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如何在教学中对学生实施素质教育，以达到培养学生综合能力的目的，是摆在我们每一位生物教育工作者面前的一项重要任务，也是深化生物教学改革的重点课题。本文就讲授“光合作用”一节中进行素质教育的作法谈点体会。
一、利用光合作用发现史，了解科学实验的方法
教材在光合作用一节中首先通过几个经典实验讲述了光合作用发现的过程。教学时，我重点介绍了科学家的实验设计思路和方法。例如，在介绍1880年德国科学家恩吉尔曼用水绵做实验材料进行光合作用的实验时，我简要介绍了水绵的生理特征之后，先请学生自己阅读“实验过程”，然后提出问题：此实验设计的巧妙之处何在？大部分学生都是从实验操作过程上找答案，惟独忽略了“选择实验材料的重要性”这个问题。我就引导学生结合水绵的结构特点：具有细而长的带状叶绿体，叶绿体在细胞中又呈螺旋状分布。想到这样的叶绿体不仅受光面积大，也便于观察、分析和研究，并且强调科学实验材料的选择是实验成败的关键因素之一。联系前不久刚做过的“观察细胞质流动”实验，观察不到细胞质流动的原因，主要是因为实验材料选择不当造成的。这样使学生认识到选择一种理想的实验材料，可以使实验结果明显可靠，也是成功的先决条件。通过这些讲述不仅拓宽了学生的思路，而且使学生清醒地意识到选择实验材料的重要性。
通过启发诱导使学生明确：提出问题创立假设设计实验分析结果再实验再观察，直到找出事物内在的必然联系，这不仅是光合作用发现的基本过程，而且还是生物科学研究的基本过程。从科学的角度看生物学教学的实验，可训练学生的观察能力、思维能力和分析能力，培养学生科学实验的方法，从而达到提高其综合素质的目的。
二、利用色素的提取分离实验，培养学生的动手能力
生物学是一门实验性很强的学科，许多生物学知识都是在实践中得到的。生物学实验课给学生提供了一个很好的实践机会，也是培养他们的探索精神、动手能力的有效渠道。更是落实素质教育的极好时机。如在光合作用中安排的“叶绿体中色素的提取及分离”实验中，毛细吸管划滤液细线不是太粗就是不齐，要不就是把纸划破，直接影响实验效果。后来学生自己想办法，不用毛细吸管，而是把滤纸在铅笔线处折叠，直接在滤液上划。这样的滤液细线不仅细齐，而且沾上的色素多，在滤纸上析出的色素带明显，学生不仅了解了叶绿体中色素的种类及含量，巩固强化了课本知识，更重要的是培养了学生的动手能力、观察能力和思维能力，发展了他们爱科学、学科学、用科学的志趣，提高了他们探索未知世界的勇气，使教学质量明显提高。
三、利用同位素标记法，了解学科间的渗透作用
随着科学的发展和人们研究的深入，各学科之间的联系越来越密切，在教学中客观地把握它们之间的内在联系，不仅可以激发学生学习的热情，提高学生的思维能力，而且能促进知识的发散。生物学的发展与物理、化学的发展关系密切。也正是由于理化知识的介入，才使人们对生命本质的认识深入到分子水平。例如，光合作用关于产物之一的O2究竟来自反应物中的H2O还是CO2，就是利用物理学方法——同位素标记法来解决的。再如，叶绿体中色素的分离是利用化学方法——纸层析法来达到目的的。
另外，在生物教学中我还经常运用哲学原理。哲学似乎与生物学毫不相干，事实上量变与质变、运动与静止、内因与外因、对立与统一辩证的观点在生物学中随处可见。例如，介绍光合作用过程时，我说虽然从新陈代谢的角度看光合作用是一个同化过程，但是其中也伴随着物质和能量释放即异化作用。如暗反应中ATPADP+Pi+能量，我从对立统一规律这一角度介绍说：矛盾是一切事物发展的源泉，世界上任何事物都充满着矛盾。生物体的生命活动正是在物质的合成与分解这对矛盾的对立统一中不断完成新陈代谢等生命活动，实现自我更新的。
这样处理教材的目的是通过教材具体的事例向学生渗透辩证唯物主义的思想。一方面可以加深学生对生物知识及辩证唯物主义的理解，更重要的是有助于学生科学世界观的形成。
四、利用光合作用的意义，对学生进行德育教育
