高中物理新课程中相对论的教学研究

2013-01-12黄皓

物理通报 2013年2期

关键词：普通高中课程标准高中物理

黄皓

(南京师范大学江苏南京 210043) (无锡市第一女子中学江苏无锡 214002)

1 研究的背景

1.1 关于相对论

相对论对于现代物理学的发展和现代人类思想的发展都有巨大的影响.目前，即便是大学理论物理专业，狭义相对论的教学才刚有了一些不成熟的模式，广义相对论的教学仍处在探索过程中.

1.2 《新课程标准》的要求

我国新一轮课程改革适当加大了近、现代物理学知识的比重，新增内容的教学要求虽然不高，却有助于弥补我国高中物理教学长期存在的不足.

对于要报考大学理工科的学生，必须选修模块3；其中选修3-4部分，要求学生学习关于相对论的初步知识.

早在1985年，查有梁先生就提出：对于相对论的基本原理，只要在教学内容和方法上有所突破，正如牛顿力学一样，也可能较系统地教懂中学生.定性地了解相对论的思想，对于中学生来说，无论是对物理学兴趣的提高还是对物理学本质的认识都会产生深远的影响.

内容上的突破必然要求方法上的革新，因而需要多层次的开展相对论的教学研究.

2 国内关于相对论教学的研究现状及趋势

关于相对论的教学在各个水平上都是很难的.教学实践中，高中教师最困惑的问题是，学生能在不熟悉高等数学的基础上理解相对论的思想吗？

下面针对相关问题介绍西方主要发达国家及我国高中的相关教学研究工作.

2.1 国外高中相对论的教学

相对论在美国中学中的普及教育相对来说比其他国家都要早.然而，在美国所有科学课程中，选修物理和天文学的学生比率却很低，只有少数学校的部分高中生选择这些课程.即使这样，早在1998年，据梁树森先生引证，美国近年来常用的14本高中物理教材中，就有8本讲了较多的狭义相对论内容[13].

其他西方主要发达国家大体如此.总之，在高中阶段选修相对论的学生比率较低，且以学习狭义相对论为主.

2.2 国内高中相对论的教学

对于相对论的教学，我国与西方主要发达国家几乎处在同一起跑线上.

1996年公布的《全日制普通高级中学物理教学大纲(供试验用)》，在必修和选修物理课中，首次将“相对论”列为选学内容.2003年公布的《普通高中物理课程标准(实验)》，首次对相对论的教学提出明确要求.具体教学内容集中在选修3-4中，必修2对相对论也有所涉及.此后，5个版本的实验教材均根据《普通高中物理课程标准(实验)》编写了相关内容.

普通高中课程标准实验教科书物理教材(选修3-4)有关相对论内容三维目标介绍.详见表1.

表1 关于相对论三维目标介绍

普通高中课程标准实验教科书物理教材(选修3-4)有关相对论内容分配介绍.详见表2.

新课程实验教材根据课程标准的要求围绕狭义相对论和广义相对论(选学)两个主题展开了讨论，涉及到相对论的12个具体知识点.各版教科书的教学内容广而浅，对于知识点的呈现次序略有变化.相对而言，沪科教版和司南版比较有特色.

沪科教版在知识内容的安排上，是按照狭义相对论的发展体系，从电磁理论的缺陷，引出狭义相对论的两个基本原理.沪科教版教材中直接给出了洛伦兹变换的公式，并用它进一步推导其他公式.教材中有丰富的图表资料.

笔者认为，相对而言沪科教版的知识结构比较完整.

司南版是从向学生讲述“双生子佯谬”开始，再以寻找以太-迈克尔孙实验为分水岭逐次讲解各个教学内容.教材只涉及一个实验，即迈克尔孙实验.司南版教材特别注重引发学生兴趣.笔者认为，相对而言，司南版的可读性最好.

表2 关于相对论内容分配介绍

3 国内学者对高中定性相对论教学的探索

相对论已成为高中物理选修内容，了解相对论的理论框架、基本概念成为高中物理教师所无法回避的课题.

因此，国内许多学者开始进行关于高中定性相对论教学的探索.

文献[9]用完全非弹性碰撞的思想实验推导了相对论质量公式，推导过程对于有一定数学基础的学生极为简单.

