LIGO網(wǎng)站資源分析及其在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

1 LIGO與2017年諾貝爾物理學(xué)獎

引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播。它很難被探測到,宇宙深處天體并合產(chǎn)生的引力波信號到達地球時其強度已相當(dāng)微弱,首次探測到的引力波信號應(yīng)變峰值僅為10-21。另外,引力波擁有絕對的穿透能力,它不和任何物質(zhì)發(fā)生作用,這意味著難以直接觀測引力波信號。除了這些因素以外,微弱的引力波信號被地球上嘈雜的噪音所淹沒,科學(xué)家必須在這些噪音中分辨出真正的引力波信號。引力波探測先驅(qū)韋伯(J.Weber)的共振棒實驗被認定失敗之后,一時間引力波探測陷入低潮,一些科學(xué)家甚至認為人類沒有辦法直接探測到引力波。從1974年到1978年,美國的泰勒(J.Taylor)和休斯(R.Hulse)通過觀測脈沖雙星圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)周期的減少,間接證實了引力波的存在,因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎,再次激發(fā)了科學(xué)家探測引力波的熱情。早在1972年,韋斯(R.Weiss)就提出用激光干涉的原理探測引力波,但是這一想法并沒有得到重視。由于一次偶然的機會,韋斯遇到了索恩(K.Thorne),索恩對這一想法十分感興趣并且召集科學(xué)家著手研究,從那之后LIGO項目才慢慢有了眉目,直到巴里什(B.Barish)為LIGO項目申請到巨額科研基金,至此LIGO項目才算正式開始。2015年9月14日,LIGO探測精度升級后不久,就探測到了第一例引力波信號。美國麻省理工學(xué)院韋斯、加州理工學(xué)院索恩和巴里什,因為在LIGO探測器和引力波觀測方面的貢獻獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎。從1916年愛因斯坦提出引力波理論,到2016年LIGO宣布人類首次探測到來自13億光年外兩顆并合黑洞產(chǎn)生的引力波信號,歷時整整100年!引力波的發(fā)現(xiàn)將開啟宇宙探索的新窗口,引領(lǐng)人類進入一個全新的時代。

2 LIGO網(wǎng)站概述及其資源特點分析

中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)關(guān)注時代發(fā)展的科技成果,LIGO網(wǎng)站(https://www.ligo.caltech.edu)的創(chuàng)立為大眾了解天文學(xué)前沿提供了路徑，對我國中學(xué)物理教學(xué)有積極的意義。

LIGO網(wǎng)站分為以下7大板塊:(1) 任務(wù)板塊：簡述LIGO探測器探測任務(wù)及其探測意義。(2) 知識擴展板塊：引力波基礎(chǔ)及其探測器關(guān)鍵技術(shù)等。(3) 新聞板塊：與引力波探測相關(guān)的最新動態(tài)。(4) 畫廊板塊：引力波及其探測的圖片、視頻等。(5) 教育資源板塊：與美國國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)密切聯(lián)系、涉及LIGO探測的課堂教學(xué)和家庭活動的建議。(6) 科學(xué)家板塊：展示相關(guān)研究項目與成果。(7) 學(xué)習(xí)和工作板塊：提供在LIGO相關(guān)設(shè)施工作與學(xué)習(xí)的信息。LIGO網(wǎng)站資源,具有如下特點。

(1) 網(wǎng)站資源具有原創(chuàng)性、前沿性、科學(xué)性

LIGO網(wǎng)站的資源來源于LIGO天文觀測臺,對公眾開放的數(shù)據(jù)、資料都會在網(wǎng)站上呈現(xiàn)出來,而這些可以說是讀者獲得LIGO相關(guān)信息的第一手資料,探測和分析引力波攜帶的信息將使人類能夠以前所未有的方式觀察宇宙,它將為宇宙研究打開一扇新的窗口,讓人類更深入地了解這些宇宙中的大事件,并引領(lǐng)物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的前沿研究。從LIGO發(fā)展中可以看出引力波探測技術(shù)發(fā)展的艱辛,從LIGO團隊借助奇思妙想攻克技術(shù)難關(guān)中可以發(fā)現(xiàn)科學(xué)方法的魅力,從工作人員獲得各項獎項的介紹中不難看出LIGO團隊的自豪與喜悅,這些不僅僅是LIGO本身的發(fā)展歷史,更是人類科學(xué)探究的縮影。

