基于問題情境式教法的相對論教學設計

周鳴宇 劉存海 李慧

摘? 要 通過對相對論教學章節(jié)的分析和討論，根據其特點和難點進行教學設計，包括教學內容、教學策略選擇等五個方面，主要采取問題情境式教學法，整個課堂的問題設計遵循循序漸進的原則。

關鍵詞 相對論;問題情境式教法;大學物理;實驗

中圖分類號：G642? ? 文獻標識碼：B

文章編號：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

適用于高速運動的相對論是近代物理的兩大理論支柱之一。狹義相對論不僅正確地說明了電磁現(xiàn)象，而且涵蓋了力學中的各個現(xiàn)象。狹義相對論還是研究高能物理和微觀粒子的基礎。同時，“相對論”這一章在整個大學物理中屬于教學難點比較集中的部分，因為根據日常經驗，學員往往習慣于站在宏觀、低速的立場上看待微觀和高速領域的問題，并且相對論所預言的物理現(xiàn)象與日常生活中見到的現(xiàn)象相悖，在接近高速的情況下又很難在課堂上通過實驗現(xiàn)象展現(xiàn)出來，因此，學員大都很難接受狹義相對論闡述的新時空觀念。這是一種普遍現(xiàn)象，也是學習近代物理新知識的根本障礙。

本文經過對教學任務的分析，圍繞課程教學目標，選用物理學史為線索的問題式教學方法，通過六個環(huán)環(huán)相扣的問題，把經典時空觀與相對論時空觀的沖突擺在學員面前，將學員置于一系列動態(tài)的問題情境中，使學員學有方向、有的放矢，促使學員積極探索、發(fā)現(xiàn)、接受新的時空觀念。

2 本章在課程中的定位

時至今日，相對論已成為原子能科學、宇宙航行和天文學的理論基礎，得到理論科學和應用科學的廣泛應用?！跋鄬φ摗边@一章包括經典力學的絕對時空觀、狹義相對論基本原理以及洛倫茲坐標變換式、狹義相對論的時空觀、相對論性動量和能量等五大部分內容[1]。其中狹義相對論的基本原理非常簡明，但是意義深遠，是整個狹義相對論的基礎，利用它能夠很好地理解狹義相對論的時空觀，因此，它不僅在狹義相對論中，而且在整個大學物理中都占有非常重要的位置。在兩條基本原理的基礎上，導出的洛侖茲變換是兩條原理的必然結果，也是利用狹義相對論處理問題的核心。切實理解狹義相對論的時空觀以及質量和能量的關系，能幫助學員對狹義相對論建立起初步正確的認識。在物理學課程標準中把本章知識列為熟悉并掌握的內容，計劃六學時完成。

3 教學目標

知識與能力? 通過了解狹義相對論基本觀念的形成過程，從發(fā)展整體上接受、理解狹義相對論的新觀念、新概念和研究方法;學會用洛倫茲變換分析、計算簡單的相對論問題;理解狹義相對論中同時的相對性，時間相對性、空間相對的概念，掌握簡單的分析應用;能歸納出狹義相對論時空觀與絕對時空觀的差異，建立科學的時空觀;能領會狹義相對論質量、動量、能力的概念，并利用狹義相對論質速關系、質能關系、動量與能量的關系解決簡單的動力學問題。

過程與方法? 簡單介紹力學相對性原理、伽利略變換和牛頓絕對時空觀，通過邁克爾遜—莫雷實驗的零結果以及思想實驗、天文實例等事例的舉例，從這些歷史背景中環(huán)環(huán)相扣地導出幾個問題，分析這些問題，讓學員找出矛盾來說明伽利略變換和牛頓絕對時空觀與新實驗事實之間的尖銳矛盾，從而引出狹義相對論的時空觀詮釋。過程中注意穿插物理學史，與舊理論對照，可以加強學員對新時空觀念的理解。在授課中以創(chuàng)設的六個問題為主線，讓學員帶著問題學、帶著問題聽，從而達到啟發(fā)學員思維、激發(fā)學習興趣的目的。以一個生活中實例（北宋時期超新星爆發(fā)）、一個雙生子佯謬問題、一個假想性實驗（愛因斯坦火車）為載體[2]，培養(yǎng)學員觀察、分析、歸納的能力，使學員逐步建立起狹義相對論時空觀念。

4 教學策略的選擇

教學內容優(yōu)化? 本章需要課堂講授的內容共有五節(jié)：伽利略變化式，經典力學的絕對時空觀;邁克爾遜—莫雷實驗否定絕對參考系的存在;狹義相對論的基本原理，洛倫茲變換式;狹義相對論的時空觀;相對論性動量和能量。其中狹義相對論基本原理和狹義相對論時空觀是本章的重點知識。

