最后教師請同學們摸一下試管的底部,盡管試管上半部分的水已經(jīng)沸騰了,而試管底部仍然是涼的。這個結果又會激起學生新的思考,這既可說明物理道理,又可提高學生的學習興趣,同時延長了學生有效思維的長度。
2.3用證據(jù)說話是科學的本質(zhì)要求。物理學是自然科學的一門基礎學科,研究物質(zhì)最基本運動形態(tài)的規(guī)律和物質(zhì)基本結構。所以,用事實說話,注重證據(jù)是培養(yǎng)學生科學本質(zhì)的要求。
例:在教學力的概念時,為了解釋力能使物體發(fā)生形變,教學時可以采用不同物體來演示。例如用力壓海綿,海綿發(fā)生明顯變化;但也有些物體的形變不明顯,例如用力擠壓硬質(zhì)扁玻璃瓶,看不出變化。為此,改進儀器,將一木塞塞緊瓶口,在木塞中間插入一細玻璃管。用力擠壓玻璃瓶時,會看到細管中液面的上升。但是學生又進一步提出質(zhì)疑:“是不是熱脹冷縮的原因?”此時只需從側向再次擠壓玻璃瓶,將會看到細管中液面下降,學生即可體會到微小形變的存在。
2.4嚴密的邏輯思維是科學素質(zhì)的必要因素。實驗是學生喜歡的探究活動,為思維加工提供大量的素材,實驗中遇到的問題能體現(xiàn)和鍛煉學生邏輯思維能力。分組實驗多以測量性、驗證性和實用性實驗為主。要提高學生分組實驗的教學效果,就必須使學生真正進入角色,手、眼、腦并用地進行有目的的探索活動。老師如何上好學生實驗課,關鍵在于如何引導學生發(fā)現(xiàn)問題、設計和進行實驗、得出結論、總結歸納。學生通過主動參與教學,在教師的積極指導下獲得物理知識,則會印象更加深刻,并增強他們的學習動機。下面我就凸透鏡成像規(guī)律實驗課,談一下個人體會:
在教學過程中,啟發(fā)學生思考:凸透鏡成像,如果成實象則用光屏能接受到;如果成虛象用眼睛能觀察到;那么,如何用光屏來接受到實象呢?光屏的位置放的不正確,即使成了實象也接不到。
引導:實象是由光會聚而成,而經(jīng)過凸透鏡光心的光線不改變方向,因而實象肯定在燭焰、凸透鏡光心這兩點所在的一條直線上,所以應把光屏、燭焰、凸透鏡三者的中心放在同一高度。
進行實驗并從中發(fā)現(xiàn)新的問題:當u 分析:u=f時,變成平行光。
這樣學生邊做邊學,邊學邊想,思維能力無形中獲得了提高。
物理教學與教師信息素養(yǎng)的整合初探
長陽高家堰中心學校 鄒君 郭玲玲
歷史的車輪轉(zhuǎn)到20世紀下半葉時，社會進入了信息化時代，由于科學技術的迅猛發(fā)展，知識總量迅速膨脹，被人們形象地稱為“知識爆炸”。信息社會帶來的知識爆炸，引發(fā)了一場學習的革命，從而帶來了新一輪的物理教學改革。信息技術進入教育教學領域，是教育現(xiàn)代化的基本特征，是教育進入信息時代的必然，為適應現(xiàn)代信息技術給教學帶來的變化，教師必須進行角色的轉(zhuǎn)換，不斷提高信息素養(yǎng)。教師的信息素養(yǎng)不只包涵教師信息技術的應用水平，還包括教師的信息意識。在進行基礎教育改革的今天，擺在物理學科面前的重要任務，就是努力推進物理教學與教師信息素養(yǎng)的有機整合，讓信息廣泛進入物理課堂。
一、改變教育觀念，增強信息意識是推進物理教學與教師信息素養(yǎng)整合成功的前提條件。