结合生物学教学内容对学生进行思想品德教育，对促进学生全面发展有重要作用。因此，通过一系列德育教育的渗透，可强化对学生的品德素质教育，提高学生的自我修养。生物学教学中存在着许多对学生进行爱国主义教育的珍贵资料和契机。光合作用意义之一是制造有机物。大家知道绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物；动物的食物都直接或间接来自于光合作用制造的有机物。结合当今世界面临的重大问题，如粮食问题，给学生介绍我国目前粮食的现状。例如，我国的可耕地面积仅占世界的7%，但是需要养活的人口占世界的22%.但是随着生物工程技术的迅猛发展，一大批优质高产农作物相继问世，大大提高了单产量，缓解了粮食危机。光合作用意义之二是转化并储存太阳能。煤炭、石油、天然气等燃料中含有的能量是由古代绿色植物通过光合作用储存起来的，这一问题谈到了化石能源问题。随着经济的高速增长，我国能源承受着巨大压力。美国科学家在1978年成功地培育出能直接生产能源物质的植物新品种——“石油草”，这种植物的茎秆被割开后，就会流出白乳状的液体，经提炼就得到石油。这样不仅开辟了一条开发能源的新途径，还能降低使用煤炭、石油等造成的环境污染。通过上述方法，一方面以危机感来激发学生的爱国热情和报国之志。另一方面也增强了学生学习生物学的兴趣，提高了学生的德育素质，还很好地体现了STS（科学、技术、社会）教育的精神。
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一、利用光合作用发现史，了解科学实验的方法
教材在光合作用一节中首先通过几个经典实验讲述了光合作用发现的过程。例如，在介绍1880年德国科学家恩吉尔曼用水绵做实验材料进行光合作用的实验时，先请学生自己阅读“实验过程”，然后提出问题：此实验设计的巧妙之处何在？大部分学生都是从实验操作过程上找答案，惟独忽略了“选择实验材料的重要性”这个问题。引导学生结合水绵的结构特点：具有细而长的带状叶绿体，叶绿体在细胞中又呈螺旋状分布。想到这样的叶绿体不仅受光面积大，也便于观察、分析和研究，并且强调科学实验材料的选择是实验成败的关键因素之一。联系“观察细胞质流动”实验，观察不到细胞质流动的原因，主要是因为实验材料选择不当造成的。这样使学生认识到选择一种理想的实验材料，可以使实验结果明显可靠，也是成功的先决条件。通过这些讲述不仅拓宽了学生的思路，而且使学生清醒地意识到选择实验材料的重要性。接着提问：恩吉尔曼设计实验步骤时，为何要把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且是黑暗的环境里呢？学生经过讨论，一致认为：排除了氧气和光线的影响，保证实验的顺利进行。为什么要选用极细的光束照射，并且用好氧细菌检测？学生回答：这样能够准确判断水绵细胞中释放氧气的部位。再问为什么要做黑暗、局部、曝光的对比实验？学生回答：可明确结果全是由光照引起的。这样学生就自然得出氧是叶绿体释放的，叶绿体是光合作用的场所的结论。
通过启发诱导使学生明确：提出问题创立假设设计实验分析结果再实验再观察，直到找出事物内在的必然联系，这不仅是光合作用发现的基本过程，而且还是生物科学研究的基本过程。从科学的角度看生物学教学的实验，可训练学生的观察能力、思维能力和分析能力，培养学生科学实验的方法，从而达到提高其综合素质的目的。
二、利用色素的提取分离实验，培养学生的动手能力
前苏联教育学家苏霍姆林斯基说：“让学生体验到一种自己在亲身参与掌握知识的情感，乃是唤起少年特有的对知识兴趣的重要条件。”而生物学正是一门实验性很强的学科，许多生物学知识都是在实践中得到的。生物学实验课给学生提供了一个很好的实践机会，也是培养他们的探索精神、动手能力的有效渠道。更是落实素质教育的极好时机。如在光合作用中安排的“叶绿体中色素的提取及分离”实验中，毛细吸管划滤液细线不是太粗就是不齐，要不就是把纸划破，直接影响实验效果。后来学生自己想办法，不用毛细吸管，而是把滤纸在铅笔线处折叠，直接在滤液上划。这样的滤液细线不仅细齐，而且沾上的色素多，在滤纸上析出的色素带明显，学生不仅了解了叶绿体中色素的种类及含量，巩固强化了课本知识，更重要的是培养了学生的动手能力、观察能力和思维能力，发展了他们爱科学、学科学、用科学的志趣，提高了他们探索未知世界的勇气，使教学质量明显提高。