(2) 呈現(xiàn)方式具有多樣性、直觀性、真實性

LIGO網(wǎng)站的受眾是各個年齡層次、不同行業(yè)的人群,其初衷是要向大眾普及科學(xué)知識和前沿技術(shù),而科學(xué)知識和前沿技術(shù)本身是難以不經(jīng)“加工”直接普及給大眾的。面對這樣的矛盾,LIGO網(wǎng)站選擇將晦澀難懂的科學(xué)知識和前沿技術(shù)以不同的方式呈現(xiàn)給大眾,有文字、圖片、音頻、視頻等形式,如此豐富的表征形式大大增加了讀者對高新技術(shù)的理解程度。為了降低讀懂其內(nèi)容的門檻,LIGO網(wǎng)站在呈現(xiàn)科學(xué)知識或前沿技術(shù)時舍棄高深的專業(yè)術(shù)語而選用通俗易懂的大白話,將其發(fā)展歷史和演變過程簡化后呈現(xiàn)給讀者。鑒于引力波的抽象性，LIGO網(wǎng)站制作了引力波的動畫模型,將引力波動態(tài)地展現(xiàn)在讀者眼前,此外還將引力波信號的聲音呈現(xiàn)出來,通過這些方式,使得原本看不到、聽不到的引力波既能聽得到又能看得到。另外，LIGO網(wǎng)站上有很多天文觀測平臺真實的工作、設(shè)施場景照片,這種真實場景的呈現(xiàn)揭開了前沿科學(xué)神秘的面紗,拉近了普通大眾與前沿科學(xué)之間的距離。

(3) 網(wǎng)站重視教育資源開發(fā)

LIGO網(wǎng)站專門開設(shè)了教育資源板塊和科學(xué)家板塊,面向全世界的教師、科學(xué)家、學(xué)生免費開放。網(wǎng)站利用其獨有條件整合引力波探測的高新技術(shù)與物理課程，設(shè)計出一系列物理課堂活動,對中學(xué)教師具有很高的借鑒價值,LIGO網(wǎng)站公開引力波探測的原始數(shù)據(jù),并且提供分析數(shù)據(jù)的教程與軟件。教師與學(xué)生可以借助這些資源學(xué)習(xí)引力波的相關(guān)知識,科學(xué)家也可以研究這些數(shù)據(jù)致力于推動科學(xué)與技術(shù)的進步。

3 LIGO網(wǎng)站資源在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

在對LIGO網(wǎng)站各板塊的內(nèi)容、特點進行分析之后,通過對LIGO網(wǎng)站的再解讀,從而得到一些啟發(fā)。

(1) 信息時代應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力

現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達,無論是教師還是學(xué)生都可以接觸到豐富的信息資源,但是不可能把所有資源都運用到物理教學(xué)中,那么搜集與處理信息能力的發(fā)展就顯得尤為重要。學(xué)生想要在紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界中甄選出系統(tǒng)的科學(xué)知識常常會面臨很多困難,比如部分網(wǎng)絡(luò)資源需要收費，很多資源學(xué)生從未接觸過也就不會去搜索，有些外文的網(wǎng)絡(luò)資源因為語言障礙學(xué)生使用起來難度很大。目前引力波探測為科學(xué)熱點,因獲得諾貝爾物理學(xué)獎的垂青而具有一定的社會影響力,所以有其獨特的教育意義?？梢岳肔IGO網(wǎng)站的資源設(shè)計符合我國物理教學(xué)實際的教學(xué)活動,并且安排到教學(xué)中去,讓學(xué)生切身體驗科學(xué)探究的過程,在學(xué)習(xí)系統(tǒng)科學(xué)知識的同時啟發(fā)學(xué)生關(guān)注最新科學(xué)動態(tài),開闊學(xué)生視野。

