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关于在基础教育阶段进行量子知识教学问题的思考

(2020-08-05 09:04:00)

关于在基础教育阶段进行量子知识教学问题的思考

山东省淄博第五中学(邮政编码 255000   邮箱 yshl615@126.com   电话 13864442139  岳 守 禄

【摘  要】随着世界各国在量子科学研究领域不断取得突破性的进展同时,让越来越多的有识之士体会到量子知识在社会发展及进步中的重要性,为此很多的知名学者提出了量子力学从幼儿抓起 的口号。在幼儿和基础教育阶段,作为认知过程中的最重要阶段,此阶段对学生建立量子力学的理念及思维方式的转变将起到关键作用。时代和科技的变革对我们的基础教育改革提出了新的要求,在这场科技革命中如何根据量子知识的学习要求结合各阶段学生的认知心理特点,改变我们在量子知识教育中的观念,方法及策略,特别是量子知识内容在各阶段教材中的设置体系及评价体系的改革提出了迫切的要求。

关键词量子力学  量子科学   基础阶段教育  幼儿教育  小学生  初中生  高中生  学习心理  知识渗透

 

 

 

 

1.     量子知识在基础教育阶段学习的必要性及迫切性 … …….……… …...   01—03  

2.     量子力学知识在基础教育阶段学习的意义说明,教育心理学分析和可行性分析。  ………………………………………………………………………………..….…….    03--07

3.     基础教育阶段各阶段学生量子知识学习的几个问题。………..………    07--12

(1) 教育教学的方法及手段

(2) 各阶段量子力学知识的在教材中的设置及教材的编写 .

4.关于量子力学知识在基础教育阶段全方位、各学科渗透教学问题  12--13

5. 关于量子知识各阶段教师培训问题的建议……………………………………   13--14

 

  量子力学知识在基础教育阶段学习的迫切性及必要性。

近期中央国务院公布了《中国教育现代化 2035》及近五年实施方案,就我国中长期教育代化建设和教育强国绘制了宏伟的蓝图。为国家的复兴和赶超世界先进教育水平而制定了教育现代化思路及理念。从教育发展理念、发展方式、体系制度转变提出了指导思想和基本原则。在两个文件围绕上述问题而谋划和部署的重点任务中,明确指出如何发展具有中国特色的世界先进水平的优质教育,全面落实立德树人根本任务,形成高水平人才培养体系中教育现代化的核心要求。

放眼现代世界科技,以相对论和量子力学为代表的现代物理学让我们看到了一个新的科学时代的到来,它在无处不在的改变着人们的物质观、时空观及生命观。随着我国在量子科学应用上取得的越来越多的成果的同时,我国诸多著名的科学家的名字及他们在量子力学取得的成就展现了在人的面前。也更使我们体验到量子科学离我们是如此的近,促使更多的人关心起了量子力学的今天和未来,虽然还不能说这个世界进入了量子时代,但从目前看量子力学理论带来的前展性及在应用上展现出来的巨大潜力可以说这个时代的到来己为期不远了,因为在当下无论是应用物理、应用化学还是生命科学甚至是哲学其重多问题的诠释都不可抗拒的聚焦到了一点——量子力学。

正如诸多有识之士所说的那样:谁在量子科学上走的更快更远,谁就有可能掌握明天的世界。

从社会发展的历史进程中社会变革的重大事件和节点来看,几乎都有自然科学家及哲学家在理论及实践的伟大贡献,近代西方社会变革及生产力的大幅提高,社会快速发展的事实证明了这一点,特别是改革开放以来我国取得的重大成就也更能说明这一点。

而现代科技变革及重大的成就说明:量子科学的成就必将对世界发展和人类的进步在后十几年几十年或更长的一个时期内产生巨大的影响,那么量子力学的实践及应用也必将在民族复兴中产生具大的推动作用,面对这场可能改变世界历史进程的新科技革命我们对此必须有危急意识和紧迫意识。决不能让我们的子孙后代不至于在量子科学的海洋中找不到自己。只有在即将到来的新物质革命及规律探索中展现中华民族的强大及才智,进而在第四次工业革命中走在前列。

