高中物理新課程中相對論的教學(xué)研究

黃 皓

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

1 研究的背景

1.1 關(guān)于相對論

相對論對于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思想的發(fā)展都有巨大的影響.目前，即便是大學(xué)理論物理專業(yè)，狹義相對論的教學(xué)才剛有了一些不成熟的模式，廣義相對論的教學(xué)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(dāng)加大了近、現(xiàn)代物理學(xué)知識的比重，新增內(nèi)容的教學(xué)要求雖然不高，卻有助于彌補我國高中物理教學(xué)長期存在的不足.

對于要報考大學(xué)理工科的學(xué)生，必須選修模塊3；其中選修3-4部分，要求學(xué)生學(xué)習(xí)關(guān)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(xué)內(nèi)容和方法上有所突破，正如牛頓力學(xué)一樣，也可能較系統(tǒng)地教懂中學(xué)生.定性地了解相對論的思想，對于中學(xué)生來說，無論是對物理學(xué)興趣的提高還是對物理學(xué)本質(zhì)的認識都會產(chǎn)生深遠的影響.

內(nèi)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(xué)研究.

2 國內(nèi)關(guān)于相對論教學(xué)的研究現(xiàn)狀及趨勢

關(guān)于相對論的教學(xué)在各個水平上都是很難的.教學(xué)實踐中，高中教師最困惑的問題是，學(xué)生能在不熟悉高等數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上理解相對論的思想嗎？

下面針對相關(guān)問題介紹西方主要發(fā)達國家及我國高中的相關(guān)教學(xué)研究工作.

2.1 國外高中相對論的教學(xué)

相對論在美國中學(xué)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(xué)課程中，選修物理和天文學(xué)的學(xué)生比率卻很低，只有少數(shù)學(xué)校的部分高中生選擇這些課程.即使這樣，早在1998年，據(jù)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(nèi)容[13].

其他西方主要發(fā)達國家大體如此.總之，在高中階段選修相對論的學(xué)生比率較低，且以學(xué)習(xí)狹義相對論為主.

2.2 國內(nèi)高中相對論的教學(xué)

對于相對論的教學(xué)，我國與西方主要發(fā)達國家?guī)缀跆幵谕黄鹋芫€上.

1996年公布的《全日制普通高級中學(xué)物理教學(xué)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(xué)內(nèi)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(xué)提出明確要求.具體教學(xué)內(nèi)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(jù)《普通高中物理課程標準(實驗)》編寫了相關(guān)內(nèi)容.

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

表1 關(guān)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(guān)相對論內(nèi)容分配介紹.詳見表2.

新課程實驗教材根據(jù)課程標準的要求圍繞狹義相對論和廣義相對論(選學(xué))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(xué)內(nèi)容廣而淺，對于知識點的呈現(xiàn)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(nèi)容的安排上，是按照狹義相對論的發(fā)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(dǎo)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(jié)構(gòu)比較完整.

司南版是從向?qū)W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(xué)內(nèi)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(fā)學(xué)生興趣.筆者認為，相對而言，司南版的可讀性最好.

表2 關(guān)于相對論內(nèi)容分配介紹

3 國內(nèi)學(xué)者對高中定性相對論教學(xué)的探索

相對論已成為高中物理選修內(nèi)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(nèi)許多學(xué)者開始進行關(guān)于高中定性相對論教學(xué)的探索.

文獻[9]用完全非彈性碰撞的思想實驗推導(dǎo)了相對論質(zhì)量公式，推導(dǎo)過程對于有一定數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)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(qū)別，總結(jié)出觀察有相對運動的物體在運動方向上的長度的一般規(guī)律.推導(dǎo)過程不涉及復(fù)雜的高等數(shù)學(xué)計算.

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

文獻[21]從課程目標及課程內(nèi)容、學(xué)生心理發(fā)展水平、教師培訓(xùn)3個方面進行狹義相對論高中教學(xué)研究.研究結(jié)論是,狹義相對論課程對教師提出了很高的要求,中學(xué)教師能勝任狹義相對論教學(xué)的比例很低.

文獻[12]在略高于中學(xué)生的認知水平的基礎(chǔ)上用定量的方法推導(dǎo)出了狹義相對論的長度收縮效應(yīng)公式和相對論質(zhì)量公式.

文獻[15]歸納總結(jié)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(chǎn)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(zhì)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(xué)：

(1)從總體上把握狹義相對論的本質(zhì)；

(2)具體揭示狹義相對論中蘊含的辯證關(guān)系；

(3)注重科學(xué)思維方法的滲透.

文獻[19]建議，從學(xué)生的實際出發(fā)，設(shè)計“三重”探究，即“學(xué)史”探究、“實驗”探究、“應(yīng)用”探究；讓學(xué)生從“絕對時空觀”的前概念中構(gòu)建起新的相對論時空觀，從而提高學(xué)習(xí)效果.

文獻[14]指出在教學(xué)實踐中，高中階段教學(xué)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(guān)系三點，即使教師不進行洛倫茲變換的推導(dǎo)，學(xué)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(jié)論去解決簡單問題，達到預(yù)期的教學(xué)效果.

文獻[17]指出在教學(xué)實踐中，應(yīng)對教材重組，針對中學(xué)生進行量身改造，盡量貼近認知規(guī)律，以降低教學(xué)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(xué)的重要內(nèi)容和特點以及教學(xué)過程；指出在實際教學(xué)中要注意把握好3個要點：

(1) 內(nèi)容的編排如何與學(xué)生的年齡特點相適應(yīng)；

(2)如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；

(3)如何提高學(xué)生解決問題和創(chuàng)新的能力.

4 分析與總結(jié)

學(xué)者的杰出工作，初步解決了高中階段學(xué)習(xí)相對論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)這一重大問題.文獻[21]研究成果，為培訓(xùn)一線教師，使他們能夠勝任相對論的教學(xué)工作提供了可行的方案.但即便如此，在具體實施課堂教學(xué)方面，目前仍然沒有現(xiàn)成的成功經(jīng)驗可以借鑒.

從近年來中學(xué)物理教學(xué)主流雜志發(fā)表的有關(guān)高中相對論教學(xué)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(fā)現(xiàn)對一線教師來說，理論的總結(jié)有一定借鑒意義，但他們更需要教學(xué)的具體實施方案.

目前，關(guān)于高中相對論教學(xué)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(fā)推導(dǎo)各個公式.

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

(2)認為相對論部分是純粹的定性教學(xué)，直接給出結(jié)論即可.

大多數(shù)高中教師都是這個觀點，他們的教學(xué)過程也是這樣實施的.然而，物理規(guī)律總是和數(shù)學(xué)形式緊密聯(lián)系的.如果完全撇開數(shù)學(xué)，就會把物理學(xué)變成一門半定量或定性的科學(xué)，就失去了物理課的特色，不能使學(xué)生受到理論素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，自然也就不可能具有解決有關(guān)問題的能力.筆者認為,這樣的教學(xué)設(shè)計是低效設(shè)計，不能體現(xiàn)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(jié)論,以科學(xué)素養(yǎng)教育為目標來設(shè)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(jié)論，從光速不變原理出發(fā)，通過簡明推導(dǎo)可以對高中生進行關(guān)于時空相對性的定性、定量教學(xué)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(jié)語

高中物理相對論的教學(xué)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(xué)生行之有效的教學(xué)策略，讓相對論的教學(xué)落到實處，真正提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，為高中物理教學(xué)的現(xiàn)代化做出自己的貢獻.

參考文獻

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