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葫蘆島市初中物理教師學(xué)科專業(yè)素養(yǎng)三級培訓(xùn) 模塊二 學(xué)科知識與技能（三） ———物理學(xué)的進(jìn)展和前沿 葫蘆島市七中 劉杰 一、物理學(xué)實驗的一場革命 物理學(xué)作為一門科學(xué)，它的形成和發(fā)展是近四五百年的事，但是物理知識的形成可以追溯到人類文明之初。從早期人類社會的遺跡中，已經(jīng)出現(xiàn)人類所形成的對物質(zhì)運動認(rèn)識具有最初的、不成系統(tǒng)的知識。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，物理知識逐步系統(tǒng)化、科學(xué)化，逐漸成為一門精密的科學(xué)。物理學(xué)研究的物質(zhì)結(jié)構(gòu)、運動及其規(guī)律的普遍性，是各門自然科學(xué)的基礎(chǔ)，也是各門技術(shù)科學(xué)的基礎(chǔ)。因此，我們不但要知道物理學(xué)的今天，也應(yīng)了解物理學(xué)的過去，還要預(yù)測物理學(xué)發(fā)展的將來。搞清一些物理學(xué)的概念、定律、理論、研究方法的來龍去脈，提高我們理解物理學(xué)的深度和廣度，這對從事物理教學(xué)更為重要，也才能使我們的教育對象—學(xué)生更清晰地懂得物理學(xué)是如何發(fā)展的，物理學(xué)是如何探索大自然奧秘的，遇到問題應(yīng)該怎樣考慮去解決它，從而使學(xué)生逐步提高認(rèn)識自然、改造自然的能力。 首先,我們來了解一下19世紀(jì)—20世紀(jì)的一場物理學(xué)實驗上的革命。 到十九世紀(jì)以后，自然科學(xué)在收集大量科學(xué)材料的基礎(chǔ)上，通過整理，分門別類的研究，使它的各門科學(xué)得到發(fā)展，物理學(xué)也不例外。在伽利略、牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)上，物理學(xué)的各門學(xué)科都得到發(fā)展。經(jīng)過長達(dá)百年之久的爭辨，對光的本性有了新的認(rèn)識，光的波動說獲得勝利，從而物理光學(xué)很快發(fā)展。經(jīng)過好幾個國家六七位科學(xué)家的努力，建立了能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，隨之又誕生了熱力學(xué)第二定律，使熱學(xué)、分子物理學(xué)得到發(fā)展。經(jīng)過奧斯特、法拉第等人的研究，使人們知道電和磁有密切聯(lián)系，在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化，使電磁理論更加完善，使一些學(xué)者認(rèn)為電磁理論是無懈可擊的。 面對物理學(xué)取得如此輝煌的成就，不少物理學(xué)家除了贊嘆，還流露滿足的無所作為的情感。著名德國物理學(xué)家基爾霍夫曾表示：“物理學(xué)將無所作為了，至多只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點后面加上幾個數(shù)字罷了?！弊鳛槎兰o(jì)量子物理學(xué)奠基人之一的普朗克曾向他的老師請教，進(jìn)大學(xué)后學(xué)什么，是否還學(xué)物理學(xué)？他的老師挺有把握地表示：物理學(xué)將會很快地具備自己終極的穩(wěn)定形式；雖然在這個或那個角落里，還可能發(fā)覺到或消除掉一粒塵土或一個小氣泡，但作為整體的體系卻足夠牢固可靠了。理論物理學(xué)已明顯地接近幾何學(xué)100年來已經(jīng)具有的那種完善程度。在剛剛跨入20世紀(jì)的第一天，英國著名的物理學(xué)家開爾文勛爵在《元旦獻(xiàn)詞》中也曾經(jīng)說過：“在已經(jīng)建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補工作了。”與眾不同的是他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云。這兩朵烏云指什么呢？為什么它們會引起這樣著名的物理學(xué)家的不安呢？ 要回答這個問題，我們必須追溯一下歷史。物理學(xué)進(jìn)入19世紀(jì)80年代以后，與物理學(xué)經(jīng)典理論不斷完善的同時，物理學(xué)實驗上卻不斷地發(fā)現(xiàn)一些重大的實驗結(jié)果。正是這些重大的實驗結(jié)果，使已有的物理學(xué)理論陷入困境，并顯得無能為力。這些實驗中間，至少有七個重大發(fā)現(xiàn)，不但舊理論無法解釋，有的還導(dǎo)致觀念上的更新。 首先是1887年赫茲在驗證麥克斯韋預(yù)言電磁波存在的實驗中發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)。德國物理學(xué)家赫茲在研究電磁波發(fā)射和接收的實驗中，當(dāng)使發(fā)生火花的間隙產(chǎn)生的光與接收間隙隔絕時，接收間隙必須縮小，才能使它發(fā)生火花。赫茲進(jìn)一步研究時發(fā)現(xiàn)，這一現(xiàn)象中起作用的是光的紫外部分。當(dāng)這種光射到間隙的負(fù)電極時，作用最強，這表明紫外光照射負(fù)電極，負(fù)電極更容易放電。用其他的光照射時沒有這種現(xiàn)象。按照經(jīng)典理論從金屬表面放電的強弱與光的強度有關(guān)，而沒有提到與光的頻率有關(guān)。赫茲無法解釋這一矛盾，但是他仍以《論紫外光對放電現(xiàn)象的效應(yīng)》為題發(fā)表自己的研究成果，描述了這一現(xiàn)象，向經(jīng)典物理學(xué)理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。 其次是1887年的邁克耳遜—莫雷實驗。19世紀(jì)初，經(jīng)過托馬斯楊和菲涅耳的研究，使光的波動說重新輝煌。但是根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的觀點，認(rèn)為波的傳播必須要有介質(zhì)。既然光是波，那么它也要通過某種介質(zhì)才能傳播。當(dāng)時人們普遍認(rèn)為由以太來傳播光，并想利用各種方法檢驗以太的存在，確定它的屬性。到80年代，根據(jù)天文學(xué)和物理學(xué)的知識，科學(xué)家們畫出這樣一幅圖景：以太充滿整個太陽系，地球在以太的海洋中運動，但又認(rèn)為地球在這個以太海洋中運動不會擾亂以太原有的分布?；谶@一物理圖景，人們就希望利用實驗測定地球相對于以太運動的速度，這就是我們通常所說的以太漂移速度。美國物理學(xué)家邁克耳遜從1880年起研究這個課題。他設(shè)計和利用干涉儀來測量以太的漂移，以檢驗以太的存在。那時他提出一種設(shè)想，試圖通過比較光在直射時的路徑來發(fā)現(xiàn)地球相對以太的運動。當(dāng)時他也意識到保持干涉儀的恒溫將是一個主要的困難。后來他和美國化學(xué)家莫雷合作，繼續(xù)研究這個問題。經(jīng)過幾年努力，于1887年12月發(fā)表《論地球運動和傳光的以太》的論文，宣布得到否定結(jié)論的實驗結(jié)果，也就是說測量不出以太的漂移速度，由此說明地球和以太之間不存在相對運動。這就是物理學(xué)史上有名的“零結(jié)果”。這一結(jié)果表明，原先人們對光的傳播的物理圖像是不正確的。這一結(jié)果使所有持光是以太中的波動這一觀點的物理學(xué)家大失所望。他們無法承受嚴(yán)酷的實驗事實，也無法解釋這一實驗結(jié)果的真實意義，連邁克耳遜本人也不知道如何來解釋這一實驗結(jié)果。 第三個是1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線。19世紀(jì)下半葉，不少物理學(xué)家對氣體的放電做實驗和理論研究。從1895年開始，德國物理學(xué)家倫琴從事陰極射線管中氣體放電的實驗研究。同年11月8日傍晚，他照例在做實驗，偶然發(fā)現(xiàn)一個新的現(xiàn)象：在暗室中做放電實驗時，當(dāng)用黑色硬紙把陰極射線管密包起來放電后,在2米遠(yuǎn)處放在工作臺上的涂有熒光材料—鉑氰酸鋇的屏竟發(fā)出微弱的閃光。倫琴對這一偶發(fā)事件非常重視，仔細(xì)觀察、思考后得出初步結(jié)論：這種熒光被激發(fā)的原因肯定來自陰極射線管，但是直接激發(fā)熒光的不可能是陰極射線，因為陰極射線不能透過陰極射線管的玻璃壁。倫琴繼續(xù)作實驗和理論的探索。他推斷，當(dāng)陰極射線撞擊管子的玻璃壁時，會不會產(chǎn)生一種不知道的射線，而且可以透過玻璃，穿越2米以上的空氣，再撞擊在化學(xué)藥品上，便會激發(fā)熒光。