面向“四性一度”的多普勒效應(yīng)教學(xué)實(shí)踐探索

摘 要：“大學(xué)物理”課程是軍隊(duì)院校生長軍官本科教育各專業(yè)的必修基礎(chǔ)課程，其在課程思政方面具有得天獨(dú)厚的教育資源，軍校教員要緊抓課堂教學(xué)“主渠道”，將鑄魂教育貫穿教學(xué)全過程，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)；同時(shí)，結(jié)合具體的軍事應(yīng)用，進(jìn)行實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)改革，充分凸顯課程的為戰(zhàn)性。對照教育部提出的“金課”標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合新時(shí)代軍事教育方針，以多普勒效應(yīng)為例，聚焦能力素質(zhì)的高階性、教學(xué)形式的創(chuàng)新性、課程內(nèi)容的挑戰(zhàn)度，凸顯軍校思政教育的鑄魂性、圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)的為戰(zhàn)性，進(jìn)行基于“四性一度”的教學(xué)實(shí)踐和探索，以提高課程教學(xué)質(zhì)量，為軍隊(duì)院校大學(xué)物理課程建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理；金課；軍事教育；四性一度

中圖分類號：G642" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

教育部副部長吳巖在第十一屆“中國大學(xué)教育論壇”報(bào)告中指出，要淘汰“水課”，打造“金課”。金課的“兩性一度”具體包括：體現(xiàn)知識、能力、素質(zhì)有機(jī)融合，聚焦學(xué)生綜合能力和高級思維培養(yǎng)的高階性；體現(xiàn)課程內(nèi)容前沿性和時(shí)代性、教學(xué)形式先進(jìn)性和互動(dòng)性、學(xué)習(xí)結(jié)果探究性和個(gè)性化的創(chuàng)新性；旨在提高課程難度、需要教師和學(xué)生跳一跳才能夠得著的挑戰(zhàn)度。軍隊(duì)院校本科教育既要遵循國家“金課”的通用標(biāo)準(zhǔn)，又要體現(xiàn)軍校教育特色。

波動(dòng)性的典型表現(xiàn)之一是多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)在生活中十分常見：當(dāng)一輛汽車迎面開來時(shí)，聽到汽笛聲調(diào)逐漸變高；而當(dāng)汽車遠(yuǎn)離而去時(shí)，聽到汽笛聲調(diào)逐漸變低。多普勒效應(yīng)理論知識相對容易理解，其在軍事中的應(yīng)用非常廣泛，但理解起來不太直觀，因此本文的探究主要側(cè)重于多普勒效應(yīng)的應(yīng)用。

一、先進(jìn)的教學(xué)形式、探究性學(xué)習(xí)結(jié)果——?jiǎng)?chuàng)新性

通過線上線下混合式教學(xué)，改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)流程，從以教師“教”為中心，轉(zhuǎn)向以學(xué)生“學(xué)”為中心。對混合式教學(xué)模式進(jìn)行本校化改造，采用生講生評、以練代講、研討辯論、邊講邊練、平行互動(dòng)、邊做邊評的翻轉(zhuǎn)課堂形式，進(jìn)行研討式、探究式學(xué)習(xí)。對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行顆粒化處理，即對學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行拆分，把一個(gè)學(xué)習(xí)單元拆分為三分鐘到五分鐘，為學(xué)員隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)提供便利。細(xì)顆粒的數(shù)字教育資源是在學(xué)習(xí)活動(dòng)泛在性的基礎(chǔ)上，以學(xué)員易于理解的語言與敘事方式，將物理知識結(jié)合教學(xué)理論進(jìn)行轉(zhuǎn)化而形成的知識載體，也是教育資源數(shù)字化的基礎(chǔ)。對呈現(xiàn)內(nèi)容進(jìn)行生動(dòng)化處理，將書面語言轉(zhuǎn)化為口頭語言呈現(xiàn)給學(xué)員，數(shù)字教育資源主要依托多媒體技術(shù)，對文字、動(dòng)畫、圖像、視頻、音頻等學(xué)習(xí)資源進(jìn)行融合，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的趣味性、提升其可理解度，再結(jié)合現(xiàn)代信息技術(shù)的增強(qiáng)、混合和游戲功能，進(jìn)一步縮短學(xué)習(xí)時(shí)長，提高學(xué)習(xí)效率。

