基于問(wèn)題情境式教法的相對(duì)論教學(xué)設(shè)計(jì)

周鳴宇 劉存海 李慧

摘? 要 通過(guò)對(duì)相對(duì)論教學(xué)章節(jié)的分析和討論，根據(jù)其特點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，包括教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)策略選擇等五個(gè)方面，主要采取問(wèn)題情境式教學(xué)法，整個(gè)課堂的問(wèn)題設(shè)計(jì)遵循循序漸進(jìn)的原則。

關(guān)鍵詞 相對(duì)論;問(wèn)題情境式教法;大學(xué)物理;實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）20-0082-03

Relativity Teaching Design based on Question Situational Tea-ching Method//ZHOU Mingyu， LIU Cunhai， LI Hui

Abstract Based on the analysis and discussion of the teaching chap-ters of relativity， this article designs the teaching according to its characteristics and difficulties in five aspects， including the teaching content， the choice of teaching strategies and so on. Problem-based teaching method is adopted， and the whole classroom problem de-sign follows the principle of gradual progress.

Key words relativity; question situational teaching method; college physics; experiment

1 前言

適用于高速運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論是近代物理的兩大理論支柱之一。狹義相對(duì)論不僅正確地說(shuō)明了電磁現(xiàn)象，而且涵蓋了力學(xué)中的各個(gè)現(xiàn)象。狹義相對(duì)論還是研究高能物理和微觀粒子的基礎(chǔ)。同時(shí)，“相對(duì)論”這一章在整個(gè)大學(xué)物理中屬于教學(xué)難點(diǎn)比較集中的部分，因?yàn)楦鶕?jù)日常經(jīng)驗(yàn)，學(xué)員往往習(xí)慣于站在宏觀、低速的立場(chǎng)上看待微觀和高速領(lǐng)域的問(wèn)題，并且相對(duì)論所預(yù)言的物理現(xiàn)象與日常生活中見(jiàn)到的現(xiàn)象相悖，在接近高速的情況下又很難在課堂上通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象展現(xiàn)出來(lái)，因此，學(xué)員大都很難接受狹義相對(duì)論闡述的新時(shí)空觀念。這是一種普遍現(xiàn)象，也是學(xué)習(xí)近代物理新知識(shí)的根本障礙。

本文經(jīng)過(guò)對(duì)教學(xué)任務(wù)的分析，圍繞課程教學(xué)目標(biāo)，選用物理學(xué)史為線索的問(wèn)題式教學(xué)方法，通過(guò)六個(gè)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題，把經(jīng)典時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的沖突擺在學(xué)員面前，將學(xué)員置于一系列動(dòng)態(tài)的問(wèn)題情境中，使學(xué)員學(xué)有方向、有的放矢，促使學(xué)員積極探索、發(fā)現(xiàn)、接受新的時(shí)空觀念。

2 本章在課程中的定位

時(shí)至今日，相對(duì)論已成為原子能科學(xué)、宇宙航行和天文學(xué)的理論基礎(chǔ)，得到理論科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)的廣泛應(yīng)用。“相對(duì)論”這一章包括經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀、狹義相對(duì)論基本原理以及洛倫茲坐標(biāo)變換式、狹義相對(duì)論的時(shí)空觀、相對(duì)論性動(dòng)量和能量等五大部分內(nèi)容[1]。其中狹義相對(duì)論的基本原理非常簡(jiǎn)明，但是意義深遠(yuǎn)，是整個(gè)狹義相對(duì)論的基礎(chǔ)，利用它能夠很好地理解狹義相對(duì)論的時(shí)空觀，因此，它不僅在狹義相對(duì)論中，而且在整個(gè)大學(xué)物理中都占有非常重要的位置。在兩條基本原理的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出的洛侖茲變換是兩條原理的必然結(jié)果，也是利用狹義相對(duì)論處理問(wèn)題的核心。切實(shí)理解狹義相對(duì)論的時(shí)空觀以及質(zhì)量和能量的關(guān)系，能幫助學(xué)員對(duì)狹義相對(duì)論建立起初步正確的認(rèn)識(shí)。在物理學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中把本章知識(shí)列為熟悉并掌握的內(nèi)容，計(jì)劃六學(xué)時(shí)完成。