在實驗中倫琴又發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬厚片放在管子與涂有熒光材料的屏之間時，便會發(fā)生投射的陰影，表明這種射線不能穿過金屬厚片。平時不透光的、輕的物質(zhì)（如鋁片、木片、紙片等）放在這兩者之間時，發(fā)現(xiàn)在這種射線的范圍內(nèi)，幾乎看不到投射陰影，表明這種射線能穿透這類物質(zhì)。在實驗中又發(fā)現(xiàn)，玻璃管內(nèi)的氣體越少，這種射線的貫穿本領(lǐng)越高。由于肌肉對這種射線的吸收比骨骼弱得多，所以有相當(dāng)“硬度”的這種射線照射時，便會在屏上留下骨骼的陰影。一天晚上倫琴很晚也沒回家，他的妻子來實驗室看他，于是他的妻子便成了在那不明輻射作用下在照相底片上留下痕跡的第一人。當(dāng)時倫琴要求他的妻子用手捂住照相底片。當(dāng)顯影后，夫妻倆在底片上看見了手指骨頭和結(jié)婚戒指的影象。倫琴又發(fā)現(xiàn)，這種射線不表示明顯的普通光的特性（如反射、折射、衍射等），所以他誤認(rèn)為所發(fā)現(xiàn)的射線與光無關(guān)。由于考慮到它的不確定性，所以倫琴把這種射線叫X射線，后人也叫它倫琴射線。 經(jīng)過一個月的研究，1895年12月28日，倫琴在維爾茨堡舉行的醫(yī)學(xué)物理學(xué)會會議上，宣布了有關(guān)X射線的第一篇論文《論新的射線》。不久，人們把世界上第一只產(chǎn)生這種射線的玻璃管叫倫琴射線管。這一發(fā)現(xiàn)純屬偶然，倫琴也認(rèn)為“是偶然發(fā)現(xiàn)射線穿過黑紙的”，但是機遇只偏愛那種有準(zhǔn)備的頭腦。在前一年，也有一位物理學(xué)家在實驗中發(fā)現(xiàn)過類似的現(xiàn)象，但是那位物理學(xué)家沒有重視它，認(rèn)為這是外來的干擾，千方百計想排除這一干擾，結(jié)果失去這個能引起重大發(fā)現(xiàn)的機會。由于這一重要的貢獻(xiàn)，倫琴榮獲1901年的諾貝爾物理學(xué)獎，成為諾貝爾物理學(xué)獎的第一個獲得者。 第四個是1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性輻射。倫琴的重大發(fā)現(xiàn)轟動了整個世界，不但開拓一個新的研究領(lǐng)域，也使不少受震驚的科學(xué)家思考這一新的問題。法國物理學(xué)家貝克勒爾就是其中之一。在1896年1月下旬舉行的法國科學(xué)院例會上，貝克勒爾得知倫琴的研究工作，同時彭加勒認(rèn)為X射線似乎是從陰極對面的有熒光的部分發(fā)出的。由此，貝克勒爾想起X射線和熒光之間可能有聯(lián)系，于是他想用實驗驗證熒光物質(zhì)會不會發(fā)出X射線。2月下旬，貝克勒爾選用一種鈾鹽，采用慣常的辦法，用黑紙包好這塊鈾鹽，并放在照相底片上，在日光下暴曬一段時間，使鈾鹽發(fā)熒光，然后沖洗照相底片，看看能不能像X射線那樣使照相底片感光。實驗結(jié)果和預(yù)料的一樣，的確能使照相底片感光。這一結(jié)果使貝克勒爾相信，經(jīng)日光暴曬后的鈾鹽發(fā)出熒光，然后發(fā)出有貫穿能力的射線，使照相底片感光。接著他用反射光、折射光做實驗，都得到相同的結(jié)果。這樣，他在1896年2月24日向法國科學(xué)院提交題為《論磷光輻射》的報告，描繪這些實驗的結(jié)果。在貝克勒爾看來，似乎X射線是由鈾鹽發(fā)熒光時發(fā)射出來的。他準(zhǔn)備以進(jìn)一步的實驗證實自己的見解，并想在下周的科學(xué)例會上再提出報告。但是，碰巧的事發(fā)生了。這幾天沒有太陽光，無法做實驗。他只得把黑紙包好的鈾鹽和照相底片一起放到抽屜里，等太陽光的到來。事過幾天，天晴后他想繼續(xù)做實驗。實驗之前，認(rèn)真的貝克勒爾預(yù)先檢查照相底片，沖洗上面第一張照相底片，發(fā)現(xiàn)底片上有非常清晰的鈾鹽影像輪廓。這一事件使貝克勒爾很驚訝，同時陷入深思。他立即想到，這一次是在黑暗的抽屜里使照相底片感光的，跟日曬、熒光根本無關(guān)。于是他推論：照相底片感光的真正原因必定是鈾鹽發(fā)出的一種人們不知道的射線引起的。第二天剛好召開科學(xué)院的科學(xué)例會，貝克勒爾在會上公布這一重要發(fā)現(xiàn)。這種射線當(dāng)時就被叫做貝克勒爾射線。后來根據(jù)居里夫人的建議，凡是具有這種性質(zhì)的物質(zhì)統(tǒng)稱為放射性物質(zhì)，這類射線叫做放射性輻射。不久，貝克勒爾又發(fā)現(xiàn)，這種鈾鹽發(fā)出的射線不僅能使照相底片感光，還能使氣體電離而成導(dǎo)體。他還發(fā)現(xiàn)，只要有鈾元素，就會產(chǎn)生這種貫穿輻射。事過兩個月，貝克勒爾又發(fā)現(xiàn)，不發(fā)磷光的鈾鹽也能發(fā)出不可見的射線。 貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)與倫琴的發(fā)現(xiàn)相比，情景大不相同，沒有引起多大的反響，也沒有引起人們多大的激動。這一發(fā)現(xiàn)在報紙上沒有披露，因為人們還在繼續(xù)熱衷于談?wù)摵脱芯縓射線。但是，這種景況并沒有削弱貝克勒爾持續(xù)不斷地深入研究的熱情。直到兩年后，由于居里夫婦的研究工作和成果，才使放射性的研究發(fā)生了一次大的飛躍。這些實驗的重要結(jié)果使人們困惑，因為舊有的經(jīng)典理論無法解釋。由于貝克勒爾的貢獻(xiàn)，他和居里夫婦共獲1903年的諾貝爾物理學(xué)獎。 第五個是1897年約約湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。陰極射線發(fā)現(xiàn)以后，就其本質(zhì)問題，也即是以太振動還是粒子流，一直爭論不休，直到1897年才告一段落。英國著名物理學(xué)家約約湯姆遜從1890年開始就研究氣體放電，后來也轉(zhuǎn)到研究陰極射線的性質(zhì)上來。經(jīng)過研究，他認(rèn)為把陰極射線看作是電磁波是沒有道理的。但是為了證明陰極射線是粒子流，并確定它的物理性質(zhì)，約約湯姆遜做了一系列陰極射線的實驗。他首先測定陰極射線所帶電荷的性質(zhì)。實驗結(jié)果表明，陰極射線和負(fù)電荷在磁場和電場作用下遵循同樣的路徑，由此證明陰極射線是由帶負(fù)電荷的粒子組成的，從而結(jié)束陰極射線性質(zhì)的長期爭論。其次是利用陰極射線在電場中的偏轉(zhuǎn)狀況來測定帶電粒子的荷質(zhì)比和速率。根據(jù)實驗結(jié)果測算，估計陰極射線帶電粒子的質(zhì)量還不到氫離子質(zhì)量的1／1000。1897年4月30日，湯姆遜在英國皇家研究院報告了這一結(jié)果。由此推斷，物質(zhì)內(nèi)部有比分子小得多的帶電粒子。后來人們把陰極射線的帶電粒子稱作電子。以后，湯姆遜為了證實電子的存在，曾花不少精力，設(shè)計許多巧妙的實驗，取得令人信服的成果。 電子發(fā)現(xiàn)并證實之后，便向建筑在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上的物質(zhì)結(jié)構(gòu)舊觀念發(fā)起沖擊，表明比原子小的粒子是存在的，原子不是最小的客體，指出經(jīng)典的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的局限性。然而湯姆遜1906年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，是表彰他在氣體導(dǎo)電方面的理論和實驗研究結(jié)果，而只字不提他對電子發(fā)現(xiàn)所作的貢獻(xiàn)。這就表明，科學(xué)界中傳統(tǒng)的觀念是較深的，不少人不容易接收新事物。 第六個是1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性輻射以后，在這方面的研究工作進(jìn)展不大，因為科學(xué)界對它并不關(guān)注。正當(dāng)他徘徊不前的時候，法國科學(xué)家居里夫婦卻以極大的熱忱，投入放射性研究領(lǐng)域中去，作了開創(chuàng)性的工作。居里夫人根據(jù)貝克勒爾的工作引起猜想：既然放射性輻射是由鈾原子的性質(zhì)決定的，那么在自然界中有沒有另一些像鈾那樣有放射性的化學(xué)元素呢？通過實驗，居里夫人發(fā)現(xiàn)，鈾的化合物的放射性強度與化合物中鈾的含量成正比。于是居里夫人得出結(jié)論，放射性是原子的已知特性，放射性是從原子內(nèi)部產(chǎn)生的。經(jīng)過對大量實驗的分析，居里夫人認(rèn)為還有放射性強度超過鈾的放射性元素。這一想法卻遭到一些科學(xué)家反對和攻擊，但是居里夫人沒有動搖，在丈夫的支持下，以瀝青鈾礦為原料，晝夜不停地提煉這種新元素。經(jīng)過艱苦的歷程，終于在1898年7月18日向法國科學(xué)院報告發(fā)現(xiàn)新元素，它的放射性強度比鈾要高出400倍。