三、利用同位素标记法，了解学科间的渗透作用
随着科学的发展和人们研究的深入，各学科之间的联系越来越密切，在教学中客观地把握它们之间的内在联系，不仅可以激发学生学习的热情，提高学生的思维能力，而且能促进知识的发散。生物学的发展与物理、化学的发展关系密切。也正是由于理化知识的介入，才使人们对生命本质的认识深入到分子水平。例如，光合作用关于产物之一的O2究竟来自反应物中的H2O还是CO2，就是利用物理学方法——同位素标记法来解决的。再如，叶绿体中色素的分离是利用化学方法——纸层析法来达到目的的。
四、利用光合作用的意义，对学生进行德育教育
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论文摘要：如何搞好被学生称为“豆芽”学科的生物课程教学工作是每位农村中学生物教师必须面对的重要课题，而利用农村生物资源优势，在教学中通过结合学生生活实际、利用直观教具、进行科学实验、用生物学知识指导学生进行植物种植和动物养殖，使学生在实践中提高学习生物的兴趣，是生物教学中新构建的利用农村丰富的生物资源教学模式。
农村中学的学生大多数为留守学生，部分学生由于各种原因，即使是语、数、外等重要学科学习积极性都不高，更何况生物这种不被学生及家长重视，被学生们称为“豆芽”学科的学科呢?这些因素导致农村中学的生物教师处境非常尴尬。这就要求教师在生物课教学过程中不断诱发、培养学生学习生物的兴趣，并将学生的兴趣一直保持下去，进而转化为他们的学习志趣。我通过多年的教学实践，探索总结出利用农村生物资源，培养学生学习生物的兴趣的新教学模式。
1 农村丰富的生物资源是构建新的生物教学模式基础
广大的农村有着丰富的生物资源，植物种类繁多，有水稻、小麦、玉米、棉花、红薯等常见的农作物;还有代表各地特色的特产;满山四季常青的柏树、田间地头随处可见的各种野草野花……动物的种类繁多，家家户户都饲养猪、鸡等动物，这些动植物是学生都是十分熟悉的。因此农村中学的生物教学有着得天独厚的资源优势。农村活生生的生物比任何生物标本都能够引起学生的兴趣，激发他们学习生物知识，探求生物学奥秘的愿望，所以，农村中学的生物教师具备充分利用农村生物资源的优势进行因地施教的条件。
2 构建利用农村生物资源，培养学生学习生物的兴趣的教学模式
传统的生物教学以课堂教学为主，辅之以挂图片教学，这样的教学模式在人们对生物重要性认识程度降低，学生对该学科重视程度不高的情况下，很难达在中学教育中开设生物课的教学目的，因此必须建立培养学生学习兴趣为主要目的的新教学模式，这一模式把生物教学分三大模块:课堂教学，讲解生物知识;野外观察，印证课堂教学;实验教学，既验证课堂所学，又探索未知奥秘。
3 培养学生学习生物的兴趣是实施新教学模式的关键
有人说，兴趣是学习最好的老师。学生只有想学、乐学才能充分发挥学习的主动性和积极性。生物学习兴趣是学生对于生物事物特殊的认识倾向，是学生力求认识事物，获得生物知识经验，带有情绪色彩的一种倾向活动。在生物课新的教学模式中又该怎样诱发学生的学习乐趣呢?
3.1 结合生活实际
在教学活动中根据学生的知识基础、生活实际巧妙地设疑，激发学生思考的兴趣。例如在讲“顶端优势”时，以当地几乎家家户户都种植的柚子为例，问学生:每到秋春之际，家里人会费力地把许多柚子树的枝条用大剪刀剪掉，是不是不想种柚子树了?剪掉的是些什么枝条?如果不修剪会有什么后果?怎样才能让柚子挂果多、果品好?有学生说，对呀，我看见爷爷剪过，为什么呢?有学生说，我知道，寒假里我帮爸爸修剪过，他告诉我，一是要剪掉突长枝，避免营养流失;二是蔬枝，利于光合作用;三是蔬果，避免挂果有大小年，保证年产量稳定。看，回答得多好，因为学生有实际生活体验。对于另外一些学生，他们或多或少了解一些现象、懂得一些知识，可是却不明白为什么?