人才!在今后的几十年内精通量子力学理论和数学的复合人才及量子科学应用人才就是这场竞争中的关键!中央及国务院的关于教育现代化的两个文件为实现这个人才培养的战略目标指明方向提供了政策保障。国际、国内形势的变化也对人才培养要求提出了新的挑战,促使基础教育的任务目标也必须进行相应的改革!在国外,20189 月美国发布的《国家量子信息科学战略概览》文件中除了七大类量子科学的应用外就是关于量子科学专业人才及基础教育段量子信息科学的教育问题,文件建议要在未来建立一支量子科技大军,需从小学、初中、高中阶段开始做起,可见他们己从国家战略的角度帅先走在了量子科学的起跑线上。近期欧美又提出了第二次量子革命计划,为此,它们在拟定的量子技术国家战略五项重点任务中也明确提出:构建坚实的能力基础和创造合适的社会和管理环境的内容,计划更加明确在量子科学做什么才是真正跨入量子新时代,计划中明确体现出了所需的专业人才培养特征及要求。

探究量子科学在各个领域的应用势必会对当今世界产生变革性的影响,同时又会带动更多各学科交叉性的基础研究及成果。这更需培养大批跨专业的技术人才。当前许多重大国际事件说明量子科技领域人才的重要性。虽然我国在某些量子科技有一定的优势,但要做到真正全面领先就必须从基础教育做起。才能保持我国在量子科研优势地位,进而推动量子科技向更多产业化发展。

邓小平说过计算机应从娃娃抓起,那么我们的量子科学呢?科学家潘建伟说从少儿抓起,科学家李淼的《给孩子讲量子力学》就是个很好的开始。

量子力学的教育从少儿做起从基础教育做起刻不容缓,这也是时代付于当代人不可推卸的历史责任。

量子力学知识在基础教育阶段学习的可行性及教育心理学分析

就量子力学的知识体系及复杂而且难以理解的数学语境表述而言,它与人们现有的认知观点认知水平确实有很大的差距。世界上没有多少人真正懂得量子力学这句话也确实就是今天的现实。但换个角度去思考:几个世纪前的日心说和地心说之争其人们的认知观念的转变并不比今天的量子科学的容易的多。人们认知能力的提升也是社会进步的重要体现,对新的事物的认知关键是观念及意识的转变,在学习中完善认知方法,特别用我们中华民族几千年来所积累的认知经验和方法结合现代教育理念及手段,在幼儿和基础教育阶段进行量子知识的教育和学习完全可行。

任何一种新知识的学习从理念及内容上都有其相对应的认知体系,如何有效的根据各阶段学生的认知水平设置相关联的达成目标是认知的关键。量子知识在各阶段学习也应建立起相应的认知环节和各阶段的达成目标,总不能上来就让小学生去理解黑体辐射与能量量子化的关联吧。也就是说我们需下功夫组织起各阶段不同层次要求的认知体系,才能形成逐渐完成各阶段的量子知识教育的任务。随着时代的变革和科技的进步人类在每个学习过程中的认知目标也应进行相应的变化和提升,这也是时代进步对人类的知识学习提出的必然要求。

21 量子科学在基础教育段的教育层次划分和培养目标

基础教育阶段的量子知识和相关科学的教育方式及方法必须遵从学生的生理、心理发展规律有序的进行这就需各方面组织力量有目的的进行讨论研讨.制定可行有效的计划和实施步骤。从学生的学习接收能力及教育和教育心理发展来进行量子科学的教育可分的几个阶段及相应的教育目标:

2.1.1  学前及小学阶段

少儿学龄前:在孩子们空白的意识中建立量子意识及存在观念  。例如知道微观”“形、意描述。

小学生前期:13 年级 :以量子科研成果和发展前途让学生进一步了解量子科技,进而产生我要学的内在动力。同时了解学习微观知识,例如:学习知道物质组成中关于分子、原子的相关知识。

小学后期 45 年级:通过介绍量子力学的发展历史及科学家的事迹,让学生知道要掌握量子科学知识要学什么”“怎样学进而达到我能学会做自我意识 。同时完成一些比较容易的物理实验室,例如:油膜法测量分子的直径,观察光的干涉及衍射实验现象,光电效应现象实验。