居里夫人把這元素取名為釙，以紀(jì)念自己的祖國波蘭。 其實，居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙元素的放射性還不夠強，他們又尋求放射性更強的化學(xué)元素。居里夫婦用鋇作載體進(jìn)行濃縮，又得到能產(chǎn)生放射性的極少量的鋇的化合物，它的放射性比鈾大900倍。但是鋇和它的化合物通常都是沒有放射性的。通過其他科學(xué)家的協(xié)助，對該化合物進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)一種新的射線，它不屬于任何一種已知的化學(xué)元素。實驗表明，這種元素的放射性比釙強，而化學(xué)性質(zhì)像釙。同年圣誕節(jié)后的一天，他們向法國科學(xué)院宣布發(fā)現(xiàn)第二個新元素鐳。 在短短幾個月內(nèi)接連發(fā)現(xiàn)釙和鐳，這是一個了不起的功績。但是釙和鐳是不可直接捉摸的，不少化學(xué)家還半信半疑，要求拿出純鐳的實物。這一要求激勵居里夫婦繼續(xù)努力，奮斗了三年半，從幾噸的礦物殘渣中提煉出0.12克純氯化鐳，并測得鐳的原子量是225，它的放射性比鈾強千萬倍。又花了三年時間，金屬純鐳提煉成功。這樣，化學(xué)家們確定無疑了。 這一重要發(fā)現(xiàn)同樣證明，化學(xué)元素是要蛻變的，而原子不是不可分的，它會放射更小的粒子而改變自己的性質(zhì)，這些發(fā)現(xiàn)再次說明經(jīng)典的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論有它的局限性。也由于這些發(fā)現(xiàn)，居里夫婦和貝克勒爾在共獲1903年的諾貝爾物理學(xué)獎以外，1911年居里夫人又一次獲得諾貝爾化學(xué)獎。 第七個是19世紀(jì)末的黑體輻射實驗。由于人工照明技術(shù)的發(fā)展，從1895年開始，德國物理學(xué)家普朗克就研究熱輻射譜中的能量分布問題。熱輻射就是物體因自身的溫度，而以電磁波的形式向外輻射能量的一種現(xiàn)象。熱輻射的輻射能量按波長的分布情況是隨溫度而變化的。溫度較低時主要發(fā)出不可見光的紅外輻射，在500C以至更高溫度時發(fā)出較強的可見光以至紫外輻射。為了搞清不同溫度范圍內(nèi)物體熱輻射的波長分布的情況，包括普朗克在內(nèi)的不少物理學(xué)家開始研究黑體輻射問題。黑體是能全部吸收外來輻射而毫無反射和透射的理想物體。不存在真正的黑體，但是開有小孔的密封腔體可以近似地看成黑體。通過一系列實驗，普朗克發(fā)現(xiàn)黑體輻射譜中的能量分布的實驗結(jié)果與經(jīng)典理論形成尖銳的矛盾。普朗克非常重視這一矛盾，研究了幾年，最后在1900年12月14日向德國物理學(xué)會提交了“談?wù)務(wù)９庾V能量分布定律的理論”的論文，首先拋棄經(jīng)典物理學(xué)特有的兩條原則：從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)必須是連續(xù)的原則，吸收和釋放能量必須是連續(xù)的原則，提出量子的觀念，從而宣布量子物理學(xué)的誕生。雖然普朗克還沒有完全弄明白，在以后十年的研究中形成徘徊甚至倒退的局面，但是他還是首先提出這一理論，解釋黑體輻射能量譜，向經(jīng)典理論挑戰(zhàn)，推動了物理學(xué)的發(fā)展。為此，普朗克獲得1918年的諾貝爾物理學(xué)獎。 除上述7個實驗以外，當(dāng)然還有其他的實驗發(fā)現(xiàn)。這些實驗結(jié)果，經(jīng)典物理學(xué)理論根本無法解釋。由此可以顯見，為什么開爾文勛爵在贊嘆經(jīng)典物理學(xué)的偉大成就時，同時也敏銳地覺察有兩朵烏云，這兩朵烏云就是指邁克耳遜—莫雷實驗和黑體輻射實驗。其實，歷史表明，這并不是什么烏云而是一個發(fā)展的前奏。當(dāng)物理學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)后，就誕生了量子論和相對論，開創(chuàng)了現(xiàn)代物理學(xué)。由此可清楚地看到，19世紀(jì)和20世紀(jì)之交的這場物理學(xué)實驗上的革命，推動了物理學(xué)發(fā)展，為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代自然科學(xué)的誕生起了催生作用。這也告訴我們，終極真理的觀念、無所作為的觀念都是不對的，都是不符合千萬年的自然史和百年自然科學(xué)史的史實的。 20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的史實表明，物理學(xué)作為一門基礎(chǔ)科學(xué)其發(fā)展是迅速的，發(fā)展的面是寬廣的，除了量子物理學(xué)、相對論、物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論三大分支學(xué)科發(fā)展以外，物理學(xué)的各個分支學(xué)科也得到發(fā)展，有的向理論深度拓展，有的則向應(yīng)用方面進(jìn)軍。它們涉及的面很寬，內(nèi)容非常豐富，我們只選擇其中與中學(xué)物理教學(xué)關(guān)系較密切的加以介紹。 二、古老聲學(xué)煥發(fā)青春 （一）聲信號識別技術(shù)方面的應(yīng)用 1、語音信號的傳輸 在通訊系統(tǒng)中抑制聲信號或人為制造干擾信號都有重要的實用價值。 在通訊系統(tǒng)中有時人為地輸入隨機噪聲信號，使語音信號完全被掩蓋，從而使旁人無法竊聽。由于這種干擾信號是自己制造和掌握的，在接收端只要輸入一個復(fù)制的反向信號，就可把干擾濾除而使聲信號復(fù)原以實現(xiàn)保密通訊。這類干擾信號是人為的并可隨意更換，旁人無法破譯，因此有很高的保密度。 語音信號中有很多信息量，保證語音能夠正確識別，實際上不需要這么多信息。例如可把通訊的時間細(xì)分，即在時域內(nèi)把語音信號切成許多片段，只要選取其中足夠多、足夠密的片段，就能滿足通訊要求。這種時域處理手法類似于電視機屏幕上有足夠密的“行”，每“行”有足夠多的“點”，就能形成清晰的畫面。這樣，就可以實現(xiàn)“一線多用”，即在一根電纜上“同時”讓多個用戶通話。所謂“同時”使用，實際上是讓各用戶快速輪流使用，即用自動切換機，分別讓各用戶在總的時間片段中，接通若干分之一的片段。 2、語音的識別和合成 不同人所發(fā)出的同一語音各有差異，也有共同性。 從差異性考慮，個人所發(fā)的語音有自己的特征，叫做聲紋，類似于個人都有自己獨特的指紋。語音識別的研究內(nèi)容之一就是確定聲紋由哪些主要參數(shù)來反映，這方面的研究有重要的實際意義。例如要確定一段錄音帶的講話人，聲紋分析可以提供有力的旁證。盡管講話人可能故意怪聲怪氣地講，但其中一些反映他特征的發(fā)音卻是不變的。 從共同性考慮，同一語音應(yīng)該是確定的，盡管不同人所發(fā)的語音在頻率、強度、頻譜以及節(jié)奏等許多方面存在差別。語音識別的另一重要研究內(nèi)容就是“求同存異”，使語音規(guī)范有所突破。語音識別裝置已進(jìn)入實用的領(lǐng)域。如在電話機上安裝語音識別裝置并預(yù)先按通話對方名字存儲相應(yīng)的電話號碼，當(dāng)用戶通話時，只要喊出對方名字就可以撥通電話。直接用語音向設(shè)備輸入指令，具有非常重要的應(yīng)用前景。由于近代信息處理技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備越來越微型化，用鍵盤輸入指令將越來越不方便。例如，能放在手掌心的電子設(shè)備，用手指按鍵盤已顯得笨拙，用語音喊口令輸入是最合理的發(fā)展方向。 （二）聲學(xué)處理方面的應(yīng)用 利用聲波的能量作用于媒質(zhì)，改變媒質(zhì)的性質(zhì)或狀態(tài)，這種技術(shù)叫做聲學(xué)處理技術(shù)。 兩種不易混合的液體，利用強烈的聲振動能量使液體顆粒粉碎，形成均勻混合的懸浮液，這種技術(shù)叫做乳化。水和油的乳化液往往比純粹的水或油有更好的性能。 清洗機械部件時，在清洗槽內(nèi)施加超聲波，能提高清洗效果，把零部件的空穴或縫隙內(nèi)的污垢清洗掉。 把聲振動的能量會聚在局部區(qū)域內(nèi)，可以使兩個零部件接觸表明加熱熔化而凝聚在一起。超聲焊接工藝就是根據(jù)這一原理設(shè)計的。與此類似，使刀具作超聲振動，可以對硬質(zhì)材料進(jìn)行鉆孔，切割等加工。 在聲波的作用下會加強媒質(zhì)的擴(kuò)散、傳熱、化學(xué)反應(yīng)等效應(yīng)。例如在脈沖燃燒器中，煤氣的燃燒效率明顯提高，熱交換器中的傳熱系數(shù)增大使脈沖燃燒器成為一種新穎的高效發(fā)熱裝置。在鍋爐爐膛內(nèi)施加聲波，可以改善燃燒狀態(tài)，防止?fàn)t渣結(jié)塊。此外，在化學(xué)反應(yīng)容器中施加適當(dāng)頻率的聲波，可以強化定向反應(yīng)。