在多普勒效應(yīng)相關(guān)知識教學(xué)中，將微課觀看視頻設(shè)置為觀看飛機(jī)突破音障的視頻;將在線討論題設(shè)置為避免音障的有效措施；將拓展作業(yè)題設(shè)置為利用熟悉的編程語言仿真波源速度vS與波速u滿足不同比值關(guān)系時(shí)的馬赫錐形，以讓學(xué)生直觀地感受機(jī)械波的多普勒效應(yīng)，提高對學(xué)習(xí)內(nèi)容的選擇性和學(xué)習(xí)同伴間的合作性。

二、堅(jiān)定理想信念、筑牢軍魂意識——鑄魂性

奧地利物理學(xué)家多普勒在發(fā)現(xiàn)機(jī)械波的多普勒效應(yīng)后，并沒有止步不前、滿足現(xiàn)狀，他著眼于更長遠(yuǎn)的視角，進(jìn)而提出一些新的推測。

（1）天空中紅色的恒星。多普勒認(rèn)為：紅色的恒星原本發(fā)白光，只是因?yàn)樗鼈冊谶h(yuǎn)離地球，它們發(fā)出的光波頻率普遍降低，所以其顏色發(fā)紅。現(xiàn)在看這個(gè)觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。如今的科學(xué)家認(rèn)為紅色的恒星之所以呈現(xiàn)紅色，是因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光本來就是紅色；而它們發(fā)紅光的原因是其表面溫度比發(fā)白光恒星的表面溫度低且自身所含元素存在差異。

（2）天空中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一顆非常亮的星，然后逐步變暗，直到消失。多普勒把這種現(xiàn)象也歸因于多普勒效應(yīng)。他認(rèn)為：如果一顆恒星遠(yuǎn)離我們的速度足夠快，其發(fā)出的所有光的頻率會(huì)降低，在低于紅光頻率時(shí)，變成紅外線，我們將無法觀測到該恒星；反之，如果一顆恒星接近我們的速度足夠快，其發(fā)出的所有光的頻率會(huì)升高，在超過紫光頻率時(shí)，變成紫外線，我們將無法觀測到該恒星。現(xiàn)代天文學(xué)認(rèn)為，這種現(xiàn)象屬于超新星爆發(fā)——特別亮的時(shí)候是爆發(fā)的高峰期，后續(xù)看不見是因?yàn)楸l(fā)停止了。

（3）雙星的色差。雙星就是指天空中距離非常近的兩顆星，通常要用望遠(yuǎn)鏡才能分辨出來。有時(shí)兩顆星存在色差，多普勒把這種色差也歸因于多普勒效應(yīng)。他認(rèn)為雙星系統(tǒng)中的兩顆星是互繞旋轉(zhuǎn)的，大部分時(shí)刻，必然有一顆星遠(yuǎn)離地球，另一顆接近地球，這造成了兩顆星的色差。現(xiàn)代天文學(xué)認(rèn)為，確實(shí)有很多雙星是互繞旋轉(zhuǎn)的，但是它們之間的色差并不是互繞旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的，而是由于它們的表面溫度和所含元素存在差異，它們本來就是紅色或藍(lán)色。

目前來看，這些觀點(diǎn)都存在問題，其根本性錯(cuò)誤就是多普勒頻移公式是不適用于光波的，因?yàn)樗鼪]有考慮光速不變原理和相對論效應(yīng)。

在教學(xué)過程中，通過介紹多普勒的研究歷程，展現(xiàn)科學(xué)家的鉆研精神，以及其善于觀察、時(shí)刻保持敏銳洞察力的科學(xué)素養(yǎng)。教學(xué)過程注重加強(qiáng)政治引領(lǐng)，把思想政治教育貫穿育人全過程，引領(lǐng)學(xué)員堅(jiān)定理想信念、鑄牢軍魂意識、矢志強(qiáng)軍打贏，積極攻關(guān)技術(shù)難題。