3 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與能力? 通過(guò)了解狹義相對(duì)論基本觀念的形成過(guò)程，從發(fā)展整體上接受、理解狹義相對(duì)論的新觀念、新概念和研究方法;學(xué)會(huì)用洛倫茲變換分析、計(jì)算簡(jiǎn)單的相對(duì)論問(wèn)題;理解狹義相對(duì)論中同時(shí)的相對(duì)性，時(shí)間相對(duì)性、空間相對(duì)的概念，掌握簡(jiǎn)單的分析應(yīng)用;能歸納出狹義相對(duì)論時(shí)空觀與絕對(duì)時(shí)空觀的差異，建立科學(xué)的時(shí)空觀;能領(lǐng)會(huì)狹義相對(duì)論質(zhì)量、動(dòng)量、能力的概念，并利用狹義相對(duì)論質(zhì)速關(guān)系、質(zhì)能關(guān)系、動(dòng)量與能量的關(guān)系解決簡(jiǎn)單的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

過(guò)程與方法? 簡(jiǎn)單介紹力學(xué)相對(duì)性原理、伽利略變換和牛頓絕對(duì)時(shí)空觀，通過(guò)邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果以及思想實(shí)驗(yàn)、天文實(shí)例等事例的舉例，從這些歷史背景中環(huán)環(huán)相扣地導(dǎo)出幾個(gè)問(wèn)題，分析這些問(wèn)題，讓學(xué)員找出矛盾來(lái)說(shuō)明伽利略變換和牛頓絕對(duì)時(shí)空觀與新實(shí)驗(yàn)事實(shí)之間的尖銳矛盾，從而引出狹義相對(duì)論的時(shí)空觀詮釋。過(guò)程中注意穿插物理學(xué)史，與舊理論對(duì)照，可以加強(qiáng)學(xué)員對(duì)新時(shí)空觀念的理解。在授課中以創(chuàng)設(shè)的六個(gè)問(wèn)題為主線，讓學(xué)員帶著問(wèn)題學(xué)、帶著問(wèn)題聽(tīng)，從而達(dá)到啟發(fā)學(xué)員思維、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的目的。以一個(gè)生活中實(shí)例（北宋時(shí)期超新星爆發(fā)）、一個(gè)雙生子佯謬問(wèn)題、一個(gè)假想性實(shí)驗(yàn)（愛(ài)因斯坦火車(chē)）為載體[2]，培養(yǎng)學(xué)員觀察、分析、歸納的能力，使學(xué)員逐步建立起狹義相對(duì)論時(shí)空觀念。

4 教學(xué)策略的選擇

教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化? 本章需要課堂講授的內(nèi)容共有五節(jié)：伽利略變化式，經(jīng)典力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀;邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)否定絕對(duì)參考系的存在;狹義相對(duì)論的基本原理，洛倫茲變換式;狹義相對(duì)論的時(shí)空觀;相對(duì)論性動(dòng)量和能量。其中狹義相對(duì)論基本原理和狹義相對(duì)論時(shí)空觀是本章的重點(diǎn)知識(shí)。

按照上述教學(xué)思想，由于前期學(xué)員已經(jīng)學(xué)習(xí)大量牛頓力學(xué)的知識(shí)，并且日常生活中的各種現(xiàn)象也體現(xiàn)出牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀和伽利略變換式的正確性，因此，筆者用素質(zhì)教育的理念審視、選擇和組織教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)課堂教學(xué)，努力實(shí)現(xiàn)應(yīng)用知識(shí)和探求未知的并重并實(shí)施素質(zhì)教育。具體思路如下。

1）適當(dāng)壓縮經(jīng)典物理中牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的知識(shí)，用于增加近代物理學(xué)尤其是電磁學(xué)后人們遇到的各種經(jīng)典時(shí)空觀無(wú)法解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)例。