3.2 利用直观教具
充分利用农村生物教学资源，化静为动，化抽象为具体，变复杂为简单，从而激发学生兴趣。如讲两栖动物的生殖和发育时，可采集受精的蛙卵，放在盆里孵化、培养，让学生观察青蛙的发育过程。学生亲眼看到了青蛙由蛙卵到小蝌蚪到幼蛙的全过程，不仅有趣，相关的知识不用费心思就记住了。经常利用学生常见的农村中的动植物为教具，可以激发学生的学习。
3.3 进行科学实验
观察、实验是生物学基本的研究方法。通过验证性实验可以巩固课堂知识，通过探索性实验可以使学生主动获取知识。加强实验教学不仅提高了学生的学习兴趣，使学生掌握一定的技能，同时也培养了学生敏锐、细致的观察力和分析问题、解决问题的能力。
学会观察。例如在讲《鸟类的多样性》的时候，要求学生根据形态特征识别鸟类 ①身体的大小和形状。包括体长、体重、形体特点等。②嘴和后肢的形态。许多鸟类的嘴型有明显的特征，如鹤、鹳、鹭、啄木鸟等，嘴长而直;太阳鸟等的嘴长而弯曲;夜鹰、雨燕、家燕类等的嘴型扁而阔等。后肢的形态对于鉴别鸟类也十分重要，但在野外观察时往往受到限制。 ③翅型和尾型。翅大致分为尖形、圆形、方形等类型;尾的形态可分为平尾、圆尾、凸尾、尖尾、凹尾、叉尾等 ④羽色。首先要注意鸟体的主要颜色，然后尽量快速准确地注意头、颈、尾、翅、胸、腹、腰等部位的颜色，并注意抓住一两点最突出的特征。学生通过实地观察、仔细辨别、科学分类，掌握了相关的知识，又觉得趣味无穷，对生物学自然也就有了兴趣。
动手实践。生物科学是一门以实验为基础的学科，新课程中很明显地体现出了由实验得出结论的认识方式，农村中学丰富的资源便于引导学生更好地掌握这种认知方式，并贯彻到学习中去，培养学生勤动手、勤思考的能力。久而久之，便可使学生养成从实验中探索知识的习惯，这对学生今后的发展至关重要。例如， 在讲述植物的繁殖时可带学生到野外亲自动手对桑树、葡萄、红薯、柚子树等进行扦插、压条和嫁接，并亲自管理直到成活;采用第二课堂教学生园林花卉、果树、食用菌栽培，动物饲养及淡水养殖。
4 用生物学知识指导生产，在丰收中体会学习生物的快乐
农村中学的学生家里都有一块责任地，有的家里还有鱼塘，生猪、獭兔等养殖场。教师有责任把生物知识与农业生产紧密结合，指导农业生产，不仅可以提高学生的学习兴趣，巩固所学知识，还可以让学生在收获中体会学习生物的快乐。如插秧时节，要求学生运用光合作用这部分知识，指导家长在插秧时一定要做到合理密植，要讲究植株的稀密、横竖尺寸，这样才有利于充分利用太阳光能，有利于提高水稻的产量，使水稻获得最大的收获。同样旱土上种作物也要讲究稀密、横竖尺寸。我们这里几乎家家户户都种通贤柚，在讲到植物需要无机盐的内容时，让学生指导家长根据柚子树不同时期的生长需求合理施用化学肥料，如春季要施氮肥和磷肥，促进植物生长和开花;夏季应适量使用钾肥，利于果实的生长。施肥应以农家肥为主，适量使用化学肥料，以保证果树的高产稳产。
农村中学的生物教学有着得天独厚的优势，教师只要合理利用这些优势，激发学生学习生物知识的兴趣，变不利为有利，变被动为主动，就一定能搞好农村中学的生物教学工作。
关于光的科学实验范文4
关键词：儿童朴素物理理论；实验内容；前概念；认知层次
中图分类号：G612 文献标识码：B 文章编号：1672-1578（2016）07-0372-01
在进行幼儿园科学活动之前，了解幼儿原有的经验，对于制定活动目标、开展活动是十分重要的。教师在引导幼儿学习科学时，必须为幼儿认知提供一个科学情境。这个科学情境能够反映出他们已有的经验，这是尊重幼儿朴素理论所要求的。教师对幼儿理论有比较好的把握，可使幼儿在活动一开始就能较快地辨别将要学习的内容，并运用已有的经验，来解决教学情境中展示的问题，帮助幼儿主动学习新的知识。
1.儿童朴素物理理论及其特点
每个儿童都有自己的"朴素理论"，对世界有独特的认识。学前儿童对事物已具有自己的一套逻辑体系，儿童早期获得的这种非正式的或前科学的理论虽然不规范，但却是他们解释周围世界事物的工具或知识框架。根据这套逻辑体系解释、预测事物的发生、发展过程，并随着儿童自身经验的日趋丰富，不断地发展变化以完善。该理论和科学理论一样，具有解释和预测的功能，具有反例处理机制。在种种朴素理论中，其核心领域是朴素物理学、朴素心理学和朴素生物学。