在黃酒中施加聲波可以使酒加速醇化。 研究聲波對生物的作用有重要的科學(xué)意義和實用價值。作物的種子經(jīng)超聲處理后可以提高發(fā)芽率。中草藥材經(jīng)超聲處理后可以縮短成長期。 聲學(xué)處理在醫(yī)學(xué)上也有重要的應(yīng)用。例如，振動按摩器對加強血液循環(huán)、恢復(fù)局部組織的疲勞有一定的療效。超聲熱療法對治療腦血栓等疾病有較好的效果。把強烈的聲脈沖聚焦到很小的局域內(nèi)，就能粉碎人體臟器內(nèi)生成的結(jié)石。由于超聲能有效控制在人體內(nèi)深部加熱，并能精確定位控制溫度,目前被公認(rèn)是治療癌癥等頑疾很有希望的途徑之一。 (三)聲環(huán)境改善方面的進(jìn)展 建筑聲學(xué)是研究建筑環(huán)境中有關(guān)聲學(xué)的分支學(xué)科，主要目的在于創(chuàng)造符合人們聽覺要求的聲環(huán)境。 大型廳堂在進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計時，要注意選擇廳堂的容積，在廳內(nèi)設(shè)置適當(dāng)?shù)奈暶婧蜕鷶U(kuò)散體，使廳內(nèi)各處的聲場比較均勻，并有適中的混響時間，獲得良好的聽音效果。忽視聲學(xué)設(shè)計，會使聲環(huán)境變得很糟糕，例如，大食堂兼做大禮堂，為了改善聽音效果，盲目地在食堂各處放置多個揚聲器結(jié)果適得其反，聲音相互干擾，聽起來很響，但是仍然聽不清。又如人們在大太大的房間內(nèi)常常喜歡把擴(kuò)音機的低音開的很足，震耳欲聾，混響嚴(yán)重，聽音效果極差。上述做法只能造成強烈的感官刺激，根本談不上音樂欣賞。不少卡拉OK場所也常犯這一類毛病。 三、微波的研究、開發(fā)及應(yīng)用 微波研究主要是探究這一波段電磁波的產(chǎn)生、放大、發(fā)射、接收、傳輸、控制和測量等方法。微波作為一門學(xué)科，包括電磁波理論和微波技術(shù)兩部分，是一門以電磁場理論為基礎(chǔ)的技術(shù)科學(xué)。理論和實踐密切結(jié)合，相互推動。同時，微波技術(shù)的應(yīng)用面非常廣泛，跟許多學(xué)科和工程技術(shù)相互交叉、相互滲透，綜合性強。 1、 雷達(dá) 利用電磁波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和測量目標(biāo)的距離，這是雷達(dá)最基本的功能?？梢哉f雷達(dá)是電磁波，特別是微波研究、開發(fā)和應(yīng)用最成功的例子。 各種雷達(dá)的工作性能不完全相同，但是都由發(fā)射機、接收機和天線三大部分組成。雷達(dá)是靠天線輻射的電磁波來發(fā)現(xiàn)、探測和跟蹤目標(biāo)的。一般雷達(dá)依靠機械帶動天線作周期的掃描運動，這種機械方式掃描慢，有慣性。隨著超音速飛機、洲際導(dǎo)彈及多彈頭導(dǎo)彈等高速飛行器的出現(xiàn)，機械掃描無法跟蹤。近年來，出現(xiàn)把天線輻射波束用電腦進(jìn)行電控掃描的相控陣?yán)走_(dá)。這種雷達(dá)目標(biāo)容量大，數(shù)據(jù)率高，靈活性強，可靠性好。隨著微波電路的集成化和固態(tài)化，近年來又出現(xiàn)小型化的相控陣?yán)走_(dá)。 雷達(dá)擔(dān)負(fù)預(yù)警、偵查、導(dǎo)航、火控、制導(dǎo)以及氣象探測等多種任務(wù)，是海、陸、空軍武器系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，雷達(dá)在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的作用越來越重要了。正因為這樣，雷達(dá)也成為敵對雙方相互攻擊的首要目標(biāo)。在雷達(dá)和反雷達(dá)的對抗中，雷達(dá)所受的威脅來自電子抗擾、低空超低空入侵、反輻射武器攻擊和電磁隱身目標(biāo)等四大方面。在目標(biāo)的預(yù)警和偵查方面，當(dāng)前的軍用雷達(dá)重點是加強探測低空和超低空入侵目標(biāo)。利用氣球裝載的雷達(dá)，在海灣戰(zhàn)爭中使科威特及時發(fā)現(xiàn)伊拉克的入侵，為王室人員的逃亡爭取到寶貴的時間。架設(shè)在高山并向下俯視的雷達(dá)也有了發(fā)展。軍用雷達(dá)上采用的許多高新技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化到民用雷達(dá)上，例如在航天、航海、航空中和地面交通管制，氣象預(yù)報以及地質(zhì)勘測等許多方面，甚至已經(jīng)應(yīng)用到公路上測量汽車的車速、汽車避撞裝置、自動門、防盜報警等日常生活中。 2、微波通信 利用微波進(jìn)行通信的方式很多，主要有微波中繼通信、微波衛(wèi)星通信、移動通信和個人通信。 其中衛(wèi)星通信不受地理條件的限制，組網(wǎng)靈活迅速，通信容量大，費用省。采用數(shù)字通信技術(shù)后，還可以大大提高通信效率和通信質(zhì)量?，F(xiàn)代的通信衛(wèi)星已發(fā)展到第六代，一顆衛(wèi)星上有幾十個轉(zhuǎn)發(fā)器，可以同時傳送幾萬路電話和幾十路電視。全世界已有166個國家和地區(qū)共建立887個地球站。通過國際通信衛(wèi)星，已組成一個全球通信網(wǎng)。衛(wèi)星通信使人類的通信事業(yè)進(jìn)入一個新階段。 利用高頻無線電波在移動體之間或移動體和固定體之間進(jìn)行信息傳輸和交換，這種通信方式叫移動通信。它是當(dāng)前發(fā)展最快的微波通信之一。 21世紀(jì)是個人通信的時代，人們正在設(shè)想和逐步實現(xiàn)任何人在任何時間任何地方以任何形式跟任何人通信，即所謂“5W”。個人全球通信是由無繩電話、無線尋呼電話、蜂窩移動電話系統(tǒng)等多種通信方式綜合發(fā)展而成的。 3、 微波遙感 遙感技術(shù)不接觸物體而感知物體的性質(zhì)，因為電磁波能作為物體信息的載體。人們眼睛能看到五光十色的周圍物體，主要是眼睛能感受物體表面反射和散射的可見光電磁波信息?，F(xiàn)代遙感技術(shù)是通過架設(shè)在遙感平臺上的遙感器（例如光學(xué)照相機、電子攝像機、紅外掃描儀、微波輻射計、微波成像雷達(dá)等）收集和記錄地球表面各種目標(biāo)物體的輻射、反射和散射的電磁波，再根據(jù)這些遙感信息，按已經(jīng)建立和掌握的目標(biāo)物體的電磁波譜特性，進(jìn)行整理、分類、比較和處理，從中提取需求的信息和數(shù)據(jù)，最后達(dá)到大面積迅速地感知地表目標(biāo)物體的位置、狀態(tài)和性質(zhì)。因此，遙感就是掌握和運用目標(biāo)物體輻射、反射和散射電磁波的科學(xué)規(guī)律，來識別目標(biāo)物體的存在、狀態(tài)和性質(zhì)。 可見光遙感的最大優(yōu)點是圖象清晰，容易判讀。但是在夜晚，可見光遙感就很困難。紅外遙感器可以獲得很清晰的熱像圖，在軍事偵察上可以用來發(fā)現(xiàn)偽裝物下面坦克發(fā)動機，還可用于森林防火監(jiān)測，地下水的探測等。但是紅外線還是要被大氣云層、雨、霧等吸收，受日照和氣候的嚴(yán)重影響。而微波遙感具有全天候，全天時的優(yōu)越性。微波具有一定的穿透能力，能穿透植被和地面表層，能提供更多的有用的遙感信息。 4、 微波能的應(yīng)用 微波不僅能用作信號，還能用做新的電磁能量。微波跟物質(zhì)作用時有熱效應(yīng)、生物效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)。為了防止微波加熱時對通信、電視等的干擾，國際上對微波能應(yīng)用的頻率作了規(guī)定。目前我國微波能應(yīng)用的頻率主要是915兆赫—2450兆赫。 通常介質(zhì)材料分兩大類，一類能吸收微波能量，使物體的溫度明顯地升高。另一類不吸收微波能量，對微波是透明的。不同材料吸收微波的強度也不盡相同。水吸收微波的能力很強，因此潮濕的或含水的物體都能吸收微波。當(dāng)水結(jié)冰后，吸收微波的能力大大下降。這說明同一材料在不同狀態(tài)下吸收微波的能力是不同的。 二次大戰(zhàn)結(jié)束以后，雷達(dá)技術(shù)需要從軍事應(yīng)用轉(zhuǎn)向民用。美國一位雷達(dá)工程師發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)發(fā)射的微波能用于食物加熱。他研制成一種利用雷達(dá)用的磁控管加熱食物的爐子，當(dāng)時叫雷達(dá)爐。后來經(jīng)過不斷改進(jìn)，成為現(xiàn)在的家用微波爐。為了防止微波爐在工作時微波泄露，在爐門上裝了安全開關(guān)，只要爐門沒有關(guān)上，磁控管電源呈開路狀態(tài)，不會產(chǎn)生微波。