2.1.2  初中阶段

初中 1 2 年级:在学生的认知能力范围内,介绍有关量子力学及量子科学的基本知识和研究方法,通过介绍相应的量子科学的研究成果在学生思维中形成建立量子力学的基本思想和基本常识。

初中 34 年级:从现实情况考虑由于学要面临着初中升高中的压力和重多的考试可以在物理教材中进行归纳性的知识整理,形成初步的较系统的量子力学知识。有可能的话把量子科学的知识纳入升学考试的范围中去。  

2.1.3  高中阶段。

高中阶段就应考虑从全方位的角度进行量子力学基础知识及量子科学应用的教育,除物理教学在现有的知识体系中适当加深加宽外,化学、生物,数学知识的准备甚至是语文、历史中也应该有相应的体现。

量子力学知识的学习确实和经典科学知识学习有着较大的差别,是否出版一套和基础教育阶段学生认知能力相对应而且又区别大学教材的系统教材。目的是为在量子力学方面有较大潜力的学生而准备,进而在有条件的大中城市或在一定地域范围内利用课余时间集中起来进行重点培养,更好的有利于国家在量子科学人才培养和选拔。

22 各阶段学生学习量子知识的学习心理学分析          

2.2.1 少儿阶段:(57 岁)

从媒体我们经常看到:一个几岁的孩子可以记住上百首唐诗宋词名人名句,难到孩子能真正的理解吗,决对不能。但我们又不可否认这些诗词一定会对他以后人生的发展产生难以估量的影响。那么量子力学的学习呢?当然我们不可能让孩子去记住什么描述公式,虽然他们不懂得 1 米的一亿亿分之一如何去想象,但随着年龄及知识的增长学习的需求会像唐诗宋词一样在他们的思维意识中产生巨大的影响。少儿阶段学习量子力学知识主要应是在孩子的潜意识中建立对微观世界认知理念及观念,特别是微观世界空间和时间意识的形成及维度描述意识的建立。有目的地让量子意识进入孩子的思维,在其纯洁的内心深处撒下一颗量子的种子,为基础教育阶段学生学习量子知识提前形成一种语境意识。

少儿阶段的孩子要充分利用他们学习兴趣、求知欲不断增强,而且学习兴趣有了分化性和选择性的心理特点,用量子力学知识特点结合有效的现代教育手段加强兴趣的深化,把孩子的间接性兴趣往理性和思考性转移。在建立量子科学的兴趣,认知环境上下功夫,充分利用孩子的间接性兴趣创建和积累意境和语境。由于量子科学认识的间接性所以在少儿阶段量子教育在建立意念的教育更为重要。

任何阶段儿童的知识学习必须与孩子的学习动机相结合。需求动机对少儿来讲还不能起到关键作用,而如里从交往性动机和威信性动机入手进行量子知识的启蒙教育会效果会更好。故此需创造量子科学的社会教育环境更多的提供相应的教育资源。

家庭教育环境也是重要节点,在此阶段一般家庭完全有能力关注这一点。

2.2.2 小学前段(13 年级)

从小学生的心理及生理发展来看,孩子们己具备在学习量子知识时需要的初步思维条件,因为他们对事物感知及注意己在从少儿的笼统不准确向事物精细特征及事物关联转移,例如在识图大小比例,事物的维度的特征等,而且空间的感知能力己经基本上完成了直观感觉向抽象感知的转化。时间及时间的单位与事物的关联,例如:几秒、几分昨天、后天,几个世纪的比较判断。

但此阶段学习的动力主要还需兴趣及具体事物来支撑,但小学初期孩子注意力的不稳定、持久差,注意范围小,所以在量子科学知识的教育教学中决不能出现抽象的公式、概念及定理。但可以利用该阶段学生易出现的心理冲突、困惑来以量子科学的典例,进行量子知识趣味性和科学语境的教育为主进行教学,利用科学的手段,此阶段结合学生生理、学习心理易变化的特点抓好自然科学量子科学知识兴趣的培养为主,适当的加强微观世界的形象描述及认识,在不失量子科学的严格性条件下让学生学习一般的描述模型和相对较严瑾的描述语言。

