基于问题情境式教法的相对论教学设计

    周鸣宇 刘存海 李慧

    摘? 要 通过对相对论教学章节的分析和讨论，根据其特点和难点进行教学设计，包括教学内容、教学策略选择等五个方面，主要采取问题情境式教学法，整个课堂的问题设计遵循循序渐进的原则。

    关键词 相对论;问题情境式教法;大学物理;实验

    中图分类号：G642? ? 文献标识码：B

    文章编号：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

    适用于高速运动的相对论是近代物理的两大理论支柱之一。狭义相对论不仅正确地说明了电磁现象，而且涵盖了力学中的各个现象。狭义相对论还是研究高能物理和微观粒子的基础。同时，“相对论”这一章在整个大学物理中属于教学难点比较集中的部分，因为根据日常经验，学员往往习惯于站在宏观、低速的立场上看待微观和高速领域的问题，并且相对论所预言的物理现象与日常生活中见到的现象相悖，在接近高速的情况下又很难在课堂上通过实验现象展现出来，因此，学员大都很难接受狭义相对论阐述的新时空观念。这是一种普遍现象，也是学习近代物理新知识的根本障碍。

    本文经过对教学任务的分析，围绕课程教学目标，选用物理学史为线索的问题式教学方法，通过六个环环相扣的问题，把经典时空观与相对论时空观的冲突摆在学员面前，将学员置于一系列动态的问题情境中，使学员学有方向、有的放矢，促使学员积极探索、发现、接受新的时空观念。

    2 本章在课程中的定位

    时至今日，相对论已成为原子能科学、宇宙航行和天文学的理论基础，得到理论科学和应用科学的广泛应用。“相对论”这一章包括经典力学的绝对时空观、狭义相对论基本原理以及洛伦兹坐标变换式、狭义相对论的时空观、相对论性动量和能量等五大部分内容[1]。其中狭义相对论的基本原理非常简明，但是意义深远，是整个狭义相对论的基础，利用它能够很好地理解狭义相对论的时空观，因此，它不仅在狭义相对论中，而且在整个大学物理中都占有非常重要的位置。在两条基本原理的基础上，导出的洛仑兹变换是两条原理的必然结果，也是利用狭义相对论处理问题的核心。切实理解狭义相对论的时空观以及质量和能量的关系，能帮助学员对狭义相对论建立起初步正确的认识。在物理学课程标准中把本章知识列为熟悉并掌握的内容，计划六学时完成。

    3 教学目标

    知识与能力? 通过了解狭义相对论基本观念的形成过程，从发展整体上接受、理解狭义相对论的新观念、新概念和研究方法;学会用洛伦兹变换分析、计算简单的相对论问题;理解狭义相对论中同时的相对性，时间相对性、空间相对的概念，掌握简单的分析应用;能归纳出狭义相对论时空观与绝对时空观的差异，建立科学的时空观;能领会狭义相对论质量、动量、能力的概念，并利用狭义相对论质速关系、质能关系、动量与能量的关系解决简单的动力学问题。

    过程与方法? 简单介绍力学相对性原理、伽利略变换和牛顿绝对时空观，通过迈克尔逊—莫雷实验的零结果以及思想实验、天文实例等事例的举例，从这些历史背景中环环相扣地导出几个问题，分析这些问题，让学员找出矛盾来说明伽利略变换和牛顿绝对时空观与新实验事实之间的尖锐矛盾，从而引出狭义相对论的时空观诠释。过程中注意穿插物理学史，与旧理论对照，可以加强学员对新时空观念的理解。在授课中以创设的六个问题为主线，让学員带着问题学、带着问题听，从而达到启发学员思维、激发学习兴趣的目的。以一个生活中实例（北宋时期超新星爆发）、一个双生子佯谬问题、一个假想性实验（爱因斯坦火车）为载体[2]，培养学员观察、分析、归纳的能力，使学员逐步建立起狭义相对论时空观念。

    4 教学策略的选择

    教学内容优化? 本章需要课堂讲授的内容共有五节：伽利略变化式，经典力学的绝对时空观;迈克尔逊—莫雷实验否定绝对参考系的存在;狭义相对论的基本原理，洛伦兹变换式;狭义相对论的时空观;相对论性动量和能量。其中狭义相对论基本原理和狭义相对论时空观是本章的重点知识。