信息的價值在不斷地被越來越多的人逐漸認識，對信息的追求和捕捉不同于一般憑直覺和經(jīng)驗的信息感知。時代明確告訴我們信息處理能力將是21世紀的人應具有的如同“聽、說、讀、算”同樣重要的生存能力，在不斷涌現(xiàn)的浩若煙海的信息中要準確地選擇，迅速地獲取所需要的那部分特定的信息，往往取決于此。教師信息意識的培養(yǎng)，信息技術的應用不是一朝一夕的，還要有一段從認識到自覺應用的過程。為了使信息革命的浪潮加速學校教育的“技術化”，使計算機輔助教學最大限度地優(yōu)化教育教學環(huán)境，減輕學生負擔，全面融入新一輪的基礎教育改革大潮中。我們要加強教師對現(xiàn)代教育理論的學習，通過學習討論，促進了教師教育觀念的轉(zhuǎn)變，使大家普遍認識到現(xiàn)代教師不僅要有愛崗敬業(yè)的精神、淵博的學科知識以及先進的教育思想，還要具有運用現(xiàn)代教育技術進行教學與學習的能力。建構主義理論的指導與計算機技術的支持，增添了我們探索計算機輔助教學的信心，因而教師應積極主動的運用網(wǎng)絡信息，從網(wǎng)絡上下載可用的課件和信息，運用到課堂教學中去。由于應試教育體制的影響，部分學校教師僅以教學大綱規(guī)定的內(nèi)容為主，不注重自身知識的更新，信息意識下降的現(xiàn)象普遍存在。俗話說：“教人一滴水，自己要有一桶水”。要提高教學質(zhì)量，首先要提高教師的教學水平和學術水平。要求教師在教學之余，不斷地獲取信息，增長新知識，教師要積極利用網(wǎng)絡獲取信息資料，充實教學內(nèi)容。
只要物理教學與教師的信息素養(yǎng)有機整合，一方面，可以超越狹隘的教育內(nèi)容，讓師生的生活和經(jīng)驗進入教學過程，讓教學“活”起來，從而喚醒學生的創(chuàng)新意識，使他們想創(chuàng)新，敢創(chuàng)新，會創(chuàng)新；另一方面，可以改變學生在教學中的地位，從被動的知識接受者轉(zhuǎn)變成為知識的探究者、建構者，從而激發(fā)學生的學習積極性和主動性。
二、提高教師信息技術水平是推進物理教學與教師信息素養(yǎng)整合成功的關鍵。
沒有較高信息素養(yǎng)的教師，在教學改革和教學研究方面會受到很大的限制，是很難成為“名師”的。尤其在進行基礎教育課程改革的今天，提高教師的素質(zhì)顯得尤為重要。既然提高教師的信息素養(yǎng)已成為必需，那么如何來提高教師自身的信息素養(yǎng)呢？
教師應積極參加各種有針對性的培訓，如我們物理教師應用軟件制作簡單動畫模擬物理實驗。教師利用業(yè)余時間自學必須是長期的學習和實踐，必須成為自身的自覺行為，把提高學習做為工作的一部分。同時制定一個可持續(xù)發(fā)展的學習計劃，是教師自覺提高自身信息技術素質(zhì)的良好開端。這里強調(diào)的是長期的學習計劃，不是為了一次公開課，一次比賽，一次評比而進行的短期行為。如果只是為了應付公開課，應付評比，臨時急急忙忙地“拼湊”出一個課件來，只是“就課論課”，事先沒有準備，課后無總結，公開課后，什么都丟向腦后，沒有什么有益的東西留下，就談不上培養(yǎng)技能，提高素質(zhì)了。反之，如果我們確立目標制訂計劃，有步驟地實現(xiàn)，在過程中發(fā)現(xiàn)問題，則結果就大不一樣。教和學都是長期的行為，一種素質(zhì)和技能的養(yǎng)成需要長期細致的勞動和積累，不可能一蹴而就。制訂學習的計劃，確立各階段的目標，循序漸進，日積月累，才可能得心應手。
因而，我們可以用多種途徑提高自身的信息素養(yǎng)：（1）多在網(wǎng)絡上閱讀。信息技術的飛躍發(fā)展使閱讀方式發(fā)生了變革，在不遠的將來，網(wǎng)絡閱讀將成為教師獲取知識進行教學和科研的重要手段。重視并堅持網(wǎng)絡閱讀是培養(yǎng)教師信息素養(yǎng)的重要途徑。（2）多用電腦寫作。在電腦上寫作，除了方便編輯、修改和保存外，很重要的一點是可以實現(xiàn)網(wǎng)絡閱讀與寫作的互補，有利于提高應用信息技術的水平。（3）多在電腦室上課。想不想，敢不敢，能不能在電腦室上課，是教師信息素養(yǎng)提高過程中的分水嶺。要充分創(chuàng)造條件，將信息技術應用于教學中，不要求一節(jié)課從頭到尾都要用信息技術，也不要等自己的技術水平很高后再用。（4）多用電腦處理日常事務，只要能用電腦處理的事