2.2.3 小学后段(45 年级)

随着学生在生理、心理的变化,这个时期是各种观点意识教育的黄金时期,也是量子科学观点和意识教育的最佳切入时期。在此阶段有可能会培养发现一大批对量子科学有极大兴趣和培养潜力的好苗子。

该阶段的学生随着身体机能的变化,自主意识,分析看得事物的眼光、记忆力增强,注意力集中思维的敏锐性特别是抽象思维的能力和逻辑思维能力有了很大的提高。

要利用各种习惯形成的关键时期,特别是在思维习惯加入量子观点的意识和思想会起到事半功倍的效果。但由于意志力不强,分析归纳能力不足,在教材内容设置及教学方法上多加注意保护学生的积极性。

从外在需求考虑,由于学生在该阶段后期还面临着小升初的压力,当然也教育系统也可以利用升学考试这个机会加强学生学习量子科学的学习外部动力。 

2.2.4  初中一二年级

刚刚跨入少年期他们虽然心理品质理性思维及知识经验还大部分停留在小学阶段,但自我意识及对事物的评价能力确有了,思维的独立性和对事物批判也在快速形成中,而量子科学的知识特点在这种思维变化过程中建立起来的意识及学习兴趣,必对学生将来深入的学习量子科学的知识产生深刻长远影响。

此阶段的学生由于他的感知事物的能力一一知觉的有意性及目的性、精度和概括能力提升的速度在不断的加大,故可以在理解事物的抽象能力范围内加大量子力学知识介绍性学及量子科学的成果认识,增加学生的内在需求,进而提升学生学习量子科学知识的兴趣和富于想象的表现需求,适时的进行量子科学知识讲座,成立量子科学知识学习兴趣小组,量子科学知识各级竞赛等。

基础教育管理部门在这个过程中的合理引导及关注也将起到很大的推动作用。

2.2.5 初中三四年级:

此阶段的学生各方面的独立性及心理的稳定性自了很大的提高,观察能力及意义识记水平占思维的主导,而且具备了一定抽象概括能力,学习的目标性进一步增强。此阶段知识储备也具备了学习量子科学知识的基本条件。但由于学生在此阶段要拿出大量的时间进行中考的备考学习,所以可以在中考中对量子科学知识加以体现,进而增加学生学习量子科学知识的外在动力,因为现实的引力太大。

如果自下而上针对量子力学的初步知识结合数学问题由教育系统统一组定期定时每年举行一次人才选拔赛,如果考试成绩与初中升高中相结合效果会更好,也为高中学校量子科学优秀人才的选拔培养提供了很好的知识基础和人才信息。这个阶段也是发现选拔优秀量子科学人才的一个好时期。

2.2.6 高中阶段:

高中阶段的学生随着身体机理的不断成熟.,神经和大脑皮层的己接近成人。独立分析能力解决问题的能力有了大幅度的提高,抽象思维能力的发展已使他们能很好的完成毫无直接兴趣而又具有重要意义的学习任务,观察事物也比较精确、深刻、全面。初步具备了通过表面现象发现事物的本质的能力。在学习过程中意义识记已经占据主导地位,能按照一定的学习目的力求分清主次采取意义识记的方法来领会和掌握所学的基本内容,他们学习的选择性及对理论性的材料学习兴趣也有明显增加;对某一门学科的兴趣,一方面与他们对这门学科的学习深入程度有关更与教师能够积极地加以引导有关,学生常常对自己所喜爱的学科会表现出强烈的求知欲,甚至在这个过程中还表现出一定的创造才能。所以此阶段学生能较快的掌握量子力学基础知识及学习体会量子力学历史发展进程中的各种问题。应在各学科中系统的加大量子科学知识的内容教学,无论学生将来的学习走向如何,都需让量子科学知识及思想深入到学生的思维意识中去,使量子力学的知识的内涵及外延像能量守恒及熵增加原理一样,让量子力学的知识理念成为学生成长中必备的一种哲学意识。