按照上述教學思想，由于前期學員已經學習大量牛頓力學的知識，并且日常生活中的各種現(xiàn)象也體現(xiàn)出牛頓的絕對時空觀和伽利略變換式的正確性，因此，筆者用素質教育的理念審視、選擇和組織教學內容，通過課堂教學，努力實現(xiàn)應用知識和探求未知的并重并實施素質教育。具體思路如下。

1）適當壓縮經典物理中牛頓絕對時空觀的知識，用于增加近代物理學尤其是電磁學后人們遇到的各種經典時空觀無法解釋的實驗現(xiàn)象和實例。

2）調整部分內容的知識結構，提高教學效率，用于增加科學方法和思維能力及素質教育內容，包括加入愛因斯坦火車實驗、雙生子佯謬假想、引力波與黑洞等。

3）突出重要的科學研究方法、創(chuàng)造性思維能力的介紹，在章節(jié)的最后，和學員一起歸納相對論時空觀的建立過程，讓學員體會簡單性原理是愛因斯坦創(chuàng)立相對論所堅持的最基本的原則之一。

在素質教育方面，以創(chuàng)新精神為核心，兼顧科學思想、科學道德、審美情趣、唯物辯證法等科學素質和人文素質。這樣，本章內容就達到把愛因斯坦相對性原理、狹義相對論新時空觀念（同時的相對性）兩個內容作為重點凸顯出來。

教學方法選擇? 按以往的教學經驗，學員往往習慣于站在宏觀、低速的立場上看待微觀和高速領域的問題。同時因為無法用生活經驗驗證光速不變原理，所以對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的相對性、動棒縮短與動鐘變慢的物理現(xiàn)象[3]。這是一種普遍情況，也是學習近代物理新知識的根本障礙，因此，如何由經典力學的時空觀過渡到狹義相對論時空觀，愛因斯坦狹義相對論的兩條基本原理的理解，就是整章的難點問題。為了破解難點，采用目標導學法中的問題情境式教學方法，通過問題把經典的時空觀與相對論時空觀的沖突展現(xiàn)在學員面前，將學員置于一個動態(tài)的問題情境中，明確學習目標，使學員學有方向，有的放矢，促使學員積極探索、發(fā)現(xiàn)。學員通過思考、回答、推理一個一個關聯(lián)的問題，完成狹義相對論時空觀的知識建構。

課堂采用以問題情境式為主、穿插物理學史講授的教學模式，以提高學員的應用能力、創(chuàng)新能力和綜合素質為目標。本章由六個環(huán)環(huán)相扣的問題展開教學目標的學習，這些問題的提出是有一個整體性的設計的，它們緊扣教材內容，圍繞章節(jié)學習目標，把問題聚焦到狹義相對論基本原理以及新的時空觀這個教學重難點問題上，采用引導、啟發(fā)、研究、討論、問題驅動等生動有效的形式開展教學，通過目標導學方法達到突破難點的目的，使學員完成建立猜想—分析—推理—歸納—應用這一學習流程。在推導過程中，采用定量分析定性歸納法，嚴密的理論推導能使學員獲得必要的理性認識，成功的問題設置和解決的思維推理過程，能使學員獲得豐富正確的感性認識，便于學員正確深入理解狹義相對論產生的背景和原理的內涵，說明狹義相對論時空觀與經典時空觀的矛盾統(tǒng)一，從而達到突破難點的目的。

教學資源運用? 在教學手段上，采用多媒體和板書相結合的形式，全方位、多角度地闡述教學內容。制作和完善包括動畫演示、視頻在內的多媒體課件，揭示物理思想的內涵，使物理思想更為形象、直觀，提高學員的學習興趣和求知欲。課上提出一些開放式問題，讓學員線上線下查找資料，下一次課就自己的理解進行討論，提高學員的課堂參與度，普及當前科技中涉及相對論的科普知識。

教學流程

1）問題驅動，鋪墊導入。兩個不同的慣性參考系時空坐標有什么關系？通過一個動畫，讓學員歸納出牛頓時空觀以及牛頓絕對時空觀下的時空坐標關系，結合日常生活中的體驗，調動他們學習的積極性。通過回答問題，總結牛頓絕對時空觀、伽利略變換、力學相對性原理。