三、圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)、著眼打贏育人才——為戰(zhàn)性

當(dāng)艦船、潛艇等航行在浩瀚無垠的大海上時(shí)，是如何確定航線的呢？如準(zhǔn)確的地理位置，即經(jīng)度與緯度和航行狀態(tài)。利用多普勒聲吶導(dǎo)航可以解決以上問題。多普勒聲吶就是根據(jù)多普勒效應(yīng)研制的一種利用水下超聲波來測速和計(jì)程的精密儀器。

如圖2所示，先設(shè)艦船做直線運(yùn)動(dòng)，航行速度為v。多普勒聲吶一般安裝在艦船底部，由一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器組成，發(fā)射器沿固定的傾角θ向海底發(fā)射一束頻率為fS的超聲波，該超聲波在海底發(fā)生漫反射，其中必有一定強(qiáng)度的波沿線段PS返回，被位于S處的接收器接收。

由于超聲波在水中的傳播速度約為1500m/s，而艦船等的航行速度一般在10m/s左右，前者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，所以在超聲波沿線段PS往返一次期間，艦船前進(jìn)的距離很小，可以忽略不計(jì)。

但在實(shí)際航行中，艦船等不可避免地會(huì)受風(fēng)浪的影響，從而產(chǎn)生上下顛簸或左右前后搖擺，這必將對測速與計(jì)程產(chǎn)生不良影響。那么，如何消除這種影響呢？結(jié)合對稱的物理思想，在同一位置再安裝一對向后的發(fā)射器和接收器，并且使向后的發(fā)射傾角也為θ，按照與前面同樣的分析思路進(jìn)行分析。在不考慮艦船的上下顛簸時(shí)，后向接收器接收到的頻率稱為后向接收頻率。

再考察艦船的上下顛簸對后向接收頻率的影響：由于后向發(fā)射角與前向發(fā)射角相等，所以速度v上在波線SQ方向的分量大小也是v′，而且方向也是遠(yuǎn)離海底。因此，它使得由f′決定的后向接收頻率變小，并且在一定誤差范圍內(nèi)減小值與前向接收頻率的減小值相等。因此，這兩列波頻率之差在一定誤差范圍內(nèi)保持不變。

以聲吶導(dǎo)航原理向?qū)W員展示多普勒效應(yīng)在軍事領(lǐng)域的具體應(yīng)用實(shí)例，指明軍事教育要面向戰(zhàn)場、面向部隊(duì)、面向未來，把握世界軍事發(fā)展趨勢和現(xiàn)代戰(zhàn)爭規(guī)律，圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)、著眼打贏育人才，打仗需要什么就教什么、部隊(duì)需要什么就練什么，確保培養(yǎng)的人才能夠打贏現(xiàn)代戰(zhàn)爭。

四、融合知識能力素質(zhì)、培養(yǎng)高級思維——高階性

普通天氣雷達(dá)只能測量氣象目標(biāo)的強(qiáng)度，而多普勒雷達(dá)不僅具有普通天氣雷達(dá)的全部功能，而且還能提供大氣風(fēng)場信號。借助氣象回波進(jìn)行多普勒速度分析，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況。目前多普勒雷達(dá)是世界上較先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng)，有“超級千里眼”之稱。相較于普通天氣雷達(dá)，多普勒雷達(dá)預(yù)報(bào)的精確度會(huì)有較大提高。

在教學(xué)中應(yīng)強(qiáng)調(diào)多普勒雷達(dá)的原理實(shí)際是電磁波的多普勒效應(yīng)，必須考慮相對論效應(yīng)。假設(shè)一電磁波以速度v朝向觀測者沿二者連線運(yùn)動(dòng)，電磁波源的頻率為fS，考慮相對論效應(yīng)，則觀測者接收到的頻率為：

f′=fSc+vc－v

這意味著當(dāng)二者相互靠近時(shí)，觀測者接收到的頻率要大于波源頻率，與機(jī)械波的多普勒效應(yīng)規(guī)律保持一致，因此可定性討論電磁波的多普勒效應(yīng)。公路上用于測速的檢測器就是利用上述原理制成的。引導(dǎo)學(xué)員在知識遷移的同時(shí)培養(yǎng)解決更復(fù)雜問題的能力，做到知識能力與素質(zhì)的有機(jī)結(jié)合。