2）調(diào)整部分內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)，提高教學(xué)效率，用于增加科學(xué)方法和思維能力及素質(zhì)教育內(nèi)容，包括加入愛(ài)因斯坦火車(chē)實(shí)驗(yàn)、雙生子佯謬假想、引力波與黑洞等。

3）突出重要的科學(xué)研究方法、創(chuàng)造性思維能力的介紹，在章節(jié)的最后，和學(xué)員一起歸納相對(duì)論時(shí)空觀的建立過(guò)程，讓學(xué)員體會(huì)簡(jiǎn)單性原理是愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論所堅(jiān)持的最基本的原則之一。

在素質(zhì)教育方面，以創(chuàng)新精神為核心，兼顧科學(xué)思想、科學(xué)道德、審美情趣、唯物辯證法等科學(xué)素質(zhì)和人文素質(zhì)。這樣，本章內(nèi)容就達(dá)到把愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理、狹義相對(duì)論新時(shí)空觀念（同時(shí)的相對(duì)性）兩個(gè)內(nèi)容作為重點(diǎn)凸顯出來(lái)。

教學(xué)方法選擇? 按以往的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)員往往習(xí)慣于站在宏觀、低速的立場(chǎng)上看待微觀和高速領(lǐng)域的問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)闊o(wú)法用生活經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證光速不變?cè)恚詫?duì)該原理的正確性容易持懷疑態(tài)度，不容易接受和理解同時(shí)的相對(duì)性、動(dòng)棒縮短與動(dòng)鐘變慢的物理現(xiàn)象[3]。這是一種普遍情況，也是學(xué)習(xí)近代物理新知識(shí)的根本障礙，因此，如何由經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空觀過(guò)渡到狹義相對(duì)論時(shí)空觀，愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論的兩條基本原理的理解，就是整章的難點(diǎn)問(wèn)題。為了破解難點(diǎn)，采用目標(biāo)導(dǎo)學(xué)法中的問(wèn)題情境式教學(xué)方法，通過(guò)問(wèn)題把經(jīng)典的時(shí)空觀與相對(duì)論時(shí)空觀的沖突展現(xiàn)在學(xué)員面前，將學(xué)員置于一個(gè)動(dòng)態(tài)的問(wèn)題情境中，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，使學(xué)員學(xué)有方向，有的放矢，促使學(xué)員積極探索、發(fā)現(xiàn)。學(xué)員通過(guò)思考、回答、推理一個(gè)一個(gè)關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，完成狹義相對(duì)論時(shí)空觀的知識(shí)建構(gòu)。

課堂采用以問(wèn)題情境式為主、穿插物理學(xué)史講授的教學(xué)模式，以提高學(xué)員的應(yīng)用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為目標(biāo)。本章由六個(gè)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題展開(kāi)教學(xué)目標(biāo)的學(xué)習(xí)，這些問(wèn)題的提出是有一個(gè)整體性的設(shè)計(jì)的，它們緊扣教材內(nèi)容，圍繞章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)，把問(wèn)題聚焦到狹義相對(duì)論基本原理以及新的時(shí)空觀這個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)問(wèn)題上，采用引導(dǎo)、啟發(fā)、研究、討論、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)等生動(dòng)有效的形式開(kāi)展教學(xué)，通過(guò)目標(biāo)導(dǎo)學(xué)方法達(dá)到突破難點(diǎn)的目的，使學(xué)員完成建立猜想—分析—推理—?dú)w納—應(yīng)用這一學(xué)習(xí)流程。在推導(dǎo)過(guò)程中，采用定量分析定性歸納法，嚴(yán)密的理論推導(dǎo)能使學(xué)員獲得必要的理性認(rèn)識(shí)，成功的問(wèn)題設(shè)置和解決的思維推理過(guò)程，能使學(xué)員獲得豐富正確的感性認(rèn)識(shí)，便于學(xué)員正確深入理解狹義相對(duì)論產(chǎn)生的背景和原理的內(nèi)涵，說(shuō)明狹義相對(duì)論時(shí)空觀與經(jīng)典時(shí)空觀的矛盾統(tǒng)一，從而達(dá)到突破難點(diǎn)的目的。