還根據(jù)微波原理在爐門上設(shè)計一種特殊的扼流裝置，抑制微波從爐門邊框處的泄露。這種扼制裝置能保證爐門開關(guān)10萬次以上，仍能使微波的泄露處于極安全的范圍內(nèi)。家用微波爐已成為安全可靠、價格合理的民用產(chǎn)品。 微波也能使生物體的溫度升高。經(jīng)過各種實驗研究表明，微波對生物體有一種生物效應(yīng)。從實際效果來看，微波對人體作用時，如果微波功率不很強，照射時間又不很長，微波能促進(jìn)血液循環(huán)，加快新陳代謝，因此可以治療多種疾病，這就是微波熱療，微波還可以用于治療癌癥等。因為微波能穿透皮膚的脂肪層，深入肌肉內(nèi)部若干厘米，甚至達(dá)到骨骼部位，可以增加組織中白血球和抗體的濃度，因此對關(guān)節(jié)炎、纖維組織炎癥、組織扭傷等有輔助療效。在一定功率的微波作用下，可以使血液凝固，阻止出血，對快速治療痔瘡出血取得良好療效。 但是如果微波照射到人體的功率很強，照射的時間相當(dāng)長，那么微波對人體的不同部位將引起不同的反映，局部會造成過熱現(xiàn)象，使人體一些敏感的器官造成傷害，引起某些疾病。 葫蘆島市七中 劉杰 2020年3月14日 模塊四 課堂教學(xué)專題研究之三 有效教學(xué) 自主、合作、探究、建構(gòu) ——初中物理課堂教學(xué)“有效性”探討 專題一：對“有效教學(xué)”概念的理解和認(rèn)識 一、目前教學(xué)中普遍存在的共性問題 ●教學(xué)改革是課程改革系統(tǒng)工程中的一個重要組成部分，是課程改革的的重要內(nèi)容，是決定課程改革是否成功的關(guān)鍵。如果說課改之處，課程計劃的制定、課程標(biāo)準(zhǔn)的研制、學(xué)科教材的編寫出版等是課程改革初期的攻堅階段，那么課堂教學(xué)改革則是課程改革進(jìn)入相持期的持久戰(zhàn)。 在我們目前的學(xué)校教學(xué)中，雖然新的課程標(biāo)準(zhǔn)、新的教材、新的教學(xué)理念等為學(xué)校的教育帶來許多嶄新的變化，但舊的矛盾和問題（追求升學(xué)率、片面注重知識的傳授等）依然存在，新課程對教師教學(xué)行為的要求和升學(xué)考試制度改革的不到位（如強調(diào)科學(xué)探究的新的理念、強調(diào)課堂的互動、強調(diào)情景創(chuàng)設(shè)等的同時又不敢放松知識技能訓(xùn)練的強度、既理念和操作兩層皮）導(dǎo)致教師的教學(xué)行為更加復(fù)雜化（新舊疊加的效應(yīng)，兩手都要抓，公開課、有人聽課一樣，常態(tài)教學(xué)另一樣）；由于評價制度改革的滯后（中考沒能完全改變一考定終身、對于學(xué)生發(fā)展性評價缺位、導(dǎo)致學(xué)生死記硬背的試題沒能根本杜絕、情境性試題和聯(lián)系實際試題與學(xué)生生活實際脫節(jié)等）造成學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)不僅沒能減輕，反而有所加重（現(xiàn)象是學(xué)生參與課外補習(xí)的越來越多）。這些都導(dǎo)致了目前的初中教學(xué)的一個非常突出的問題，那就是：教師很辛苦，學(xué)生很痛苦，而我們的學(xué)生卻沒有得到應(yīng)有的發(fā)展，既教學(xué)效益沒有達(dá)到應(yīng)有的程度。這是基礎(chǔ)教育課程改革走到今天所必須面對的一個問題。那么，解決問題的方法就是如何使得我們的教師樹立有效教學(xué)的理念，掌握有效教學(xué)的策略或技術(shù)。否則，我們即使有理想的課程計劃、課程標(biāo)準(zhǔn)和教科書，沒有高效的教學(xué)形態(tài)使其落實，其結(jié)果也只能是紙上談兵。因此，在課程改革持續(xù)深入的過程中，討論有效教學(xué)的理念，研究和掌握有效教學(xué)的策略，就顯得十分必要。 二、有效教學(xué)理念被重新重視 ●“重新”有三層含義：其一，自有教學(xué)起，有效就是被追求的目標(biāo)；其二，由于歷史發(fā)展的制約，教學(xué)總是或多或少存在無效和低效現(xiàn)象；其三，社會上較長時間對“有效性”的曲解（以成績好壞論有效） 重視，是因為很多人逐漸認(rèn)識到：但就考試成績這一目標(biāo)追求，過程正確的、好的，結(jié)果應(yīng)當(dāng)會好；但過程不正確、不好的，其結(jié)果也可以好，但付出的是學(xué)生過量的投入和沒有得到應(yīng)有的全面發(fā)展的代價。 所以，重新認(rèn)識“有效性”仍然要排除“片面追求升學(xué)率”的干擾，必須認(rèn)清教學(xué)中存在的無效和低效的現(xiàn)象。樹立這樣一種認(rèn)識： ●在實際教學(xué)中，不管教師教得多么賣力、多么認(rèn)真、多么精彩、多么生動、多么辛苦，若是不關(guān)注學(xué)生是否愿學(xué)，是否學(xué)會，或者是什么其他的原因，導(dǎo)致學(xué)生沒有取得“預(yù)期的應(yīng)有的進(jìn)步和發(fā)展”，這樣的的教學(xué)就應(yīng)是無效教學(xué)或低效教學(xué)。這也是有效教學(xué)的最主要特征。教學(xué)有效性的追求，要求教師必須樹立“一切為了學(xué)生的發(fā)展”的思想。這種發(fā)展是“全人”的發(fā)展，而不是某一方面（如智育）或知識的某一方面的發(fā)展。 ●教學(xué)中的“低效“和”無效“現(xiàn)象舉例： 1. 雖然教學(xué)中重視了科學(xué)探究，但許多知識停留在“形式”層面； ①對學(xué)生科學(xué)提出問題能力的培養(yǎng)不到位②學(xué)生猜想假設(shè)缺乏依據(jù)③給學(xué)生設(shè)計實驗的時間不充分④進(jìn)行實驗缺少規(guī)范操作的訓(xùn)練⑤分析論證能力培養(yǎng)沒有得到應(yīng)有的重視⑥評估、交流、反思，只是個別學(xué)生的獨角戲⑥教師很少能為學(xué)生提供有價值的探究主題。 2. 合作學(xué)習(xí)、小組討論“走形式”， 沒能真正使學(xué)生進(jìn)行“自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)” 教學(xué)中經(jīng)常會有這樣的現(xiàn)象，教師提出一個問題后讓學(xué)生分組（同桌或前后座）討論1分鐘（或2分鐘），沒有給學(xué)生深入思考的時間和充分交流的機會，因而教師提出的問題一般都是無需討論就能得到結(jié)論的問題。學(xué)生的主體地位仍然是在回答“是”與“不是”這樣無價值的對話中來體現(xiàn)。這樣的課堂往往表現(xiàn)為“散亂的活躍”，其特征是：表面自主，無效合作，隨意探究，濫用表揚，盲目綜合，無度開放等等。學(xué)生活動量雖然大了，但思維含量少了。顯然，這樣的教學(xué)行為是無效或低效的。形式化最直接的原因在于教師尚未真正落實新課程理念，沒能真正使學(xué)生進(jìn)行“自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)” 3. 大題量重復(fù)性的機械訓(xùn)練仍然在較大層面存在，負(fù)擔(dān)重現(xiàn)象沒能根本解決； 學(xué)生練得雖然多，但缺乏對知識的建構(gòu)過程，導(dǎo)致學(xué)習(xí)缺乏深度，知識基礎(chǔ)削弱，（缺乏有針對性的訓(xùn)練，教師只是發(fā)紙片或指定幾本練習(xí)冊讓學(xué)生做，很少為學(xué)生精選有針對性分層次的練習(xí)題；為增強得分率的大題量重復(fù)訓(xùn)練，直到學(xué)生夠達(dá)到條件反射式的效果；） 4. 教學(xué)行為的強制性，講解過度，指導(dǎo)過度， 表現(xiàn)為教師憑著社會賦予的及與職業(yè)本身所具有的權(quán)力，凌駕于學(xué)生之上，一切“教師說了算”，“我教你學(xué)什么，你就得學(xué)什么”，完全不考慮學(xué)生的實際需要，講解過度，指導(dǎo)過度，包辦代替，課堂交往和有效互動建立不起來。在“教師、教材、學(xué)生“課堂教學(xué)三要素中，教師和教材依然處于中心位置，教學(xué)依然是 “刺激”與“強化反應(yīng)”之間的簡單關(guān)聯(lián)。教師教學(xué)的“對象服務(wù)”意識不強，教學(xué)中仍然習(xí)慣于“唱獨腳戲”，沒有真正認(rèn)識到“離開了學(xué)，也就無所謂教”。 5. 隨意性教學(xué)行為：備課“備學(xué)生”不到位，不能做到以學(xué)定教 一些教師缺乏應(yīng)有的教學(xué)效率效益觀念，一味強調(diào)刻苦用功和增加學(xué)習(xí)時間，教學(xué)中存在著只問產(chǎn)出、不問投入的偏誤，從而使許多學(xué)生的學(xué)習(xí)處于投入大、負(fù)擔(dān)重、效率低、質(zhì)量差的被動境地。課前備課“備學(xué)生”不到位，在課堂上教學(xué)一刀切，不能做到以學(xué)定教，教學(xué)與學(xué)情脫離。 