文献[10]运用狭义相对论的基本原理，定量分析了对相对运动物体的长度测量和长度观察的区别，总结出观察有相对运动的物体在运动方向上的长度的一般规律.推导过程不涉及复杂的高等数学计算.

文献[20]对第一批进入高中新课程改革实验区的海南省、山东省以及广东省部分高中学校高三教师和学生进行了调查研究，了解教师和学生在进行量子论和相对论内容教学和学习的实际情况.

文献[21]从课程目标及课程内容、学生心理发展水平、教师培训3个方面进行狭义相对论高中教学研究.研究结论是,狭义相对论课程对教师提出了很高的要求,中学教师能胜任狭义相对论教学的比例很低.

文献[12]在略高于中学生的认知水平的基础上用定量的方法推导出了狭义相对论的长度收缩效应公式和相对论质量公式.

文献[15]归纳总结了误解狭义相对论的主要论点，探究了人们对洛伦兹变换产生误解的根源，指出对相对论提出的批判或者改进意见,实质上是对相对论的误解.

文献[16]指出为了消除 “在相对论中,一切都是相对的”这一错误认识，建议从以下3个方面进行教学：

(1)从总体上把握狭义相对论的本质；

(2)具体揭示狭义相对论中蕴含的辩证关系；

(3)注重科学思维方法的渗透.

文献[19]建议，从学生的实际出发，设计“三重”探究，即“学史”探究、“实验”探究、“应用”探究；让学生从“绝对时空观”的前概念中构建起新的相对论时空观，从而提高学习效果.

文献[14]指出在教学实践中，高中阶段教学只要任课教师做好讲清基本概念,把握“绝对性”与“相对性”，理顺逻辑关系三点，即使教师不进行洛伦兹变换的推导，学生也能正确理解狭义相对论的基本概念，并能运用狭义相对论的结论去解决简单问题，达到预期的教学效果.

文献[17]指出在教学实践中，应对教材重组，针对中学生进行量身改造，尽量贴近认知规律，以降低教学难度.

文献[18]介绍了在新课程标准背景下，物理教材中相对论教学的重要内容和特点以及教学过程；指出在实际教学中要注意把握好3个要点：

(1) 内容的编排如何与学生的年龄特点相适应；

(2)如何激发学生的学习兴趣；

(3)如何提高学生解决问题和创新的能力.

4 分析与总结

学者的杰出工作，初步解决了高中阶段学习相对论的数学基础这一重大问题.文献[21]研究成果，为培训一线教师，使他们能够胜任相对论的教学工作提供了可行的方案.但即便如此，在具体实施课堂教学方面，目前仍然没有现成的成功经验可以借鉴.

从近年来中学物理教学主流杂志发表的有关高中相对论教学的文章来看，总体上理论讲得较多,而给出具体实施方案的文章则比较少.通过问卷和访谈，笔者发现对一线教师来说，理论的总结有一定借鉴意义，但他们更需要教学的具体实施方案.

目前，关于高中相对论教学的课堂实施大体上有3种做法.

(1)先直接给出“洛伦玆变换”，再从“洛伦玆变换”出发推导各个公式.

从发表的文章来看，大多数高校教师都持这种想法.通过教学实践，笔者认为,这样做虽然可以保证数学上的严格性和完整性，但是却很明显地偏离了教学重点.此类教学设计与高中学生的实际水平差距较大，高中教师在授课时也容易出现各种各样的错误.

(2)认为相对论部分是纯粹的定性教学，直接给出结论即可.

大多数高中教师都是这个观点，他们的教学过程也是这样实施的.然而，物理规律总是和数学形式紧密联系的.如果完全撇开数学，就会把物理学变成一门半定量或定性的科学，就失去了物理课的特色，不能使学生受到理论素养的培养和训练，自然也就不可能具有解决有关问题的能力.笔者认为,这样的教学设计是低效设计，不能体现新课程的教育理念.

(3)既不直接给出“洛伦兹变换”，也不直接给出结论,以科学素养教育为目标来设计课程，力求自然而有逻辑地推理.

笔者通过实践，认为这样完全是可行的.在高中阶段，讲授时空的相对性时可以不涉及“洛伦兹变换”.时空相对性是光速不变原理的一个必然结论，从光速不变原理出发，通过简明推导可以对高中生进行关于时空相对性的定性、定量教学并取得良好效果.有的研究成果给一线教师提供了可行的实施方案.