高中物理新課程中相對論的教學研究

黃 皓

(南京師范大學 江蘇 南京 210043) (無錫市第一女子中學 江蘇 無錫 214002)

1 研究的背景

1.1 關于相對論

相對論對于現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響.目前，即便是大學理論物理專業，狹義相對論的教學才剛有了一些不成熟的模式，廣義相對論的教學仍處在探索過程中.

1.2 《新課程標準》的要求

我國新一輪課程改革適當加大了近、現代物理學知識的比重，新增內容的教學要求雖然不高，卻有助于彌補我國高中物理教學長期存在的不足.

對于要報考大學理工科的學生，必須選修模塊3；其中選修3-4部分，要求學生學習關于相對論的初步知識.

早在1985年，查有梁先生就提出：對于相對論的基本原理，只要在教學內容和方法上有所突破，正如牛頓力學一樣，也可能較系統地教懂中學生.定性地了解相對論的思想，對于中學生來說，無論是對物理學興趣的提高還是對物理學本質的認識都會產生深遠的影響.

內容上的突破必然要求方法上的革新，因而需要多層次的開展相對論的教學研究.

2 國內關于相對論教學的研究現狀及趨勢

關于相對論的教學在各個水平上都是很難的.教學實踐中，高中教師最困惑的問題是，學生能在不熟悉高等數學的基礎上理解相對論的思想嗎？

下面針對相關問題介紹西方主要發達國家及我國高中的相關教學研究工作.

2.1 國外高中相對論的教學

相對論在美國中學中的普及教育相對來說比其他國家都要早.然而，在美國所有科學課程中，選修物理和天文學的學生比率卻很低，只有少數學校的部分高中生選擇這些課程.即使這樣，早在1998年，據梁樹森先生引證，美國近年來常用的14本高中物理教材中，就有8本講了較多的狹義相對論內容[13].

其他西方主要發達國家大體如此.總之，在高中階段選修相對論的學生比率較低，且以學習狹義相對論為主.

2.2 國內高中相對論的教學

對于相對論的教學，我國與西方主要發達國家幾乎處在同一起跑線上.

1996年公布的《全日制普通高級中學物理教學大綱(供試驗用)》，在必修和選修物理課中，首次將“相對論”列為選學內容.2003年公布的《普通高中物理課程標準(實驗)》，首次對相對論的教學提出明確要求.具體教學內容集中在選修3-4中，必修2對相對論也有所涉及.此后，5個版本的實驗教材均根據《普通高中物理課程標準(實驗)》編寫了相關內容.

普通高中課程標準實驗教科書物理教材(選修3-4)有關相對論內容三維目標介紹.詳見表1.

表1 關于相對論三維目標介紹

普通高中課程標準實驗教科書物理教材(選修3-4)有關相對論內容分配介紹.詳見表2.

新課程實驗教材根據課程標準的要求圍繞狹義相對論和廣義相對論(選學)兩個主題展開了討論，涉及到相對論的12個具體知識點.各版教科書的教學內容廣而淺，對于知識點的呈現次序略有變化.相對而言，滬科教版和司南版比較有特色.

滬科教版在知識內容的安排上，是按照狹義相對論的發展體系，從電磁理論的缺陷，引出狹義相對論的兩個基本原理.滬科教版教材中直接給出了洛倫茲變換的公式，并用它進一步推導其他公式.教材中有豐富的圖表資料.

筆者認為，相對而言滬科教版的知識結構比較完整.

司南版是從向學生講述“雙生子佯謬”開始，再以尋找以太-邁克爾孫實驗為分水嶺逐次講解各個教學內容.教材只涉及一個實驗，即邁克爾孫實驗.司南版教材特別注重引發學生興趣.筆者認為，相對而言，司南版的可讀性最好.

表2 關于相對論內容分配介紹

3 國內學者對高中定性相對論教學的探索

相對論已成為高中物理選修內容，了解相對論的理論框架、基本概念成為高中物理教師所無法回避的課題.

因此，國內許多學者開始進行關于高中定性相對論教學的探索.

文獻[9]用完全非彈性碰撞的思想實驗推導了相對論質量公式，推導過程對于有一定數學基礎的學生極為簡單.

文獻[10]運用狹義相對論的基本原理，定量分析了對相對運動物體的長度測量和長度觀察的區別，總結出觀察有相對運動的物體在運動方向上的長度的一般規律.推導過程不涉及復雜的高等數學計算.

文獻[20]對第一批進入高中新課程改革實驗區的海南省、山東省以及廣東省部分高中學校高三教師和學生進行了調查研究，了解教師和學生在進行量子論和相對論內容教學和學習的實際情況.

文獻[21]從課程目標及課程內容、學生心理發展水平、教師培訓3個方面進行狹義相對論高中教學研究.研究結論是,狹義相對論課程對教師提出了很高的要求,中學教師能勝任狹義相對論教學的比例很低.

文獻[12]在略高于中學生的認知水平的基礎上用定量的方法推導出了狹義相對論的長度收縮效應公式和相對論質量公式.

文獻[15]歸納總結了誤解狹義相對論的主要論點，探究了人們對洛倫茲變換產生誤解的根源，指出對相對論提出的批判或者改進意見,實質上是對相對論的誤解.

文獻[16]指出為了消除 “在相對論中,一切都是相對的”這一錯誤認識，建議從以下3個方面進行教學：

(1)從總體上把握狹義相對論的本質；

(2)具體揭示狹義相對論中蘊含的辯證關系；

(3)注重科學思維方法的滲透.