五、增加課程難度、拓展課程深度——挑戰(zhàn)度

課程開篇從多普勒雷達(dá)的重要性出發(fā)，進(jìn)而引入多普勒效應(yīng)的概念，隨后展開對多普勒效應(yīng)的詳細(xì)討論，具體分為三種情況。分析當(dāng)波源不動(dòng)，觀察者相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者的接收頻率與波源頻率的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)此種情況相當(dāng)于改變介質(zhì)中的波速；分析當(dāng)觀察者不動(dòng)，波源相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者的接收頻率與波源頻率的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)此種情況相當(dāng)于改變介質(zhì)中的波長；分析波源與觀察者同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者的接收頻率與波源頻率的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)此種情況相當(dāng)于改變介質(zhì)中的波速和波長。

以上三種情況考慮的都是縱向多普勒效應(yīng)，那么機(jī)械波有橫向多普勒效應(yīng)嗎？根據(jù)相對論理論：橫向多普勒效應(yīng)來自時(shí)間延緩效應(yīng)。因此，機(jī)械波無橫向多普勒效應(yīng)。

針對特殊情況：當(dāng)波源靠近觀察者運(yùn)動(dòng)且速度vS超過波速u時(shí)，根據(jù)多普勒頻移公式：

f′=u＋vRu－vSfS

可得f′lt;0。這意味著波源將一直超過其發(fā)出的波前，即在波源的前方不會(huì)有任何波動(dòng)產(chǎn)生。在日常生活中這種情況比較常見，如地面上的人往往先看到飛機(jī)無聲地掠過，然后才聽到越來越大的聲音，這就是飛機(jī)超聲速飛行的情況。當(dāng)觀察者以比波速大的速度背離波源時(shí)，也將出現(xiàn)f′lt;0的情況。

如圖3所示，當(dāng)波源速度vS大于波速u時(shí)，波源始終處于波前的前方，設(shè)經(jīng)過一段時(shí)間t后點(diǎn)波源由A運(yùn)動(dòng)到B，則有l(wèi)AB=vSt，而A處波源發(fā)出的波才傳輸了ut，因此各處波前的切面形成一個(gè)錐面——馬赫錐。其半頂角α為：

隨著時(shí)間的推移，各波前和錐面不斷擴(kuò)展。這種由點(diǎn)波源形成的錐面所產(chǎn)生的傳播，稱為馬赫波。錐面就是受擾動(dòng)與未受擾動(dòng)的媒質(zhì)的分界面，其兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生壓強(qiáng)、密度和溫度的突變。

當(dāng)vSu時(shí)，所有波前將聚集在一個(gè)錐面上，波的能量高度集中，進(jìn)而形成沖擊波（又稱激波），常見實(shí)例有核爆炸、超聲速飛行等。當(dāng)飛機(jī)接近聲速飛行時(shí)，會(huì)局部出現(xiàn)激波，氣動(dòng)阻力將急劇增大，此時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供更大的推力；同時(shí)，受激波影響，流經(jīng)機(jī)翼和機(jī)身表面的氣流將變得異常紊亂，進(jìn)而使機(jī)身劇烈抖動(dòng)，導(dǎo)致操縱難度大幅增加。

結(jié)語

立足“金課”標(biāo)準(zhǔn)，著眼新時(shí)代軍事教育方針，從課程難度和深度、教學(xué)形式等方面對多普勒效應(yīng)相關(guān)知識進(jìn)行了教學(xué)實(shí)踐探索。教學(xué)過程充分體現(xiàn)了軍校教育堅(jiān)定理想信念、筑牢軍魂意識的鑄魂性和圍繞實(shí)戰(zhàn)搞教學(xué)、著眼打贏育人才的為戰(zhàn)性。經(jīng)過近兩個(gè)學(xué)期在兩個(gè)班次的教學(xué)實(shí)踐，學(xué)員對基本理論的掌握更加牢固，課堂參與度得到明顯改善，學(xué)員的知識能力素質(zhì)和高階思維顯著提升，因此本文可為軍隊(duì)院校“大學(xué)物理”課程教學(xué)提供有益參考。

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作者簡介：范奕澤（1989— ），女，漢族，安徽阜陽人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榇髮W(xué)物理教學(xué)和引力理論。