6. 偏失性教學(xué)行為：片面強調(diào)物理知識的傳授忽視物理科學(xué)方法的培養(yǎng)的現(xiàn)象沒能根本改善， 教師教學(xué)過程中因片面關(guān)注某一方面而忽視另一方面，教學(xué)目標(biāo)設(shè)計陳述模糊、籠統(tǒng)、片面，“三維”目標(biāo)不能有機得到整合。有些教師仍然認(rèn)為教學(xué)的中心的或唯一的目標(biāo)是完成認(rèn)知性任務(wù)，片面強調(diào)物理知識的傳授忽視物理科學(xué)方法的培養(yǎng)的現(xiàn)象沒能根本改善，忽視了教學(xué)過程中“人”的因素，致使教學(xué)效益不高。【注：過多關(guān)注陳述性知識、忽視程序性知識和操作性知識的教學(xué)】 7. 偏見性教學(xué)行為：只關(guān)注部分學(xué)生，忽視大面積提高教學(xué)質(zhì)量 教師根據(jù)自己的主觀經(jīng)驗或特定價值的滿足狀況，對學(xué)生采取不同的對待方式，傾向某些人而冷漠另一些人。如在課堂提問時，教師給優(yōu)生、“后進(jìn)生”以不同的帶有偏見性的答問機會與反饋評價。不能有效關(guān)注影響大面積提高學(xué)習(xí)成績的“木桶效應(yīng)” 8. 管理意思差或管理能力不高，班級管理混亂， 不能有效調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和形成學(xué)習(xí)動機，使得部分學(xué)生厭學(xué)以致棄學(xué)。 9. 情境創(chuàng)設(shè)過度、聯(lián)系生活實際過度 表現(xiàn)為情境與物理教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系不緊密，問題指向不明確帶來學(xué)生思維的混論，忽略了生活實際不等于學(xué)生的生活實際這一核心要素，如這樣一個試題“探究分析橡皮筋的彈力是分子間的引力還是斥力？”） 以上這些教學(xué)行為導(dǎo)致教學(xué)有效性受到影響，這就使得教育工作者認(rèn)識到提高教學(xué)效率和效益的必要性，“有效教學(xué)”理念逐漸又被重視。實際上，追求教學(xué)的高效益，一直沒有被教育工作者淡忘，無論是布魯姆的目標(biāo)教學(xué)、巴班斯基的教學(xué)最優(yōu)化、盧仲衡的自學(xué)輔導(dǎo)教學(xué)模式、及現(xiàn)在受到普遍研究的建構(gòu)主義教學(xué)理論，其核心追求都是教學(xué)的有效性問題。 三、怎樣理解有效教學(xué) “有效”是一個相對的概念，與其對立的是“低效”和“無效”。在網(wǎng)上搜遍“有效教學(xué)”得到的只是一種認(rèn)識上的理念，而很難給出概念性的定義。普遍的觀點就是：“有效教學(xué)：就是在符合時代對教育的要求和滿足學(xué)生個體積極的知識建構(gòu)的前提下，其效率在一定時間和空間范圍內(nèi)，不低于平均水平要求的教學(xué)”。因此，可以從學(xué)生的學(xué)和教師的教兩個側(cè)面來理解有效教學(xué)： ●所謂“有效”，主要是對于“學(xué)生學(xué)的效果”的評價，是指通過教師在一段時間的教學(xué)后，學(xué)生所獲得的具體進(jìn)步或發(fā)展。教學(xué)有沒有效益，并不是指教師有沒有教完應(yīng)教的教學(xué)內(nèi)容或教的認(rèn)不認(rèn)真，而是指學(xué)生有沒有學(xué)到應(yīng)學(xué)的學(xué)習(xí)內(nèi)容或?qū)W生學(xué)的好不好。如果學(xué)生不想學(xué)或者學(xué)了沒有收獲，即使教師教得再辛苦也那也是無效的教學(xué)。同樣，如果學(xué)生學(xué)得很辛苦，但沒有得到應(yīng)有的發(fā)展，也是無效的；或?qū)W生雖然得到一定的發(fā)展，但學(xué)的很辛苦那也不能算作有效，最多也只能算作低效教學(xué)。 因此，學(xué)生在教學(xué)中有無進(jìn)步和發(fā)展是教學(xué)是否具有有效性的唯一指標(biāo)。（這段文字出現(xiàn)在無數(shù)篇文章之中，沒有查到誰是最先說的，百度引用的是鐘啟泉） 有效教學(xué)的目標(biāo)就是要實現(xiàn)學(xué)生的有效學(xué)習(xí)、發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維。實踐表明：探究性的、自主性的、合作性的學(xué)習(xí)對發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維很有效果。因此，有效教學(xué)的著力點就應(yīng)當(dāng)落實在促進(jìn)學(xué)生自主的、探索性的、合作的學(xué)習(xí)方面。 既然有效教學(xué)的著眼點落在學(xué)生的發(fā)展上，那么考慮有效教學(xué)就必然無法回避學(xué)生的有效學(xué)習(xí)。余文森在論述相關(guān)問題時，對學(xué)生有效學(xué)習(xí)在效率、效果和效益方面做了如下的描述： ●學(xué)習(xí)效率是“指學(xué)習(xí)特定內(nèi)容所花費的時間，……即學(xué)習(xí)速度的快慢，顯然，學(xué)習(xí)速度快，學(xué)習(xí)特定內(nèi)容所花費的時間就少，效率也就高。節(jié)約學(xué)習(xí)時間，提高學(xué)習(xí)效率，首先要求把時間用在學(xué)習(xí)上，課堂教學(xué)不能把時間浪費在非學(xué)習(xí)上；第二要提高單位時間的學(xué)習(xí)質(zhì)量?！? ●學(xué)習(xí)效果是“指學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)所發(fā)生的變化、獲得的進(jìn)步和取得的成績。這是有效性的核心指標(biāo)，也是我們平常所說的有效性，每節(jié)課都應(yīng)該讓學(xué)生實實在在的感覺到學(xué)習(xí)的收獲，它表現(xiàn)為：從不懂到懂，從少知到多知，從不會到會，從不能到能的變化和提高。學(xué)習(xí)結(jié)果不僅表現(xiàn)在雙基上，而且表現(xiàn)在智能上，特別是學(xué)習(xí)方法的掌握以及思維方式的發(fā)展。” ●學(xué)習(xí)效益是“指學(xué)生的學(xué)習(xí)感受，即學(xué)習(xí)活動所伴隨或發(fā)生的心理體驗。這是被傳統(tǒng)教學(xué)所忽視的考量有效性的一個維度?？鬃诱f過：知之者莫如好之者，好之者莫如樂之者。教學(xué)過程應(yīng)該成為學(xué)生一種愉悅的情緒活動和積極的情感體驗，學(xué)生在課堂上是興高采烈還是冷漠呆滯，是其樂融融還是愁眉苦臉？伴隨著學(xué)科知識的獲得，學(xué)生對學(xué)科學(xué)習(xí)的態(tài)度是越來越積極還是越來越消極？學(xué)生對學(xué)科學(xué)習(xí)的信心是越來越強還是越來越弱？這就是我們所強調(diào)的學(xué)習(xí)體驗，它是有效性的靈魂，學(xué)生越來越愛學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)有效性的內(nèi)在保證?！? ●所謂"教學(xué)"，是指教師引起、維持和促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的所有行為。那么，教師在操作層面應(yīng)當(dāng)包括動機、目標(biāo)和教學(xué)方式三個主要方面： 一是引發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)意向。即通過激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，使教學(xué)在學(xué)生“想學(xué)”的心理基礎(chǔ)上展開（《周易》蒙卦：“匪我求蒙童。蒙童求我，志應(yīng)也”）。 二是明確學(xué)生所要達(dá)到的目標(biāo)。即要讓學(xué)生知道“學(xué)什么”和“學(xué)到什么程度”。學(xué)生只有知道自己要“學(xué)什么”和“學(xué)到什么程度”，才會有意識地主動參與。 三是采用學(xué)生易于理解和接受的方式，為學(xué)而教。教學(xué)語言要簡約純凈，能讓學(xué)生聽清楚、聽明白；教學(xué)手段要先進(jìn)，能讓學(xué)生易理解、易接受；教學(xué)方法要靈活，能讓學(xué)生學(xué)得深、學(xué)得透。教師的教學(xué)如果不能做到這些，即使教得再辛苦，也不能稱之為真正的教學(xué)。 通過以上分析，我們似乎可以這樣來定義有效教學(xué)： ●“教學(xué)的有效性是指通過課堂教學(xué)使學(xué)生獲得應(yīng)有的發(fā)展” 。