文獻[19]建議，從學生的實際出發，設計“三重”探究，即“學史”探究、“實驗”探究、“應用”探究；讓學生從“絕對時空觀”的前概念中構建起新的相對論時空觀，從而提高學習效果.

文獻[14]指出在教學實踐中，高中階段教學只要任課教師做好講清基本概念,把握“絕對性”與“相對性”，理順邏輯關系三點，即使教師不進行洛倫茲變換的推導，學生也能正確理解狹義相對論的基本概念，并能運用狹義相對論的結論去解決簡單問題，達到預期的教學效果.

文獻[17]指出在教學實踐中，應對教材重組，針對中學生進行量身改造，盡量貼近認知規律，以降低教學難度.

文獻[18]介紹了在新課程標準背景下，物理教材中相對論教學的重要內容和特點以及教學過程；指出在實際教學中要注意把握好3個要點：

(1) 內容的編排如何與學生的年齡特點相適應；

(2)如何激發學生的學習興趣；

(3)如何提高學生解決問題和創新的能力.

4 分析與總結

學者的杰出工作，初步解決了高中階段學習相對論的數學基礎這一重大問題.文獻[21]研究成果，為培訓一線教師，使他們能夠勝任相對論的教學工作提供了可行的方案.但即便如此，在具體實施課堂教學方面，目前仍然沒有現成的成功經驗可以借鑒.

從近年來中學物理教學主流雜志發表的有關高中相對論教學的文章來看，總體上理論講得較多,而給出具體實施方案的文章則比較少.通過問卷和訪談，筆者發現對一線教師來說，理論的總結有一定借鑒意義，但他們更需要教學的具體實施方案.

目前，關于高中相對論教學的課堂實施大體上有3種做法.

(1)先直接給出“洛倫玆變換”，再從“洛倫玆變換”出發推導各個公式.

從發表的文章來看，大多數高校教師都持這種想法.通過教學實踐，筆者認為,這樣做雖然可以保證數學上的嚴格性和完整性，但是卻很明顯地偏離了教學重點.此類教學設計與高中學生的實際水平差距較大，高中教師在授課時也容易出現各種各樣的錯誤.

(2)認為相對論部分是純粹的定性教學，直接給出結論即可.

大多數高中教師都是這個觀點，他們的教學過程也是這樣實施的.然而，物理規律總是和數學形式緊密聯系的.如果完全撇開數學，就會把物理學變成一門半定量或定性的科學，就失去了物理課的特色，不能使學生受到理論素養的培養和訓練，自然也就不可能具有解決有關問題的能力.筆者認為,這樣的教學設計是低效設計，不能體現新課程的教育理念.

(3)既不直接給出“洛倫茲變換”，也不直接給出結論,以科學素養教育為目標來設計課程，力求自然而有邏輯地推理.

筆者通過實踐，認為這樣完全是可行的.在高中階段，講授時空的相對性時可以不涉及“洛倫茲變換”.時空相對性是光速不變原理的一個必然結論，從光速不變原理出發，通過簡明推導可以對高中生進行關于時空相對性的定性、定量教學并取得良好效果.有的研究成果給一線教師提供了可行的實施方案.

5 結語

高中物理相對論的教學是新課改的一個突出 “亮點”，我們要通過自己的努力，摸索出針對高中學生行之有效的教學策略，讓相對論的教學落到實處，真正提高學生的科學素養，為高中物理教學的現代化做出自己的貢獻.

參考文獻

1 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準(實驗)．北京：人民教育出版社，2003

2 陳熙謀，吳祖仁．普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-4．北京：教育科學出版社，2005

3 廖伯琴．普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-4．山東：山東科學技術出版社，2005

6 王笑君．普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-4．廣東：廣東教育出版社，2005

7 束炳如，何潤偉．普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-4．上海：上海科技教育出版社，2005

8 張大昌．普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3-4．北京：人民教育出版社，2007

9 蔡領．關于相對論質量公式的簡便推導．安徽工業大學學報(自然科學版)，2006(1)

10 李幸福，艾英． 對狹義相對論長度收縮效應的再思考．焦作大學學報， 2006(2)

11 黃曉，胡炳元．談高中狹義相對論教學的三大關系．現代物理知識，2009(1):50～51

12 熊良斌．高中物理兩個相對論公式的簡明推導 ．華中師范大學研究生學報， 2008(1)

13 梁樹森．狹義相對論作為高中必修內容之我見．學科教育，1998(2):14

14 朱朝策．狹義相對論高中階段教學體會．中學物理，2010(4)

15 陳宗兵，唐定彪．對狹義相對論中洛倫茲變換的誤解及根源探究．物理教師，2008(4)

16 周棟梁．關于“時間和空間的相對性”的教學建議．物理教師，2009(5)

17 張芳華，王宗謨．相對論可以這樣教學——狹義相對論中學教學芻議．中學物理，2012(1)

18 鐘光輝，黃群飛．淺析新課程背景下相對論教學．物理通報，2012(3)

19 丁向陽．“三重”探究建構相對論時空觀．物理通報，2010(1)

20 涂星火．高中物理新課程量子論和相對論內容教學實施情況調查研究．重慶：西南大學碩士論文，2007

21 張萍．高中狹義相對論課程研究 ．北京：北京師范大學，2007