情知教學法在高中物理相對論教學中的應用淺析

摘 要：本文嘗試運用情知教學理論，根據學生的情感、認知規律，以高中物理中相對論初步教學為例進行探討，通過挖掘學生情趣與教學內容的結合點，創設場景激發學生的學習熱情，讓他們在面對抽象、困難的物理問題時，能有足夠的學習動力和積極思考能力，從而達到提高物理學習效率之目的。

關鍵詞：情知教學；時空穿越；時間延緩；雙生子佯謬

情知教學是以教育心理學為指導以認知與情意相統一的的觀點來解釋教學本質問題的一種教學法[1]。認知的功能體現在對知識的接收、加工和轉化，而情意主要起動力作用，體現在對意向的調節、維持和定向上。在教學實踐中，對處于成長期的學生而言，情意因素對學習的影響非常大，直接關系到他們的學習積極性、自覺性和努力程度，以及最終對知識的理解接受程度，因此在教學中注重發揮正情緒對認知活動的促進作用，對教學效果的提升大有裨益。

高中物理對很多學生來說是一門比較枯燥，學起來很困難的學科，如何激發同學的求知欲望，提高學習物理的效率，是物理老師必須要面對的問題。就這一問題，這里以高中物理必修2（山東科學技術出版社）“第6章相對論與量子論初步” 第一節“高速世界”教學為例，做一些努力和嘗試。眾所周知相對論部分由于內容的難度大、理解困難，學生本身有明顯的畏難情緒和缺乏學習的動力，如果采用常規的教學方法，效果通常不是很理想。筆者注意到目前國內外很多文學、影視作品中流行出現時空穿越的情節，即現代人通過時間機器、時空隧道等工具回到古代或到達未來，而學生對這一現象也非常喜歡，于是想到是否可以在這中間建立某種聯系來促進教學目標的達成？下面就如何從教學要求挖掘內容與學生情趣點結合，作一些初步的探討。

一、課程引入，找到學生的情趣點，激發學生的學習熱情

首先高中物理這部分教學要求是初步了解愛因斯坦相對論，知道時間延緩、長度縮短、質能方程等。教材中既要將內容講清，又要考慮到高中學生的理解能力、思維能力和數學物理能力，不要過分追求知識的嚴謹性和邏輯性[2]。

學生平時很少有機會接觸到有關相對論的知識，首先是要激發他們的學習熱情，就需要從他們的生活、興趣入手。最近幾年電視劇《尋秦記》、電影《星際之門》等時空穿越劇在學生中有很大的市場，我們就試著從這一話題開始，了解他們心中對這一現象的看法，同時也是了解學生對相對論理論的了解程度。

首先提問學生是否了解時空穿越，是通過什么途徑？

當學生談到這一話題時非常興奮，統計結果表明，高一年某班級共50人，其中49人都表示看過這一類的文藝作品，而且都表示很好看，很喜歡看，還會列舉節目中穿越的不同方式相互交流。這說明學生平時對這一現象很有興趣，對我們而言這是很好的機會，但如何從中找到與要教授的內容之間的聯系，將兩者結合在一起？

嘗試繼續提問學生，你們認為時空穿越在現實生活中可能存在嗎？為什么？

這時同學的回答明顯出現了分歧，相信與不信各半，學生之間出現了爭論。這樣很好，就讓雙方各自例舉理由，以此激發他們積極投入思考。

其中談到狹義、廣義相對論，蟲洞，黑洞，霍金的時間簡史等等。盡管他們的回答缺乏系統性，也沒有理論為基礎的分析，只是一些間斷的只言片語，但反映了學生對這一現象并不是簡單看完了事，有相當部分同學還是進行了思考，只是受限于他們自身的認知程度，而不能形成完整的思路去說服對方。

在雙方爭論不下的時候，正是老師漸入主題的好時機，順勢提出愛因斯坦的相對論正是所有這些猜想的理論基礎，開始引入課程。

二、教學過程中也要注意知識結構與學生興趣點相結合

有了前面的鋪墊，學生學習的熱情被激發起來。首先簡單介紹物理學史中相對論出現之前的背景，所謂的一朵烏云以及邁克爾孫-莫雷干涉儀，理論性太強，可以不展開，只是以介紹為主，直接提出狹義相對論建立的兩個基本原理：

