現(xiàn)代物理知識(shí)滲透高中物理教學(xué)
——以引力波內(nèi)容為例

周嘉豪 韋正航

(1.浙江省寧波科學(xué)中學(xué) 315336；2.浙江師范大學(xué)教師教育學(xué)院 321004)

高中物理教學(xué)階段學(xué)生主要以學(xué)習(xí)經(jīng)典物理、構(gòu)建經(jīng)典物理體系為主.引力波相關(guān)內(nèi)容作為現(xiàn)代物理的一部分具有物理理論抽象、數(shù)學(xué)推理繁瑣、實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，但同時(shí)又遵循現(xiàn)代物理的基本教學(xué)規(guī)律.本文將結(jié)合現(xiàn)代物理的基本教學(xué)規(guī)律，在高中物理階段嘗試以滲透的方式教學(xué)引力波.

一、從四個(gè)維度淺看滲透引力波的意義

1.從物理觀念上看

在新課標(biāo)中我們已不難發(fā)現(xiàn)諸如“宇宙大爆炸理論模型”、“電子衍射實(shí)驗(yàn)”、“引力波”等現(xiàn)代物理前沿的標(biāo)簽.這些現(xiàn)代物理的觀念能讓學(xué)生更深刻地認(rèn)識(shí)物理本質(zhì)，對(duì)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量有更準(zhǔn)確的觀念.就拿“引力波”來(lái)說(shuō)，它實(shí)際上是對(duì)“萬(wàn)有引力”這個(gè)相互作用的升華，可以與“機(jī)械波”、“電磁波”這兩種波的物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律、能量等方面進(jìn)行類比，幫助學(xué)生形成科學(xué)的世界觀.

2.從科學(xué)思維上看

在高中物理階段，學(xué)生會(huì)接觸到許多抽象的物理模型，如“質(zhì)點(diǎn)”、“磁場(chǎng)”等.在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生自主探究“引力場(chǎng)”、建立“引力波模型”，學(xué)生可根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)合理推測(cè)引力波可能具有的一些性質(zhì).在此過(guò)程中，學(xué)生還能夠再一次體會(huì)到放大法、圖像法、逆向思維法等物理方法的運(yùn)用.

3.從科學(xué)探究上看

縱觀引力波的發(fā)展史，數(shù)代科學(xué)家對(duì)引力波問(wèn)題的深入探究，不但可以讓學(xué)生經(jīng)歷引力波的科學(xué)探究過(guò)程，還能讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)家身上獨(dú)立思考、挑戰(zhàn)權(quán)威、敢于創(chuàng)新、堅(jiān)忍不拔的科學(xué)精神，是進(jìn)行物理科學(xué)探究認(rèn)識(shí)的生動(dòng)素材.

4.從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上看

在引力波相關(guān)內(nèi)容的滲透過(guò)程中，一定會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題是教師無(wú)法解答的.這些問(wèn)題可能是引力波理論本身遺留的問(wèn)題，也可能是在研究引力波時(shí)又出現(xiàn)的新問(wèn)題.教師雖然一時(shí)無(wú)法給學(xué)生解答，但能夠給學(xué)生指出未來(lái)引力波研究的方向和關(guān)鍵性的技術(shù)難題，讓其感受到物理學(xué)中還有許多問(wèn)題亟待解決.如此潛移默化地培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)物理學(xué)研究的興趣，能幫助學(xué)生樹(shù)立以科學(xué)探究為己任的正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任意識(shí).

二、剖析引力波內(nèi)容嘗試滲透到物理課程

現(xiàn)有的高中物理課程包括必修課程、選擇性必修課程、選修課程、校本課程.在必修課程中，滲透引力波以培養(yǎng)學(xué)生對(duì)引力波天文學(xué)的好奇心與求知欲為主.到了選擇性必修課程，學(xué)生初具基本的分析問(wèn)題能力，能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析物理現(xiàn)象.至于選修課程和校本課程，這兩種課程上課的內(nèi)容彈性很大，上課的學(xué)生大多是對(duì)物理感興趣的.教師甚至可以專門開(kāi)設(shè)一門引力波的課程，系統(tǒng)地介紹引力波的假設(shè)提出、產(chǎn)生與探測(cè)過(guò)程、應(yīng)用價(jià)值等各個(gè)方面的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生以探究引力波為己任的科學(xué)態(tài)度.根據(jù)這四種不同課程的性質(zhì)和教學(xué)目標(biāo)，以及引力波不同的內(nèi)容特點(diǎn)，可以采取以下一種或多種滲透方式：