教學(xué)資源運(yùn)用? 在教學(xué)手段上，采用多媒體和板書(shū)相結(jié)合的形式，全方位、多角度地闡述教學(xué)內(nèi)容。制作和完善包括動(dòng)畫(huà)演示、視頻在內(nèi)的多媒體課件，揭示物理思想的內(nèi)涵，使物理思想更為形象、直觀，提高學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣和求知欲。課上提出一些開(kāi)放式問(wèn)題，讓學(xué)員線上線下查找資料，下一次課就自己的理解進(jìn)行討論，提高學(xué)員的課堂參與度，普及當(dāng)前科技中涉及相對(duì)論的科普知識(shí)。

教學(xué)流程

1）問(wèn)題驅(qū)動(dòng)，鋪墊導(dǎo)入。兩個(gè)不同的慣性參考系時(shí)空坐標(biāo)有什么關(guān)系？通過(guò)一個(gè)動(dòng)畫(huà)，讓學(xué)員歸納出牛頓時(shí)空觀以及牛頓絕對(duì)時(shí)空觀下的時(shí)空坐標(biāo)關(guān)系，結(jié)合日常生活中的體驗(yàn)，調(diào)動(dòng)他們學(xué)習(xí)的積極性。通過(guò)回答問(wèn)題，總結(jié)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀、伽利略變換、力學(xué)相對(duì)性原理。

2）情境營(yíng)造，以疑導(dǎo)學(xué)。對(duì)于不同的慣性系，電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎？列舉兩個(gè)實(shí)例：邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果、超新星爆發(fā)。學(xué)員通過(guò)思考、教員啟發(fā)，討論得到一個(gè)結(jié)論：絕對(duì)時(shí)空觀念已經(jīng)不再適用于電磁學(xué)規(guī)律，的確需要有新的理論來(lái)解釋電磁現(xiàn)象所帶來(lái)的問(wèn)題。這個(gè)過(guò)程中穿插物理學(xué)史的講授，使學(xué)員體驗(yàn)到新的科學(xué)理論誕生需要探索精神、創(chuàng)造性思維能力和獨(dú)立思考能力。

3）探索求證，全面議疑。面對(duì)Maxwell電磁理論與伽利略變換的不相容，你傾向于下列哪個(gè)觀點(diǎn)呢？這個(gè)問(wèn)題由于有一定的難度，學(xué)員心理呈現(xiàn)出憤悱狀態(tài)，即很想弄懂又無(wú)法弄懂，很想說(shuō)清又無(wú)法說(shuō)清的狀態(tài)，因此需要引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)員思維，給出三個(gè)答案選項(xiàng)：力學(xué)滿(mǎn)足相對(duì)性原理是偶然的，相對(duì)性原理不是普遍原理;電磁學(xué)理論不正確，必須加以修正，使其符合力學(xué)相對(duì)性原理;力學(xué)相對(duì)性原理值得推廣，電磁學(xué)規(guī)律是正確的，修正的應(yīng)是伽利略變換式。

4）充分解疑，總體升華。伽利略變換式與狹義相對(duì)論的基本原理相矛盾，那么，滿(mǎn)足狹義相對(duì)論基本原理的新變換是什么呢？強(qiáng)調(diào)通過(guò)此變換式得到兩個(gè)結(jié)論：光速是自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的極限速度;時(shí)間和位置變換相互交叉，空間、時(shí)間不獨(dú)立。應(yīng)用科學(xué)家曾經(jīng)的錯(cuò)誤結(jié)論“中微子超光速現(xiàn)象”的新聞視頻，使學(xué)員體會(huì)科學(xué)質(zhì)疑批判的精神。