情，就要盡可能讓電腦來做，如學生成績統(tǒng)計、電話號碼管理等，教育必須面對信息化社會，迎接信息化挑戰(zhàn)，實施教育信息化戰(zhàn)略，帶動整個教育體制和教育模式的革新，作為教育中的關鍵元素，教師在信息化社會教育中的作用顯得尤為重要，教師必須適應信息化社會所提出的新要求，加強自身信息素養(yǎng)培養(yǎng)，適應信息化浪潮。三、運用好網(wǎng)絡教學資源是物理教學與教師信息素養(yǎng)整合成功的根本保證。
為便于信息的獲取，使網(wǎng)絡資源適于教學，我們要逐步構建好物理的教學資源庫。為了更好地采用各種現(xiàn)代化手段，以多媒體的形式將物理內(nèi)容科學的，有機的“整合”，使學生進入視聽、思考并用的教學環(huán)境，使抽象思維與形象思維共同參與學習過程，使教學活動更為符合人的認知規(guī)律，達到突破抽象思維的難點與局限，以獲得更好的教學效益和更高的學習效果，我們可以從以下幾個方面探索，研究實踐以完成資源庫中課件集成的整合。（1）超越時空展示日常生活中物理現(xiàn)象和科技成果。有些物理現(xiàn)象只能在特定的環(huán)境下才能觀察到，有的科技成果受到時間、空間的限制，一時無法“搬到”課堂上，則把這些做成多媒體課件如“海市蜃樓”、“火箭發(fā)射”等及時地再現(xiàn)在學生面前，讓學生有身臨其境之感，真實地再現(xiàn)物理現(xiàn)象和科技成果，與學生發(fā)生“共鳴”。（2）形象展示復雜物理現(xiàn)象和過程。對許多復雜物理現(xiàn)象和過程在物理教學中用語言、文字、圖片很難把它們講清楚，學生很難想象出它們的具體情景，則利用多媒件課件如“水的沸騰”、“聲音的傳播”、“凸透鏡成像規(guī)律”等變靜為動，變難為易，形象地幫助學生理解具體情景。（3）生動剖析抽象的物理概念和規(guī)律。過去對難以理解和掌握的抽象物理概念和規(guī)律的教學只重視概念的背誦和結論的記憶，而忽略對概念和規(guī)律的探究過程，則可利用多媒件課件如“演示慣性的模型”等變抽象為具體，有利于學生直觀生動地理解。（4）模擬實驗。物理是一門實驗科學，但有的實驗初中階段由于受條件的限制，如“牛頓第一定律”、“托里拆利實驗”等，利用多媒體課件進行模擬，化靜為動，再現(xiàn)歷史，淋漓盡致地呈現(xiàn)在學生眼前，在佩服科學家的聰明才智的同時，科學思想也將會在學生的頭腦里潛移默化。
物理教學與教師信息素養(yǎng)的“整合”，是一個教學改革的過程，要破要立。“整合”的整個過程是先進教學理念，教學思想的展現(xiàn)，是在教學理論指導下的大膽嘗試，總結經(jīng)驗教訓的過程。我們物理教師大力推進信息技術在教學過程中的普遍應用，努力發(fā)揮信息技術的優(yōu)勢，為學生的學習和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有用的學習工具，進行新型物理教學模式的大膽嘗試。
從學生的“感受”中，我們可清楚看到，學生渴望在老師地引導下進行自主探究，他們渴望自己能體驗到學習過程的快樂，渴望自己能帶著問題進行探究。因而我們每一個物理教師應本著“一切為了每一位學生的發(fā)展”，努力地把物理教學與自身信息素養(yǎng)進行有機地整合，為培養(yǎng)將來社會需要的現(xiàn)代化人才而不懈努力。