愛因斯坦設計的理想實驗簡介，核心是加速與引力是等效的，提及黎曼幾何即可，不作展開。

三、典型事例分析，創設情景讓學生積極思考進而理解接受知識

通過具體有代表性的、與學生情趣點相關的事例剖析，引導學生思考。從而幫助他們建立新的知識結構。

1.根據狹義相對論時間延緩，提出雙生子佯謬問題，讓學生思考計算。

年齡30歲的A以99%的光速飛到距離20光年處再返回時，他的飛行時間花了6年，年齡是36歲，但回來時本來同齡的孿生兄弟B已經變成多少歲？是否可以說A穿越到未來？

2.相對論效應長度縮短、質量變大，有趣的事例可以吸引學生。

3.核能的應用，質能方程的計算可以讓學生直觀的感受到核能的威力。

四、相對論的預言成真，時空穿越也會成真嗎？

任何的理論如果經不起實踐的檢驗是不能夠成為真理，愛因斯坦的相對論也是如此。通過例舉具體的歷史事件來說明，理論的正確性是建筑在堅實的事實基礎之上。

1.1919年英國天文學家阿瑟.愛丁頓在日全食時，實驗觀察到光線在太陽附近彎曲，證實廣義相對論關于引力可以使空間彎曲的預言正確。

2.哈勃太空望遠鏡拍攝的“愛因斯坦十字星云”，由于時空彎曲，一個76億光年遠的類星體被更近的4光年的旋窩星系聚集為4個光亮區。

3.在廣義相對論的基礎上建立的黑洞理論，起初也只是理論上的預言，由哈勃太空望遠鏡提供的高解析光譜和影像很明確的證實了盛行的黑洞存在于星系核中的學說。

4.時空穿越也是預言嗎？介紹目前物理學界對此的看法。

他指出，宇宙萬物非平坦或致密固體狀，貼近觀察會發現一切物體均會出現小孔或皺紋，這就是基本的物理法則，而且適用于時間和空間。時間也有細微的裂縫、皺紋及空隙，比分子、原子還細小的空間則被命名為“量子泡沫”，“蟲洞”就存在于其中，連接兩個不同的空間及時間。部分科學家認為，有朝一日也許能夠抓住“蟲洞”，將它無限放大，使人類甚至宇宙飛船可以穿越；另外若動力充足加上完備科技，科學家或許也可以建造一個巨大的“蟲洞”。霍金指出，理論上時光隧道或“蟲洞”不只能帶著人類前往其他行星，如果蟲洞兩端位于同一位置，且以時間而非距離間隔，那么宇宙飛船即可飛入，飛出后仍然接近地球，只是進入所謂“遙遠的過去”。

但是目前還有許多科學家對霍金的這一論斷卻持有不同的看法，也有很多的質疑。正如愛因斯坦的相對論的一樣，每一個理論無論是誰提出來，都需要經得起科學實踐的檢驗，才能被認為是正確的，未經檢驗就只能停留為猜想，時空穿越目前的境況便是如此。

總之，由于相對論知識非常抽象，我們在教學中既不能過分追求知識的嚴謹性和邏輯性，又不能只是泛泛而談一些物理學史，而是根據學生的認知規律，在教學中充分挖掘與學生情趣相聯系的內容加以適當利用，從而達到激發他們的學習興趣、主動求知欲望，順利建立新知識結構的目的。

現代電影、電視、網絡與我們的日常生活已是密切相關，其中經常利用高科技場景來震撼人的視覺、聽覺，甚至思想觀念，這對我們的青年學生有很強的吸引力。我們如果能利用媒體、藝術的宣傳，挖掘出其中的物理內容，利用學生的興趣，找到與高中物理知識相關的部分并在它們之間建立恰當的聯系，這將使枯燥的學習變得更有趣味，更符合學生的認知規律，讓他們的物理學習變得更輕松、更有效率，也不適為教學的一種有益的嘗試。

參考文獻：

[1]劉宏武.課程改革教師崗位培訓資源包.新課程的教學方法選擇[M].北京：中央民族大學出版社，2004：105-107.

[2]廖伯琴.普通高中課程標準實驗教科書.教師用書[M].山東：山東科技出版社，2011：89-93.

[3]中關村在線 .霍金稱時光機理論上可行 警告勿回去看歷史[EB/oL].http：//tech.china.com/zh_cn/science/news/154/20100505/15922147.html.