儿童朴素物理理论是儿童凭借自己的理论去解释物理现象的起因和预测发展方向，得到自己心中的解释手段，承担着解释和预测周围物理世界，降低外部世界不确定性，以及进一步同化和顺应外部刺激的艰巨任务。儿童朴素物理理论的特点有：①是一个有着不同层级的理论框架；②儿童的理论和证据表现出一定程度的协调，但更多的是不协调；③具有一定的内聚性和连贯性；④对理论本身缺乏意识和反省；⑤定性的、描述性理论强于定量的、解释性理论。其中，儿童理论与证据的不协调是儿童朴素物理理论的一个重要特点。这种不协调具体表现在：儿童难以对理论和证据做出良好的区分，倾向于受到理论和资料的束缚。
2.充分了解幼儿朴素理论的意义
考察儿童对物理学各个分支领域的前科学概念和认知发展水平，能使材料、过程更有针对性，由此建构出适于儿童认知发展的幼儿园科学实验内容。尊重并形成幼儿自身的知识框架，最初讲解的事物要符合幼儿原有的经验，在幼儿能理解接受的基础上再接触新的经验；教师应根据儿童的不同认知发展水平进行知识层次选择，给儿童提供可操作的环境，适当引导，引发儿童的认知冲突，充分了解、把握、尊重儿童的特点，对于儿童科学概念的形成和完善至关重。
例如：有关水的活动的开展情况。幼儿对水有着浓厚的兴趣，教师在自己的教学中应注意关照不同年龄幼儿的朴素理论来开展实验内容：婴小班幼儿可以体验水与颜料混合后的颜色变化，中班幼儿体验"溶解"现象、大班幼儿可开展"乌鸦喝水"、吹泡泡等活动。幼儿在活动中有应体现很大的好奇心、"玩得很高兴"。 对于"沉浮"现象，需要教师对他们的已有的认识有一定的了解，才能在活动中提供难度适当的材料：小班幼儿可以侧重于对"沉浮"现象的大量体验，获得丰富的感性经验；中班幼儿可以尝试对"沉浮"现象进行解释、讨论，开始感受、体验水的"浮力"；大班幼儿提供更多的"浮力"体验，并在教学中更多地指向这一核心概念。
本文考察归纳了幼儿园相关科学活动中儿童朴素物理概念的基本认知，对儿童不同领域的认知发展有一综述。
（1）儿童可以不依赖物体外形对物质进行本体区分。有研究表明：3岁的儿童预测物体是否易碎，儿童已经能够基于物体的材料而不是外形来进行因果判断从而进行正确的推理。由此可见儿童能够区别现象和本质。4岁儿童能够理解各种各样的物体都是由物质组成的，而且知道物质与物体是不一样的。向3至8岁的儿童出示一系列的自然物质或人工物质、常见的和不常见的。然后向儿童呈现三种转换：（a）从大块到小块；（b）从块到粉沫；（c）从粉沫到不可见（粉沫溶于水）。需要注意的是：类型（a）只改变了大小，但并未改变其外观。类型（b）既改变了大小，又在结构和感觉的意义上改变了外观。类型（c）的改变是巨大的，它己经使得物体不可见了。整个过程中，儿童能够正确断定，这些东西仍然有着相同的名字，还是同样的东西。类型（（c）是最难的，但3岁儿童的回答正确率也在65%到70%之间。不仅如此，儿童能根据物质种类和物体种类进行不同的推理。比如，儿童可能会说，木枕头是很硬的，玻璃锅是很容易碎的，尽管他们从来没有碰到过硬的枕头和易碎的锅。
（2）儿童对力和运动的认识。2岁儿童观察不同形式的物体运动，对于存在明显外力作用的运动物体，儿童一般会寻求母亲的帮助使物体运动，而对于没有外力就能运动的物体，儿童不会向母亲求助。这表明儿童可以区分自主运动和非自主运动。3-5岁儿童在区分自我发起运动和非自我发起运动上存在一个明显的发展。不管是熟悉的还是不熟悉的动物，他们大多能准确地进行判断。
儿童对力和运动的认识包括：①力是某种物质或物质的属性，是可以被传递和消耗的；力可以是外部的（如推拉），也可以是内部的（如重力）；②能区分自我发起运动和非自我发起运动，但倾向于将气体、液体、天体、物体下落等运动看作是自我发起运动的；③物体运动是因为有力的作用，物体静止是因为没有力的作用，物体由运动转为静止是因为力被用完了；④对运动轨迹也有着丰富而细致的认识。儿童的这些认识与亚里士多德关于力和运动的理论非常接近，而与牛顿力学有着相当的距离
（3）儿童对光的认识。儿童对光的现象，例如影子是有一定认识的，不过这些认识处于不同的发展水平，更倾向于是一些迷思概念。但是，尽管是迷思概念，还是可以看出，儿童拥有强大的自己建构知识的能力。对于光的迷思概念主要表现在以下四点： 第一：光是流动的，可以停下来。第二：光就像液体一样可以混合在一起。、第三：光与光的接触物之间会产生摩擦。相同的光在黑夜会比在白天传得更远，那是因为光在白天传递的时候会有更大的摩擦力。 第四：光、颜色、影子等都是一个物体的某种内部属性。
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现在，这些望远镜隶属于Pisgah天文研究所（PARI）。PARI是一个非营利性的教育中心，学生们可以在这里使用货真价实的观测设备来研究天文、天体物理和工程。PARI的主席Don Cline说：“在这里，我们可以给学生们一些亲手操作的经验，帮助他们认清科学和工程究竟是不是自己想要追求的目标，PARI就是这样一个地方。”