5）反饋調(diào)查，再生新疑。建立狹義的突破口是同時(shí)的相對(duì)性，在相對(duì)論的時(shí)空觀中，同時(shí)的相對(duì)性占有重要地位。根據(jù)愛(ài)因斯坦火車(chē)的理想實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明同時(shí)的相對(duì)性，引導(dǎo)學(xué)員比較經(jīng)典力學(xué)中同時(shí)的絕對(duì)性觀念和相對(duì)論的同時(shí)的相對(duì)性觀念產(chǎn)生的原因。在學(xué)員理解了時(shí)間膨脹效應(yīng)后，再引出兩個(gè)問(wèn)題：雙生子佯謬問(wèn)題和火車(chē)過(guò)山洞問(wèn)題。為學(xué)員介紹一種科學(xué)研究方法——佯謬。佯謬是物理學(xué)發(fā)展的直接動(dòng)因之一，鼓勵(lì)學(xué)員課下找出佯謬推動(dòng)物理學(xué)發(fā)展的實(shí)例，從而讓學(xué)員理解這種科研方法的作用與意義。

6）根據(jù)新知，引申討論。相對(duì)論中時(shí)間和長(zhǎng)度與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，在相對(duì)論中，質(zhì)量是否也和運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)？通過(guò)設(shè)問(wèn)，展現(xiàn)沖突，激發(fā)興趣，引導(dǎo)學(xué)員用已有的相對(duì)論知識(shí)分析問(wèn)題，通過(guò)充分的討論使學(xué)員構(gòu)建新的認(rèn)知，包括相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系、相對(duì)論的應(yīng)用，展示海爾—波普彗星照片。為學(xué)員介紹可以稱(chēng)為21世紀(jì)理論物理學(xué)的“一朵烏云”的暗物質(zhì)和暗能量，從而引出“簡(jiǎn)單性原理”這一科學(xué)研究的原則，加強(qiáng)學(xué)員的科學(xué)素養(yǎng)[4]。

教學(xué)評(píng)價(jià)? 通過(guò)課上小組和集體討論來(lái)推動(dòng)學(xué)員學(xué)習(xí)思路的形成，使他們接受狹義相對(duì)論的時(shí)空觀念。每次課都可以提出一些在新的時(shí)空觀念下的假想性問(wèn)題，讓學(xué)員進(jìn)行課下思考，下次課上進(jìn)行討論，這樣對(duì)學(xué)員理解概念和思想具有非常大的幫助。在章節(jié)的最后，提出狹義相對(duì)論也是有條件限制的，即在慣性系下提出的;基于這個(gè)基礎(chǔ)，愛(ài)因斯坦進(jìn)行了擴(kuò)展，在非慣性系下，物理定律將如何呢？讓學(xué)員通過(guò)課下搜集廣義相對(duì)論的理論預(yù)見(jiàn)、被證實(shí)的一些實(shí)例，如引力場(chǎng)彎曲、水星近地點(diǎn)的旋進(jìn)、引力波與黑洞等這些熱門(mén)話(huà)題，提高課堂參與度以及對(duì)近代理論物理學(xué)的興趣。

5 結(jié)語(yǔ)

“善之本在教，教之本在師。”（《李覯集·廣潛書(shū)》）通過(guò)梳理分析，筆者設(shè)定“相對(duì)論”這一章由六個(gè)環(huán)環(huán)相扣的問(wèn)題展開(kāi)教學(xué)目標(biāo)的學(xué)習(xí)。這些問(wèn)題的提出是有一個(gè)整體性的設(shè)計(jì)的，它們緊扣教材內(nèi)容，圍繞章節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)，把問(wèn)題聚焦到狹義相對(duì)論基本原理以及新的時(shí)空觀這個(gè)教學(xué)重難點(diǎn)問(wèn)題上，采用引導(dǎo)、啟發(fā)、研究、討論，用問(wèn)題驅(qū)動(dòng)這一生動(dòng)有效的形式開(kāi)展教學(xué)，使學(xué)生完成建立猜想—分析—推理—?dú)w納—應(yīng)用這一學(xué)習(xí)流程。“相對(duì)論”這一章的目的就是構(gòu)造出基于問(wèn)題情境式教法的理想化的高效課堂。

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