    按照上述教学思想，由于前期学员已经学习大量牛顿力学的知识，并且日常生活中的各种现象也体现出牛顿的绝对时空观和伽利略变换式的正确性，因此，笔者用素质教育的理念审视、选择和组织教学内容，通过课堂教学，努力实现应用知识和探求未知的并重并实施素质教育。具体思路如下。

    1）适当压缩经典物理中牛顿绝对时空观的知识，用于增加近代物理学尤其是电磁学后人们遇到的各种经典时空观无法解释的实验现象和实例。

    2）调整部分内容的知识结构，提高教学效率，用于增加科学方法和思维能力及素质教育内容，包括加入爱因斯坦火车实验、双生子佯谬假想、引力波与黑洞等。

    3）突出重要的科学研究方法、创造性思维能力的介绍，在章节的最后，和学员一起归纳相对论时空观的建立过程，让学员体会简单性原理是爱因斯坦创立相对论所坚持的最基本的原则之一。

    在素质教育方面，以创新精神为核心，兼顾科学思想、科学道德、审美情趣、唯物辩证法等科学素质和人文素质。这样，本章内容就达到把爱因斯坦相对性原理、狭义相对论新时空观念（同时的相对性）两个内容作为重点凸显出来。

    教学方法选择? 按以往的教学经验，学员往往习惯于站在宏观、低速的立场上看待微观和高速领域的问题。同时因为无法用生活经验验证光速不变原理，所以对该原理的正确性容易持怀疑态度，不容易接受和理解同时的相对性、动棒缩短与动钟变慢的物理现象[3]。这是一种普遍情况，也是学习近代物理新知识的根本障碍，因此，如何由经典力学的时空观过渡到狭义相对论时空观，爱因斯坦狭义相对论的两条基本原理的理解，就是整章的难点问题。为了破解难点，采用目标导学法中的问题情境式教学方法，通过问题把经典的时空观与相对论时空观的冲突展现在学员面前，将学员置于一个动态的问题情境中，明确学习目标，使学员学有方向，有的放矢，促使学员积极探索、发现。学员通过思考、回答、推理一个一个关联的问题，完成狭义相对论时空观的知识建构。

    课堂采用以问题情境式为主、穿插物理学史讲授的教学模式，以提高学员的应用能力、创新能力和综合素质为目标。本章由六个环环相扣的问题展开教学目标的学习，这些问题的提出是有一个整体性的设计的，它们紧扣教材内容，围绕章节学习目标，把问题聚焦到狭义相对论基本原理以及新的时空观这个教学重难点问题上，采用引导、启发、研究、讨论、问题驱动等生动有效的形式开展教学，通过目标导学方法达到突破难点的目的，使学员完成建立猜想—分析—推理—归纳—应用这一学习流程。在推导过程中，采用定量分析定性归纳法，严密的理论推导能使学员获得必要的理性认识，成功的问题设置和解决的思维推理过程，能使学员获得丰富正确的感性认识，便于学员正确深入理解狭义相对论产生的背景和原理的内涵，说明狭义相对论时空观与经典时空观的矛盾统一，从而达到突破难点的目的。

    教学资源运用? 在教学手段上，采用多媒体和板书相结合的形式，全方位、多角度地阐述教学内容。制作和完善包括动画演示、视频在内的多媒体课件，揭示物理思想的内涵，使物理思想更为形象、直观，提高学员的学习兴趣和求知欲。课上提出一些开放式问题，让学员线上线下查找资料，下一次课就自己的理解进行讨论，提高学员的课堂参与度，普及当前科技中涉及相对论的科普知识。

    教学流程

    1）问题驱动，铺垫导入。两个不同的惯性参考系时空坐标有什么关系？通过一个动画，让学员归纳出牛顿时空观以及牛顿绝对时空观下的时空坐标关系，结合日常生活中的体验，调动他们学习的积极性。通过回答问题，总结牛顿绝对时空观、伽利略变换、力学相对性原理。