在LIGO網(wǎng)站中會有準(zhǔn)確可靠的描述，選擇可信度高的網(wǎng)絡(luò)資源,開發(fā)資源的物理教學(xué)價值,教師有選擇地把這些資源設(shè)計成可行的教學(xué)活動,通過教學(xué)活動使師生共同成長,獲得更為深入的感悟。

(2) 大科學(xué)時代的中學(xué)物理教學(xué)要凸顯合作學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

大科學(xué)起源于1942年6月的“曼哈頓工程”,其被稱為“大科學(xué)工程”或“大科學(xué)項目”。1961年溫伯格在《Science》上發(fā)表文章,首次提出大科學(xué)的概念，大科學(xué)是指投資巨大、研究目標(biāo)宏大、實驗設(shè)備昂貴復(fù)雜、多學(xué)科交叉的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究項目。LIGO是加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合項目,從1979年起得到美國國家科學(xué)基金會(NSF)支持,1994到1995年在相距3000多千米的路易斯安那州和華盛頓州,各建立一座引力波觀測站,一期項目投資額達到2.92億美元。從2002年一期LIGO開始工作,美國國家科學(xué)基金會每年投入3千3百多萬美元用于觀測站的運行和二期項目的研究，所以LIGO項目也被稱為世紀之交最昂貴的單項物理實驗。

LIGO除了投入的資金巨大之外,國際分工合作是其另一大特點。1997年LIGO開始組建科學(xué)合作組織,來自18個國家900多名科學(xué)家加入該組織,這些工作人員分成二三十個工作小組,分別負責(zé)設(shè)計、建造、調(diào)試實驗裝置、分析數(shù)據(jù),任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響LIGO工程的進度甚至成敗,除此之外LIGO和英國德國的GEO600、法國的Virgo、日本的KAGRA都有合作,讓LIGO能夠獲得更多經(jīng)驗與信息資源,從而快速達成目標(biāo)。不難看出,LIGO的成功與獲得其他組織的投資和廣泛的內(nèi)外合作有著莫大的關(guān)系。

在課程改革中我們一直提倡培養(yǎng)學(xué)生的合作能力,但是師生的合作意識并不強烈,教師更重視合作學(xué)習(xí)的形式、忽視合作學(xué)習(xí)的實質(zhì),學(xué)生更注重同學(xué)之間的競爭關(guān)系而忽視合作關(guān)系。大科學(xué)時代的物理教學(xué)有必要培養(yǎng)學(xué)生的合作精神,利用相關(guān)資源向?qū)W生展示大科學(xué)時代合作的重要性,逐步增強學(xué)生合作學(xué)習(xí)的意識,培養(yǎng)其合作學(xué)習(xí)能力。

(3) 物理教學(xué)應(yīng)重視工匠精神教育

從遙遠宇宙深處到達地球的引力波非常微弱,LIGO能夠分辨出如此微小的變化可見其靈敏程度極高。從LIGO的激光源、超高真空、光學(xué)器件就可以看出這一工程除了是一項大科學(xué)工程外,也是一項十分精細的科學(xué)。比如LIGO的激光源,從一開始的4W功率經(jīng)過一系列復(fù)雜的放大變?yōu)楣ぷ髦袑嶋H使用的200W，探測器光學(xué)鏡像技術(shù)也是最精細的,此外LIGO還擁有令人嘆為觀止的超高真空系統(tǒng)。每臺LIGO有兩條長4km的干涉臂,內(nèi)部容積約為10000m3,其內(nèi)部氣體強力僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣強力的一億分之一。

在物理教學(xué)中滲透工匠精神的教育,營造良好的環(huán)境,通過合理的教學(xué)設(shè)計,讓學(xué)生感受LIGO工作團隊中科學(xué)家的創(chuàng)新精神、嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度等令人欽佩的工匠精神,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí),自主搜尋科學(xué)前沿的真實數(shù)據(jù)、技術(shù)、方法,理解并運用到平時的學(xué)習(xí)和生活中。物理教學(xué)中融入工匠精神教育,能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度、對技藝精益求精的品質(zhì),而這些都有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。