1.話題滲透：在物理課堂中涉及有關(guān)引力波的話題.在現(xiàn)有的知識(shí)體系中找到與引力波相關(guān)聯(lián)的“鑰匙”，打開(kāi)引力波的“大門”，在課堂中主動(dòng)建設(shè)引力波的情境，話題滲透對(duì)學(xué)生的物理水平要求不高，只要學(xué)生感興趣，可以在高中教學(xué)中的任何一節(jié)課滲透引力波的內(nèi)容.

2.探究意識(shí)滲透：讓學(xué)生體驗(yàn)引力波的探究過(guò)程，包括提出問(wèn)題、作出假設(shè)、制定計(jì)劃、實(shí)施計(jì)劃、得出結(jié)論、表達(dá)和交流.在體驗(yàn)科學(xué)探究過(guò)程中，讓學(xué)生感受到科學(xué)家們做研究時(shí)敢于創(chuàng)新，敢于向傳統(tǒng)挑的科研精神.這種滲透往往是通過(guò)與教材中的某些物理學(xué)家的探究過(guò)程類比，啟發(fā)學(xué)生如何將所熟悉的探究步驟應(yīng)用到引力波的研究中，降低引力波內(nèi)容的神秘感.

3.物理方法滲透：教師通過(guò)剖析引力波探究過(guò)程中運(yùn)用到的物理方法(如：放大法、逆向思維法、圖象法、假設(shè)法等)，幫助學(xué)生模擬引力波探究的過(guò)程，從而鞏固常用的物理方法.物理方法的滲透首先需要學(xué)生掌握已學(xué)過(guò)的物理方法，再由教師將引力波探究過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化并提煉出其中用到的物理方法講授給學(xué)生聽(tīng).這個(gè)過(guò)程對(duì)學(xué)生和教師的要求都比較高.

4.知識(shí)滲透：教師結(jié)合實(shí)際的教學(xué)進(jìn)度，在合適的時(shí)候向?qū)W生傳授引力波的知識(shí).引力波知識(shí)屬于現(xiàn)代物理知識(shí)范疇，具有抽象性、復(fù)雜性等現(xiàn)代物理知識(shí)的特點(diǎn).學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)需要有足夠的物理基礎(chǔ)，不是一蹴而就的，需要多次、量少、反復(fù)地學(xué)習(xí).

在必修階段有必要向?qū)W生科學(xué)地建立引力波的概念，但由于學(xué)生掌握的知識(shí)有限，教師無(wú)法過(guò)多地闡述原理性的知識(shí).因此，采用一些科學(xué)性較強(qiáng)的視頻，以話題探討的形式刺激學(xué)生的好奇心，辨別社會(huì)上一些不正確的言論，并且能夠推動(dòng)學(xué)生自主地向前求索答案.

綜上所述，本文主要闡述了將引力波的假設(shè)提出、產(chǎn)生、探測(cè)、應(yīng)用價(jià)值及性質(zhì)五個(gè)方面的內(nèi)容通過(guò)話題滲

透、探究意識(shí)滲透、物理方法滲透、知識(shí)滲透四種不同的滲透方式滲透到高中物理必修課程、選擇性必修課程、選修課程、校本課程四種不同的課程中.其中主要的滲透關(guān)系歸納如圖1.

總之，將現(xiàn)代物理知識(shí)滲透到高中教學(xué)中還需要更多的教學(xué)創(chuàng)新、更為有效的評(píng)價(jià)方式、更具物理素養(yǎng)的教師、更多的課時(shí)以及更先進(jìn)的教學(xué)設(shè)施，任重而道遠(yuǎn).本文只是以引力波為例做了一些嘗試性工作，給后面的研究者一些靈感，后續(xù)還需要廣大的物理教育研究者和物理教師們不斷探索.