这个机构成立已10年了，它已成为供学生们亲身实践的一个实验室，运营着“科学女孩”、“家庭学校日”和“气候与空间科学营”等项目。它告诉学生们，科学完全可以成为一个有趣而现实的职业。通过各种项目，这个机构每年接待大约5000名
中小学生，并在每年夏季赞助5名在校大学生来做驻所实习生。
Cline说：“看着学生们在PARI工作的确非常有趣。”他特别喜欢看着孩子们在突然遭遇挑战时急切的心情，然后在采取行动一步步解决问题的过程中迅速成长。他说：“他们都要经过很长一段过程，会遇到许多难题。他们会遇到噪音、锈蚀，以及其它许多书本里没有的问题。”学生们不得不经常自己设法解决设备的技术问题，这些设备是在学校里通常接触不到的。
PARI最有特色的装备是罗斯曼地面站的两架26米射电望远镜。学生们可以使用它们研究脉冲星，或者练习调整配重的位置来校准两架天线的机械平衡和精度。一个团队已经将这两架大型碟形天线联接起来进行相干观测，从而构成一部虚拟望远镜，它可以将两部天线的观测数据综合起来，从而获得比单独使用任意一部天线更高的分辨率。利用改进的观测方法，科学家们希望能够研究当射电源和天线之间有银河系的尘埃和不可见气体云时，遥远射电源的亮度是如何变化的。研究所还拥有1个宇宙射线监测站、5个气象和大气观测站、美国最大的摄影底片资料库之一，以及10架光学望远镜，这些设施都供学生使用。
北卡罗来纳州格林斯巴勒市Guilford学院的高年级学生Emma Taylor说：“我愿意推荐其他学生来PARI做实习生或者做项目，因为这里可以让我们见识真正的科研现场是什么样的。”她在2012年夏天作为Cline奖金学者在PARI工作，负责操作“笑脸”的一个校准装置。
“笑脸”就是那台4.6米的无线电碟形天线（上面有油漆画的一张笑脸，在冷战时期用来嘲弄别国的间谍卫星），它是一台可以远程操作的射电望远镜，高中和大学的教师可以从远处的教室里登录这台望远镜，用以对学生们进行关于天文软硬件的实时教学。它是PARI使命的一个标志：用一种让人感兴趣的方式，向学生和公众科学家提供一台精密的科学仪器。
重获新生
PARI的年度预算约为一百万美元，这些钱大多来自于私人捐款，包括Cline先生。他已经在南卡罗来纳大学和北卡罗来纳大学找到了一些合作者，他和同事们申请并获得了美国国家科学基金会对几个研究项目和普及项目的赞助。Cline还曾经前往美国国会，是为了争取获得4000万美元，这样就能让PARI长期地运行下去。迄今为止，他们的募款基本上只用于年度开支，最近刚刚开始考虑建立一个基金，还没有实现争取到4000万美元的目标。
PARI的科学主任Michael Castelaz说：“PARI是一个非常好的项目，我希望它能延续下去。但是5年到15年后会发生什么，现在还不确定。无论是站址还是未来的发展都有些前途未卜。”
但Cline说，他不会放弃。PARI的基础结构太特殊了，放弃后几乎不可恢复。
1963年10月，这个地面站作为卫星跟踪站体系的一部分，由NASA正式投入使用。当时遍布全美设立了许多卫星跟踪站，用于追踪有人或无人的航天器。后来在“阿波罗”11号任务期间，它曾以罗斯曼地面站的名称参与传输尼尔 · 阿姆斯特朗的名言“个人的一小步，人类的一大步”。
在60年代的大约同一时期，Cline，一个土生土长的北卡罗来纳人，正处于职业生涯的巅峰。1959年他进入贝尔实验室，1977年他离开了这家机构，和另外三名工程师合作创建了Micro Computer Systems计算机公司。为了给家乡增光添彩，他希望从附近的城镇招募职员和技术人员。但是当他从北卡罗来纳西部的技术学校招聘员工时，却发现学生们只有书本知识，而没有他所说的“可以弄脏双手并做实际工作解决问题的”那种知识。
当他和伙伴们一同壮大自己的科技公司时，航天飞机时代开始了，NASA对于使用罗斯曼地面站追踪卫星的需求也不再那么强烈了。1981年，NASA将该站转交给美国国防部，此后的冷战时期，军方使用这些碟形天线来搜集苏联卫星通讯的情报。军方运营这个站址长达14年，在此期间，该站不再向公众开放。严格的进出管制使这里不再像属于NASA的时代那样平易近人，在此之前，公众曾经可以进入这里，了解这里正在运行的项目。
在这里工作的天文学家和教师Bob Hayward说：“人们开始胡乱猜测这里究竟是什么地方，从地下城到秘密的潜艇基地。有些人至今如此。”