但现实的问题是高中生特别是后期要面临着高考的巨大压力,所以要在高中阶段加大量子科学的教育力度还需对各学科的知识结构及内容进行调整,相关联的内容特别是数学物理及生命科学在高考中有明确的体现才行。

从教育心理的角度看,学习的动力及学生的学习兴趣的激发主要是来自自身的需求及家庭社会的要求需求这一核心要素,要很好的解决量子科学基础教育阶段学生的学习问题,各方面还必须基于这一点出发全方位做出相应的计划与对策。

关于量子知识在基础教育各阶段教学实施中的几个问题。

3.1注重量子科学在各阶段教育教学的方法

古今中外很多教育家都在探究教育做真谛是什么,其中以教会学生思考,得到大多数人的认可。当前绝大多数教师在科学教学中充分注意了启发引导学生提出问题的意识,但是在培养学生归纳问题探究解决方法上做的不够,教学环节中要重视做好启发学生在提出问题问题的归纳的思考。

有教师曾经做过同一个思考题的在两个不同教学年级测试:一组是小学四年级,一组是初中三年级,每组各十人。题目是:一块 10 克水果糖尽量均等的分给 200 位同学吃,请设计最优的方法结果是:初三组的学生有六人答案是:用非常精密的天平等分即可,而小学四年级组有五位同学说出了用一定体积的水先把糖溶化后然后等分即可。显然后一种方法从可行性及圴分度上讲前一种答案更好,造成这一现象的原因不可是小学四年级的学生比初四学生更优秀,而是初中学生学习了天平的使用 这种现象难道不值得我们教育工作者认真思考吗。

随着国家的经济实力不断提高及科学技术特别是网络技术的发展,教育教学手段也在不断变化,目前在经典科学自然科学的教育过程中一般的教学方法是从直接到间接、实验观察及验证、总结归纳及抽象思维的过程。在教与学的过程中利用各种手段和方法把知识规律分解、简化进而压缩、放大缩小、静变动、动变静,从直观兴趣到操作兴趣,取得因果联系,进而掌握前人总结出的经验知识及规律。这种常规的教学方法对较快的掌握经典的自然规律确实是一种较好的方法。但是现实中基础教育在学校的评价体系不自觉中是以各种考试成绩特别是升学考试为标准,各教育环节中缺乏教学方法及手段的创新,使学生的创造性的思维及意识被淹没在了大量的重复记忆之中,忽视了学生的创新思维的培养,为学生后期的发展极为不利。

教育方法及教学手段必须改革,建设创新性国家必须有创新性教育由其是基础教育段在理念、方法及手段的创新性,在新一轮科技革命特别是量子科技及相关重大科技创新变革中对基础教育提出了更高的要求,因为新的理论的探究及新的技术的发展必须是新的理念方法培养出来的创新性人才才能胜任。

3.2、各阶段的量子科学的教材内容的设置和教学实施目标

在学前阶段中,大多数幼儿园大班目前都有相应的自然科学教学计划,但由于不属于义务教育阶段故此没有统一的教材。量子科学在幼儿阶段的教育中也必须在遵从认知规律的前提下有相应教育教学目标,教材资料要尽量科学。教学中一般需以图片,动画故事游戏为主,以声光信息进行量子意识的教育。就目前来看组织幼教专家及相关的科技人员整合现有的幼儿量子读物及视频资料是一个可行的办法,资料在充分认证教研后可以在教育系统的指导下推荐使用。

在小学低年级阶段,充分利用小学低年级学生的求知欲及对自然科学的学习兴趣结合学生在该阶段的认知能力,在小学一年级科学教材中《比较和测量》中介绍分子原子的大小及测量方法,图文材料中加入量子科学的内容,在小学二年级科学教材的《材料》部分中以图片加以文字说明突出量子科学的成果及科技前沿的动向,教材中的教师用书中尽量配置系统的视频资料,以激发学生对量子科学的学习热情为主而知识学习为辅,尽可能达到学生对量子科学我要学的目的。教材中结合量子科学的知识特点及学生的学习能力配置一定量的讨论题及思考题,培养学生提出问题”“如何思考的学习习惯。