    2）情境营造，以疑导学。对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗？列举两个实例：迈克尔逊实验的零结果、超新星爆发。学员通过思考、教员启发，讨论得到一个结论：绝对时空观念已经不再适用于电磁学规律，的确需要有新的理论来解释电磁现象所带来的问题。这个过程中穿插物理学史的讲授，使学员体验到新的科学理论诞生需要探索精神、创造性思维能力和独立思考能力。

    3）探索求证，全面议疑。面对Maxwell电磁理论与伽利略变换的不相容，你倾向于下列哪个观点呢？这个问题由于有一定的难度，学员心理呈现出愤悱状态，即很想弄懂又无法弄懂，很想说清又无法说清的状态，因此需要引导和启发学员思维，给出三个答案选项：力学满足相对性原理是偶然的，相对性原理不是普遍原理;电磁学理论不正确，必须加以修正，使其符合力学相对性原理;力学相对性原理值得推广，电磁学规律是正确的，修正的应是伽利略变换式。

    4）充分解疑，总体升华。伽利略变换式与狭义相对论的基本原理相矛盾，那么，满足狭义相对论基本原理的新变换是什么呢？强调通过此变换式得到两个结论：光速是自然界物质运动的极限速度;时间和位置变换相互交叉，空间、时间不独立。应用科学家曾经的错误结论“中微子超光速現象”的新闻视频，使学员体会科学质疑批判的精神。

    5）反馈调查，再生新疑。建立狭义的突破口是同时的相对性，在相对论的时空观中，同时的相对性占有重要地位。根据爱因斯坦火车的理想实验，说明同时的相对性，引导学员比较经典力学中同时的绝对性观念和相对论的同时的相对性观念产生的原因。在学员理解了时间膨胀效应后，再引出两个问题：双生子佯谬问题和火车过山洞问题。为学员介绍一种科学研究方法——佯谬。佯谬是物理学发展的直接动因之一，鼓励学员课下找出佯谬推动物理学发展的实例，从而让学员理解这种科研方法的作用与意义。

    6）根据新知，引申讨论。相对论中时间和长度与运动密切相关，在相对论中，质量是否也和运动密切相关？通过设问，展现冲突，激发兴趣，引导学员用已有的相对论知识分析问题，通过充分的讨论使学员构建新的认知，包括相对论质能关系、相对论的应用，展示海尔—波普彗星照片。为学员介绍可以称为21世纪理论物理学的“一朵乌云”的暗物质和暗能量，从而引出“简单性原理”这一科学研究的原则，加强学员的科学素养[4]。

    教学评价? 通过课上小组和集体讨论来推动学员学习思路的形成，使他们接受狭义相对论的时空观念。每次课都可以提出一些在新的时空观念下的假想性问题，让学员进行课下思考，下次课上进行讨论，这样对学员理解概念和思想具有非常大的帮助。在章节的最后，提出狭义相对论也是有条件限制的，即在惯性系下提出的;基于这个基础，爱因斯坦进行了扩展，在非惯性系下，物理定律将如何呢？让学员通过课下搜集广义相对论的理论预见、被证实的一些实例，如引力场弯曲、水星近地点的旋进、引力波与黑洞等这些热门话题，提高课堂参与度以及对近代理论物理学的兴趣。

    5 结语

    “善之本在教，教之本在师。”（《李觏集·广潜书》）通过梳理分析，笔者设定“相对论”这一章由六个环环相扣的问题展开教学目标的学习。这些问题的提出是有一个整体性的设计的，它们紧扣教材内容，围绕章节学习目标，把问题聚焦到狭义相对论基本原理以及新的时空观这个教学重难点问题上，采用引导、启发、研究、讨论，用问题驱动这一生动有效的形式开展教学，使学生完成建立猜想—分析—推理—归纳—应用这一学习流程。“相对论”这一章的目的就是构造出基于问题情境式教法的理想化的高效课堂。

    参考文献

    [1]东南大学等七所工科院校.物理学[M].6版.北京：高等教育出版社，2016.

    [2]程守洙，江之水.普通物理学[M].北京：高等教育出版社，1997.

    [3]韩仙华，蒋敏，王晓，等.大学物理教学设计[M].北京：国防工业出版社，2006.

    [4]徐英俊.教学设计[M].北京：教育科学出版社，2001.