90年代中期，军方和政府官员呼吁永久关闭这个地面站，用节省的资源来维持北卡罗来纳的其它军事基地。1995年，军方终止了这些天线的运行，将这些设施移交给美国国家林业局。当时，甚至有人在议论是否拆除这些天线和建筑，将这片大约81公顷的土地恢复为森林。
幸好，这些恢复措施需要数百万美元，而林业部门拿不出这么多经费。于是这个站址便被荒废了，直到Cline来到这里。
Cline对这个站址的兴趣始于听说这里有两架巨型卫星跟踪天线，那时候他正在北卡罗来纳州Boone市的阿巴拉契亚州立大学，和那里的科学家一同建设暗夜天文台。在好奇心驱使下，1995年他驾车前往这个站址，当时那些天线刚被关闭不久。那时候该站址以及遗留的设施价值2亿美元。不过经费还不是最迫切的问题：当Cline第一眼看到这两架巨大的、340吨重的望远镜时，就意识到他和其他致力于天文教育的人们必须将科学家和学生吸引到这里来。而且，这两架望远镜太巨大了，根本无法搬运。
下定获得这个站址的决心后，1998年，Cline建立了一个非营利性基金（当时他已经卖掉了自己的公司），开始筹集资金，以购置和翻新设备，并最终将这里改造为长期的科学、技术、工程和数学教育场所。
但是购买罗斯曼地面站需要国会的许可。Cline等人必须在布罗德河沿岸购买另一块土地，再用它从美国国家林业局手中置换罗斯曼地面站。经过一番游说和谈判，最终在1999年达成了交易，他们获得了这块夹在两条山脊之间的80多公顷土地，以及其上的数台射电望远镜和一系列附属建筑物的使用权，其中包括那两架26米天线和“笑脸”。Cline等人很快发现，那些山脊对于光学望远镜和其它科学实验来说真是再美妙不过了。
由于这个站址已经关闭了很长时间，望远镜和建筑物都需要花费数百万美元加以翻新，Cline提供了资金支持。所有这些都完成了，美好的前景已经摆在眼前：PARI将会成为一个与各大学建有伙伴关系的教育实验室，一个“完全为科学、技术、工程、数学服务”的机构。这四大领域的首字母缩写是“STEM”，而Cline说：“在这个缩写单词广为人知以前，这里就完全在为STEM服务了。”
稳固的基础
PARI的未来仍不确定，但天文学家Mercedes Lopez-Morales（哈佛—史密松天体物理中心）认为，PARI的任务和基础结构并不局限于美国西南部。她将自己作为系外行星专家所获的成就部分归功于PARI，并指出：“这个站址是美国西南部吸引有潜力的年轻人致力于天文、物理和工程领域的中心之一。”
Lopez-Morales是来到PARI进行研究的第一批学生中的一员，当时该机构甚至还没有正式开放。她和Cline相识于1999年，那时候她还是Chapel Hill市的北卡罗来纳大学的研究生，正计划做一项关于变星双星和交食双星的研究。为了准备研究论文，她已经有了设备、经费和积极性等几乎所有必需的一切，但是还没有找到一个夜空足够黑暗的地点来安装她的设备。在Cline的游说下，她来到了PARI。
在这里，Lopez-Morales学到了真正的科研技能，她的研究工作最终为她赢得了一份以著名的系外行星猎人Paul Butler命名的博士后奖金。Paul Butler将Lopez-Morales称为“年轻天文学家中最闪耀的明星之一”，并认为，对于像Lopez-Morales这样希望学习和提高自主实验和自主建造天文设备的必需技能的学生而言，PARI是一个极好的地点。
为了攻读博士学位，Lopez-Morales利用一架8英寸（约合20.3厘米）的米德望远镜，自己建造了一台自动望远镜，在3年中监测了大约10000颗恒星。她从中寻找亮度变化的目标，这可能是未知的交食双星，也可能是由于其它因素。她通过研究发现了新的低质量、大间距的交食双星；对于天文学家所理解的低质量主序星的质量和半径之间的关系，她也进行了更精确的观测。
Castelaz说：“Mercedes的变星和矮双星研究计划，从某种意义上说，是‘开普勒’项目的雏形。”
这项研究还展示了如何用80万美元的有限资金和从天好者市场上购买的装备来回答天体物理学的有趣问题。尽管这不是一个新方法，但却是第一次在PARI职员的帮助下，由一名研究生来组装所有硬件，运行自动观测装置，并进行数据分析工作。
Castelaz说，尽管有了Lopez-Morales、Taylor等学生的成就，但批评者们仍然表示，在PARI进行的这些项目算不上“真正的天文学”，因为它们没有使用来自大型天文设施的数据。很明显，PARI的装备，其尺寸和规模都远远无法与亚利桑那的基特峰或夏威夷的莫纳克亚山的望远镜相提并论，但这家机构也并不试图成为那样的地方。Castelaz说，PARI的目标是培养可以在未来操纵那些大望远镜的技术人员和使用它们的天文学家。
例如，Taylor在“笑脸”上进行的项目是开发一种新的信号噪声处理装置，用来校准望远镜所观测的信号源的强度。这个工作是一项大计划的一部分，整个计划旨在使“笑脸”的数据收集和分析工作能够更广泛地被学生和研究人员所获取。然而对于Taylor而言，在“笑脸”上进行的工作，以及使用一台光学望远镜观测一个近地天体，都帮助她进一步巩固了对于天文学和天体物理学的兴趣。
该机构的项目推进主任Alex Alexander说：“对于那些致力于教育的人们，PARI是一件国宝。”
关于光的科学实验范文6
二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。
在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。
一、历史的回顾
十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。
然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！
把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。
在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。
虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。
回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。
1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。
2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。
我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。
3）深入探索各层次间的联系。
这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。
上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。
爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]
现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：
1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。
2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。
三、现代物理学的理论基础是完美的吗？
相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的
呢？我们来审思一下这个问题。
1）对相对论的审思
当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。
时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。
爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。
我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。
弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。
在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。
1）对量子力学的审思
从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。
现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。
1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。
2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论