這里所說學(xué)生的發(fā)展，其狹義應(yīng)當(dāng)符合“課程標(biāo)準(zhǔn)”的要求，既“知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀”三個維度的整體的全面的發(fā)展；其廣義就是符合聯(lián)合國教科文組織在千年發(fā)展目標(biāo)中所提出的“四個學(xué)會——學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會做事、學(xué)會合作、學(xué)會生存”。 為此，我們可以把學(xué)校的教學(xué)活動促進(jìn)學(xué)生發(fā)展與經(jīng)濟(jì)生活中的企業(yè)發(fā)展做比較： ●講求時間（效率）→對于企業(yè)（生產(chǎn)進(jìn)度），對于學(xué)校（有學(xué)習(xí)的速度）； 追求效益（效果）→對于企業(yè)（講求利潤），對于學(xué)校（有學(xué)習(xí)的成績）； 注重發(fā)展（效益）→對于企業(yè)（保障安全），對于學(xué)校（學(xué)生苦樂感受）。 對于企業(yè)發(fā)展而言，進(jìn)度、利潤和安全是三個必要的考核指標(biāo)；對于課堂教學(xué)的有效性而言，學(xué)習(xí)效率、學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)效益（學(xué)生的苦樂感受）是三個必要的考核指標(biāo)。所以，課堂教學(xué)是一種“追求效率、講求效果、強調(diào)效益（注重發(fā)展）”的一種有計劃的師生活動，這種情形非常相似于企業(yè)的生產(chǎn)活動。與我們的經(jīng)濟(jì)生活中所倡導(dǎo)的“可持續(xù)發(fā)展、綠色GDP”的理念相似，我們的學(xué)校教育在培養(yǎng)人才方面也應(yīng)注重“可持續(xù)發(fā)展”，我們的課堂教學(xué)也應(yīng)當(dāng)是“綠色的課堂（充滿生命活力、師生心情愉悅）” 因此，對于有效教學(xué)可以從“三有論”層面進(jìn)行理解，既： ●有效率（既學(xué)習(xí)速度，與學(xué)習(xí)時間投入的多少和學(xué)習(xí)內(nèi)容的多少有關(guān)。提高學(xué)習(xí)效率，首先要求把時間用在學(xué)習(xí)上，課堂教學(xué)不能把時間浪費在非學(xué)習(xí)上；第二要提高單位時間的學(xué)習(xí)質(zhì)量。） 有效果（既學(xué)習(xí)收獲，與學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)后所發(fā)生的變化、獲得的進(jìn)步和取得的成績等表現(xiàn)有關(guān)。） 有效益（既教學(xué)的時代價值取向和學(xué)生的身心感受，與學(xué)生在學(xué)習(xí)中的情感體驗——主動、積極、愉快有關(guān)；與學(xué)生的發(fā)展——人性、尊嚴(yán)、潛能有關(guān)。） 這里想重點說明一個問題，既“有效性“的評價標(biāo)準(zhǔn)是”學(xué)生的發(fā)展，這是指“全人”的發(fā)展，而不僅僅是知識的獲得。因而，決不能單憑“中考成績”來衡量教學(xué)的有效性。因為在人的發(fā)展最為核心的要素方面，考試的效度和信度是有限的。就一般的紙筆測試而言，情感態(tài)度價值觀無法考，科學(xué)探究能力很難考，但教師的責(zé)任應(yīng)當(dāng)是：即便不考和難考，也不能放松對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和科學(xué)方法的培養(yǎng)，不能放松對學(xué)生情感態(tài)度價值觀的熏陶，因為這是教育賦給教學(xué)的責(zé)任。 專題二：有效教學(xué)所應(yīng)追求的課堂教學(xué)形態(tài) 經(jīng)濟(jì)的有效發(fā)展，關(guān)鍵是解放生產(chǎn)力；教學(xué)的有效追求，關(guān)鍵是解放學(xué)生，使學(xué)生由被動學(xué)習(xí)的狀態(tài)下解放出來，以學(xué)生自身的主觀能動性來促進(jìn)學(xué)生自身的發(fā)展。既“轉(zhuǎn)變以教師的教為主的課堂教學(xué)形態(tài)”實現(xiàn)“以學(xué)生的學(xué)為主的課堂學(xué)習(xí)狀態(tài)”。 對于“重視教師教，忽視學(xué)生學(xué)”這一現(xiàn)象在教學(xué)中沒能根本轉(zhuǎn)變的現(xiàn)狀，在肖成全著：《有效教學(xué) 》P1有所解釋。針對（肖成全：有效教學(xué) P1）的圖示，可以從某種教學(xué)理論加以解釋。有理論研究（記不清出處）認(rèn)為： ●提高學(xué)習(xí)效果的最佳途徑是師生一對一的教學(xué)，但這帶來的是“低效率”，在現(xiàn)實中是很難實現(xiàn)的，因而可以求得一種轉(zhuǎn)化的替代方式，就是使每一位學(xué)生都成為自己的老師——這就是自主學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)；然而當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)遇到阻力而需要幫助時，這種方式就顯得無能為力，需要有一個支持系統(tǒng)，于是另一種方式1+1或1+N——同伴互助和小組合作學(xué)習(xí)就會收到較好的效果。因而，教學(xué)有效性的基礎(chǔ)應(yīng)當(dāng)是為學(xué)生創(chuàng)造“自主學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)”的教學(xué)環(huán)境。 也就是讓學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動學(xué)習(xí)，既“我的學(xué)習(xí)我做主”。 ●對物理學(xué)習(xí)而言，學(xué)生對物理知識的獲得基本有兩個途徑：教師的講授和自主探究。從知識（指陳述性知識）獲得來看，二者都可以達(dá)到應(yīng)有的目標(biāo)；但從知識的意義建構(gòu)來看，自主探究可以使學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而引發(fā)與原有知識結(jié)構(gòu)的認(rèn)知沖突，通過分析論證等思維活動來實現(xiàn)“知識的同化和順應(yīng)”進(jìn)而構(gòu)造出新的知識結(jié)構(gòu)——意義建構(gòu)。因此，就能力培養(yǎng)而言，單純的“講授——接受”式教學(xué)是做不到的。 例如“牛頓第一定律”的教學(xué)，可以有如下兩種方式的教學(xué)： 案例1：牛頓第一定律的兩種教學(xué)方式 傳統(tǒng)教學(xué)模式 科學(xué)探究模式 教師提出問題：如果物體不受力的作用，將會發(fā)生什么情況？ 用生活現(xiàn)象讓學(xué)生進(jìn)入物理世界列舉現(xiàn)象并充分利用他們的前概念：有力才有運動 教師演示實驗：讓學(xué)生觀察小車從斜面頂端滑下時，在不同的平面（木板、棉布、毛巾）上前進(jìn)的距離 介紹亞里士多德和伽利略的觀點，讓學(xué)生針對兩種觀點進(jìn)行討論，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突 教師引導(dǎo)學(xué)生分析：小車在平面上運動的距離與平面上物體有關(guān)，摩擦力越大，距離越短 探究牛頓第一定律：學(xué)生通過分組實驗，論證和分析出理想的牛頓第一定律，認(rèn)識“控制變量法”和“推理法” 介紹伽利略的推理方法和得出的結(jié)論，突出“理想化實驗”和“推理方法” 發(fā)現(xiàn)、表述、交流“牛頓第一定律”，用理想的牛頓第一定律分析生活中的現(xiàn)象（應(yīng)用） 教師反復(fù)幾次講述牛頓第一定律，讓學(xué)生讀幾遍，最后再總結(jié)一下 課程標(biāo)準(zhǔn)對于本節(jié)在“知識與技能”上的要求是“能表述牛頓第一定律”，而科學(xué)探究對于本節(jié)的要求則是讓學(xué)生學(xué)會“分析與論證”的技能，通過收集實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過因果推理得出結(jié)論，從物理現(xiàn)象的共同特征中歸納出科學(xué)規(guī)律，并對探究結(jié)果進(jìn)行解釋。 對比發(fā)現(xiàn)：兩種方式都能實現(xiàn)對于陳述性知識：牛頓第一定律的掌握，而且前者可能效果會更好一些，因為反復(fù)復(fù)述的機械記憶可以產(chǎn)生較好的“短期記憶”。但對于“程序性知識和操作性知識”的掌握，后者要優(yōu)于前者。