在小学中后期阶段,随着学生学习能力的提高在小学三年级的科学教材中生命科学部分增加与量子科学相关的内容,可以适当的把五年级的内容部分提上来例如:基因、物种改造等问题同时配合图文说明。小学四年级科学教材上中看不见的生物及水的认识中加入量子科学的知识,下册中结合的认识一章的内容配合历史故事引导学生建立量子的初步概念,以介绍光的本质及物体的发光原理,关于激光的小常识及光的有关实验以视频的形式呈现给学生,为高中阶段的学习进行铺垫。

五年级上册中的科学内容中可以在材料部分加入量子科学的内容,而下册中,例如人的大脑的思维和量子科学的相关性小常识介绍给学生,在六年级的科学教材增加量子通信及量子计算机等量子科学前沿知识内容的介绍,开拓学生的知识视野,可以就有关量子科学的研究方法及发展方向以阅读的形式在教材中呈现。

从现在科学教材的内容设置来看每一章节后面都可增加关于量子知识和量子科学的相关知识及讨论或思考问题,启迪学生对量子科学思维及认识。小学阶段的学生由于受学习能力及知识储备的制约不可能较深入的去学习自然科的知识,但学生对认识和学习自然科学知识的内在需求积极性很高,但如果能利用课内外正确的引导,对学生将来的发展会产生巨大的影响。个人认为有必要对小学科学做教学内容进行部分改革,增加量子科学有关知识的认知性学习。

同时在小学各年级语文教材课文中增加量子科学的相关内容。以重大的量子科学发现和科学家的人物事迹内容为主体,增强学生对量子科学的认识。

随着社会的进步人们获取知识及中相关信息的方法及手段的变化,小学教材科学知识的认知结构及学习内容也应有该有适当的调整才行,小学阶段科学教材的知识和内容在遵循学生的认知规律前提下也需做相应的变化及调整,课程的设置标准应该加入量子科学的有关内容,可以尽可能多的把量子科学的知识及观点用图示的形式展现给学生,为学生以后的学习发展开拓视野,进而更好适应当今社会科技快速发展的要求。

现行初中阶段自然科学的内容的设置标准中,前言说明中重点提到相对论、量子论、信息论、基因论等理论及引发的各学科的革命。从教学层面上讲由于教师对量子力学知识理解及量子科学知识在深度、  广度、扩展掌握上的缺失又使我们在初中阶

段学生的学习内容中量子知识的设置处于了一个二难的境界。                                处于各学科的知识渗透和学生素质的培养的目的,在初中阶段有些地区实行了科学综合性教学改革,但效果不太令人满意。其原因其一是忽视了高中继续学习的需求和与学生升学的关联度,也就是相应的价体系也需进行相应的调整才可能使教改落到实处。其二是教师综合性教学能力及水平的提高,怱视了初中阶段以形象思维为主:教学过程形象性,直接性,经验性的特点,。三是缺乏全社会对科学技术之间的深度关联及人才变化需求与基础教育阶段内容设置重要性的认识。

量子知识在初中阶段教学内容的设置必须进行充分的研讨,就其教育目标、呈现方法、语境的科学性,结合科学内容的综合性学习改革制定出相应的理念和目标。才能有好的教育效果。

按照三年制初中若增加独立的科学综合性教学内容,建议在初二下学期和初三上学期安排较为合适,因为此阶段学生学习的趋向性及认知能力有较大所提升,对科学知识的相关性有了一定的认识,教学效果会更好。

量子科学在初中阶段的学习可以从三个方面进行:一是在基本的教学内容中进行理念和常识的渗透。二是加大量子知识在科学综合性学习内容中的比例。三是出版一套有一定深度而且较系统适合兴趣学习小组共同和学习竞赛的课外材料,为学生的主动学,主动探究主动发展提供优质的资料,让有兴趣和能力的学生有更多的选择性。

在初中一二年级的生物教材的相关章节后面可以增加相应的量子生物科学成就及探索性问题的阅读性内容,增加学生对量子科学在生物及生命科学中作用的感性认识,例如光合作用、呼吸作用、鸟类导航等现象的量子理论诠释

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