2）情境營造，以疑導學。對于不同的慣性系，電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的形式是一樣的嗎？列舉兩個實例：邁克爾遜實驗的零結果、超新星爆發(fā)。學員通過思考、教員啟發(fā)，討論得到一個結論：絕對時空觀念已經不再適用于電磁學規(guī)律，的確需要有新的理論來解釋電磁現(xiàn)象所帶來的問題。這個過程中穿插物理學史的講授，使學員體驗到新的科學理論誕生需要探索精神、創(chuàng)造性思維能力和獨立思考能力。

3）探索求證，全面議疑。面對Maxwell電磁理論與伽利略變換的不相容，你傾向于下列哪個觀點呢？這個問題由于有一定的難度，學員心理呈現(xiàn)出憤悱狀態(tài)，即很想弄懂又無法弄懂，很想說清又無法說清的狀態(tài)，因此需要引導和啟發(fā)學員思維，給出三個答案選項：力學滿足相對性原理是偶然的，相對性原理不是普遍原理;電磁學理論不正確，必須加以修正，使其符合力學相對性原理;力學相對性原理值得推廣，電磁學規(guī)律是正確的，修正的應是伽利略變換式。

4）充分解疑，總體升華。伽利略變換式與狹義相對論的基本原理相矛盾，那么，滿足狹義相對論基本原理的新變換是什么呢？強調通過此變換式得到兩個結論：光速是自然界物質運動的極限速度;時間和位置變換相互交叉，空間、時間不獨立。應用科學家曾經的錯誤結論“中微子超光速現(xiàn)象”的新聞視頻，使學員體會科學質疑批判的精神。

5）反饋調查，再生新疑。建立狹義的突破口是同時的相對性，在相對論的時空觀中，同時的相對性占有重要地位。根據愛因斯坦火車的理想實驗，說明同時的相對性，引導學員比較經典力學中同時的絕對性觀念和相對論的同時的相對性觀念產生的原因。在學員理解了時間膨脹效應后，再引出兩個問題：雙生子佯謬問題和火車過山洞問題。為學員介紹一種科學研究方法——佯謬。佯謬是物理學發(fā)展的直接動因之一，鼓勵學員課下找出佯謬推動物理學發(fā)展的實例，從而讓學員理解這種科研方法的作用與意義。

6）根據新知，引申討論。相對論中時間和長度與運動密切相關，在相對論中，質量是否也和運動密切相關？通過設問，展現(xiàn)沖突，激發(fā)興趣，引導學員用已有的相對論知識分析問題，通過充分的討論使學員構建新的認知，包括相對論質能關系、相對論的應用，展示海爾—波普彗星照片。為學員介紹可以稱為21世紀理論物理學的“一朵烏云”的暗物質和暗能量，從而引出“簡單性原理”這一科學研究的原則，加強學員的科學素養(yǎng)[4]。

教學評價? 通過課上小組和集體討論來推動學員學習思路的形成，使他們接受狹義相對論的時空觀念。每次課都可以提出一些在新的時空觀念下的假想性問題，讓學員進行課下思考，下次課上進行討論，這樣對學員理解概念和思想具有非常大的幫助。在章節(jié)的最后，提出狹義相對論也是有條件限制的，即在慣性系下提出的;基于這個基礎，愛因斯坦進行了擴展，在非慣性系下，物理定律將如何呢？讓學員通過課下搜集廣義相對論的理論預見、被證實的一些實例，如引力場彎曲、水星近地點的旋進、引力波與黑洞等這些熱門話題，提高課堂參與度以及對近代理論物理學的興趣。

5 結語

“善之本在教，教之本在師。”（《李覯集·廣潛書》）通過梳理分析，筆者設定“相對論”這一章由六個環(huán)環(huán)相扣的問題展開教學目標的學習。這些問題的提出是有一個整體性的設計的，它們緊扣教材內容，圍繞章節(jié)學習目標，把問題聚焦到狹義相對論基本原理以及新的時空觀這個教學重難點問題上，采用引導、啟發(fā)、研究、討論，用問題驅動這一生動有效的形式開展教學，使學生完成建立猜想—分析—推理—歸納—應用這一學習流程?！跋鄬φ摗边@一章的目的就是構造出基于問題情境式教法的理想化的高效課堂。

參考文獻

[1]東南大學等七所工科院校.物理學[M].6版.北京：高等教育出版社，2016.

[2]程守洙，江之水.普通物理學[M].北京：高等教育出版社，1997.

[3]韓仙華，蔣敏，王曉，等.大學物理教學設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[4]徐英俊.教學設計[M].北京：教育科學出版社，2001.