物理教育与科学素质培养

有密切联系，又有重要区别。科学解决理论问题，技术解决实际问题。科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和关系联系起来；技术的任务则是把科学的成果应用到实际问题中去。科学主要是和未知的领域打交道，其进展，尤其是重大的突破，是难以预料的；技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划。
　　历史上，物理学和技术的关系有两种模式。回顾以解决动力机械为主导的第一次工业革命，热机的发明和使用提供了第一种模式。17世纪末叶发明了巴本锅和蒸汽泵；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%，内燃机效率达到40%，燃气涡轮机效率达到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、第二定律。这种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，即技术→物理→技术。电气化的进程提供了第二种模式。从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年法拉第发现电磁感应定律，基本上是物理上的探索，没有应用的研究。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，蓬勃地发展起来。有了1862年麦克斯韦电磁理沦的建立和1888年赫兹的电磁波实验，才导致了马可尼和波波夫无线电的发明。当然，电气化反过来大大促进了物理学的发展。这种模式是物理→技术→物理。
　　本世纪以来，在物理和技术的关系中，上述两种模式并存，相互交叉。但几乎所有重大的新技术领域（如电子学、原子能、激光和信息技术）的创立，事前都在物理学中经过了长期的酝酿，在理论和实验上积累了大量知识，才突然迸发出来的。没有1909年卢瑟福的α粒子散射实验，就不可能有40年代以后核能的利用；只有1917年爱因斯坦提出受激发射理论，才可能有1960年第一台激光器的诞生。当今对科学、技术，乃至社会生活各个方面都产生了巨大冲击的高技术，莫过于电子计算机，由之而引发的信息革命被誉为第二次工业革命。整个信息技术的发生、发展，其硬件部分都是以物理学的成果为基础的。大学都知道，1947年贝尔实验室的巴丁、布拉顿和肖克莱发明了晶体管，标志着信息时代的开始，1962年发明了集成电路。70年代后期出现了大规模集成电路。殊不知，在此之前至少还有20年的“史前期”，在物理学中为孕育它的诞生作了大量的理沦和实验上的准备：1925~1926年建立了量子力学；1926年建立了费米－狄拉克统计法，得知固体中电子服从泡利不相容原理；1927年建立了布洛赫波的理论，得知在理想晶格中电子不发生散射；1928年索末菲提出能带的猜想；1929年派尔斯提出禁带、空穴的概念，解释了正霍耳系数的存在；同年贝特提出了费米面的概念，直至1957年才由皮帕得测量了第一个费米面，尔后剑桥学派编制了费米面一览表。总之，当前的第二次工业革命主要是按物理→技术→物理的模式进行的。
　　3 物理学的方法和科学态度
　　现代的物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学。物理学中有一套获得知识、组织知识和运用知识的有效步骤和方法，其要点可概括为：
　　1) 提出命题
　　命题一般是从新的观测事实或实验事实中提炼出来的，也可能是从已有原理中推演出来的。
　　2) 推测答案
　　答案可以有不同的层次：建立唯象的物理模型；用已知原理和推测对现象作定性的解释；根据现有理论进行逻辑推理和数学演算，以便对现象作出定量的解释；当新事实与旧理论不符时，提出新的假说和原理去说明它，等等。
　　3) 理论预言
　　作为一个科学的论断，新的理论必须提出能够为实验所证伪(falsify)的预言。这是真、伪科学的分野。为什么说“证伪”而不说“证实”？因为多少个正面的事例也不能保证今后不出现反例，但一个反例就足以否定它，所以理论是不能完全被证实的。为什么要求能用实验来证伪？假如有人宣称：在我们中间存在着一种不可探知的外来生灵。你怎么驳倒他？对这种论断，你既不能说它正确，又不能说它错误。我们只能说，因为它不能用实验来证伪，所以不是科学的论断。
　　4) 实验检验
　　物理学是实验的科学，一切理论最终都要以观测或实验的事实为准则。理论不是唯一的，一个理论包含的假设愈少、愈简洁，同时与之符合的事实愈多、愈普遍，它就愈是一个好的理论

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