但由于“操作性知識和程序性知識”在目前的中考中難于考查，因而對有效性考量的尺度就成為教師選擇教學(xué)方式的功利因素和放棄是否有利于學(xué)生發(fā)展的考慮。 上面這兩種教學(xué)方式表現(xiàn)為兩種不同的學(xué)習(xí)過程：前者中學(xué)習(xí)者無須作出任何獨立的發(fā)現(xiàn)，只需要把已有定論形式的學(xué)習(xí)內(nèi)容加以內(nèi)化，存儲在記憶中即可，這就是接受式學(xué)習(xí)；而在后者中，學(xué)習(xí)者必須進(jìn)行獨立的或有指導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，然后把內(nèi)容納入認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的適當(dāng)?shù)奈恢?，這就是發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)。從兩種學(xué)習(xí)在認(rèn)知活動中的不同作用來看，大量的教材知識主要通過接受學(xué)習(xí)獲得的，而各種問題的解決則主要通過發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)來實現(xiàn)的。兩種學(xué)習(xí)方式在現(xiàn)階段都有其各自的價值。如果從學(xué)習(xí)者的遠(yuǎn)期效果看，接受學(xué)習(xí)帶來的記憶應(yīng)是短期的，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)帶來的記憶是長久的，只有學(xué)生通過自己的探索發(fā)現(xiàn)獲得的知識才會是終生難忘的。因此，我們不可能把所有的知識都拿來讓學(xué)生去發(fā)現(xiàn)，但也更不能用傳授的方式向?qū)W生灌輸所有的知識。 實際上，課程標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為有效教學(xué)的實施提供了教學(xué)的方向，如“物理標(biāo)準(zhǔn)”中有這樣的文字描述： ●“物理課程應(yīng)改變過分強調(diào)知識傳承的傾向，讓學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)研究方法，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神、實踐能力以及創(chuàng)新意思。改革以書本為主、實驗為輔的教學(xué)模式，提倡多樣化的教學(xué)方式……”；“科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又是重要的教學(xué)方式之一。將科學(xué)探究列入內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，旨在將學(xué)習(xí)重心從過分強調(diào)知識的傳承和積累向知識的探究過程轉(zhuǎn)化，從學(xué)生被動接受知識向主動獲取知識轉(zhuǎn)化，從而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、實事求是的科學(xué)態(tài)度和敢于創(chuàng)新的探索精神”。 認(rèn)真解讀上面的文字，可以發(fā)現(xiàn)，新課程提倡的課堂教學(xué)形態(tài)應(yīng)當(dāng)是：自主的、合作的、探究的、生成的（還有對話的、民主的、開放的、創(chuàng)新的等等）。因此，從最樸素的層面來看待教學(xué)“有效性”問題，似乎又變得很簡單，那就是嚴(yán)格按照課程標(biāo)準(zhǔn)施教。（狹縫中的教師生存狀態(tài)） ●“有效教學(xué)”的課堂形態(tài)之一：努力為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造條件，逐漸培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。（既“自主性”的課堂） 丘吉爾曾說：「我常常都預(yù)備要學(xué)習(xí)，但我不愿常常被教?！骨髮W(xué)并不一定要靠教師，就像大部分的學(xué)前兒童早已學(xué)會不少事情。事實上我們一生所領(lǐng)略的，大部份是自學(xué)來的，而這些自學(xué)所得來的知識，通常也是可以維持最久的知識。 （摘于網(wǎng)上） 之所以沒有采用“自主學(xué)習(xí)的課堂形態(tài)”，是因為從完全意義的“自主學(xué)習(xí)”來看，它與“課堂教學(xué)”的概念是相悖的，因此很難把“自主學(xué)習(xí)”和“課堂教學(xué)（封閉的、單一的、模式的、靜態(tài)的）”組合成“自主學(xué)習(xí)的課堂教學(xué)”這樣的概念（見“自主學(xué)習(xí)”介紹）。因此，在不能根本改變“現(xiàn)有課堂教學(xué)“狀況的情況下，我們提倡的是“在課堂教學(xué)中，盡可能創(chuàng)造條件，為學(xué)生自主學(xué)習(xí)創(chuàng)造更多的機會，逐漸培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力?！? “自主學(xué)習(xí)”的定義：很多研究者認(rèn)為自主學(xué)習(xí)有以下三方面的含義： ●第一，自主學(xué)習(xí)是由學(xué)習(xí)者的態(tài)度、能力和學(xué)習(xí)策略等因素綜合而成的一種主導(dǎo)學(xué)習(xí)的內(nèi)在機制。也就是學(xué)習(xí)者指導(dǎo)和控制自己學(xué)習(xí)的能力，比如制訂學(xué)習(xí)目標(biāo)的能力、針對不同學(xué)習(xí)任務(wù)選擇不同學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)活動的能力、對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行監(jiān)控的能力、對學(xué)習(xí)結(jié)果進(jìn)行評估的能力等。 ●第二，自主學(xué)習(xí)指學(xué)習(xí)者對自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方法以及使用的學(xué)習(xí)材料的控制權(quán)。通俗地講，就是學(xué)習(xí)者在以上這些方面進(jìn)行自由選擇的程度。從另外一個角度講，就是教育機制（教育行政部門、教學(xué)計劃、學(xué)校、教師、教科書）給予學(xué)習(xí)者的自主程度，或者是對學(xué)習(xí)者自由選擇的寬容度。從教育實踐角度來說，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)就是在一定的教育機制中提供自主學(xué)習(xí)的空間以及協(xié)調(diào)自主學(xué)習(xí)與總體教育目標(biāo)的關(guān)系。 ●第三，自主學(xué)習(xí)是一種學(xué)習(xí)模式，即學(xué)習(xí)者在總體教學(xué)目標(biāo)的宏觀調(diào)控下，在教師的指導(dǎo)下，根據(jù)自身條件和需要制訂并完成具體學(xué)習(xí)目標(biāo)的學(xué)習(xí)模式。要真正做到完全意義下的自主學(xué)習(xí)必須滿足兩個必要前提，即學(xué)習(xí)者具備自主學(xué)習(xí)的能力和教育機制為學(xué)習(xí)者提供的保證自主學(xué)習(xí)的空間。 顯然，我們目前的學(xué)校教學(xué)環(huán)境和教育機制是無法實現(xiàn)學(xué)生真正意義上的自主學(xué)習(xí)的。因此我們對于自主學(xué)習(xí)理論給出如下的理解： （1）對于傳統(tǒng)教學(xué)整齊劃一的教育模式，過于重視知識的掌握，忽視創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和個性發(fā)展的培養(yǎng)，造成學(xué)生被動地學(xué)習(xí)，動手與實踐能力差，參與意識和參與能力不強等弊端；自主學(xué)習(xí)重視學(xué)習(xí)主體的自主性發(fā)展和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，“學(xué)會學(xué)習(xí)”成為教育目標(biāo)，教師的所謂“教學(xué)”，其真正含義由過去的“教會學(xué)生知識與技能”變?yōu)椤敖虝W(xué)生學(xué)習(xí)”，以學(xué)法研究為中心帶動教學(xué)法觀念的根本性變革。 （2）樹立以理解為核心的學(xué)習(xí)觀，教師要使學(xué)生成為自主學(xué)習(xí)的主體，必