喻 莉 楊植宗 段永法 周本元

(空軍預(yù)警學(xué)院基礎(chǔ)部物理教研室 湖北 武漢 430019)

大學(xué)物理是一門理論性較強(qiáng)的基礎(chǔ)課程，學(xué)生接觸到的大多數(shù)都是一些抽象的概念、原理及枯燥的符號(hào)和公式，很容易失去興趣.因此，要想提高課堂教學(xué)質(zhì)量，首先，教師應(yīng)該想辦法努力提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;其次，大學(xué)物理的教學(xué)應(yīng)該明顯地與中學(xué)物理教學(xué)有所不同，教師不僅要培養(yǎng)學(xué)生雄厚的物理知識(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)還應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)姆椒ê褪侄?，以物理知識(shí)為載體，讓學(xué)生掌握一些必備的科學(xué)研究方法，培養(yǎng)其良好的科學(xué)精神.為達(dá)到以上目的，筆者在“狹義相對(duì)論基本原理”的課堂教學(xué)中，通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情境、聯(lián)系歷史背景、回顧理想實(shí)驗(yàn)、突出科學(xué)精神等具體措施，達(dá)到了很好的教學(xué)效果.

1 創(chuàng)設(shè)物理情境

好奇是學(xué)習(xí)的動(dòng)力，興趣是最好的老師.通過(guò)創(chuàng)設(shè)物理情境，能夠很好地激發(fā)學(xué)生的求知欲望，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣.

在講解絕對(duì)時(shí)空觀時(shí)，為說(shuō)明力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中都具有相同的形式，筆者創(chuàng)設(shè)了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)情境,即如果將你和你的朋友關(guān)在一艘做勻速直線運(yùn)動(dòng)的封閉的船艙里，請(qǐng)你設(shè)計(jì)一個(gè)力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)判定船是靜止還是在運(yùn)動(dòng).將力學(xué)相對(duì)性原理這一抽象、枯燥的物理知識(shí)轉(zhuǎn)變成了一個(gè)形象、具體的物理問(wèn)題，啟發(fā)學(xué)生思考，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)興趣.

此外，為說(shuō)明光速不變?cè)?，筆者還創(chuàng)設(shè)了一種使矛盾激化，讓學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突的問(wèn)題情境,即當(dāng)對(duì)面有人迎面向你投球時(shí)，你應(yīng)該是先看到投出去前的球還是投出去后的球？根據(jù)事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生肯定會(huì)回答先看到投出去前的球.此時(shí)，進(jìn)一步讓學(xué)生思考，如果從伽利略變換出發(fā)，應(yīng)該是先看到哪個(gè)球呢？學(xué)生回答投出去后的球.結(jié)論與事實(shí)相矛盾！創(chuàng)設(shè)這一問(wèn)題情境，啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生的求知欲望.

2 融入歷史背景

物理學(xué)史作為物理科學(xué)發(fā)展的歷史，包含著許多原創(chuàng)性的科學(xué)研究方法和科學(xué)理論產(chǎn)生的背景.對(duì)物理理論，追溯它們的形成背景和過(guò)程，探尋先輩物理學(xué)家在得出最終結(jié)論前所使用的科學(xué)方法，不僅能讓學(xué)生體會(huì)科學(xué)創(chuàng)立的艱辛，同時(shí)，也有助于學(xué)生掌握重要的科學(xué)研究方法，提高學(xué)生運(yùn)用創(chuàng)造性思維的能力[1].

狹義相對(duì)論的歷史背景：(1)19世紀(jì)末，隨著麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立，人們發(fā)現(xiàn)電磁學(xué)規(guī)律在伽利略變換下不具有協(xié)變性.由電磁理論，光速應(yīng)該是一個(gè)與參考系無(wú)關(guān)的常量，這顯然與伽利略速度變換式相矛盾.(2)為解決這一矛盾，人們提出了以太假說(shuō)，假定光只有在以太中速度才為常量c，在其他慣性系中則將測(cè)出不同的速度.(3)為證明以太的存在，人們做了各種實(shí)驗(yàn)，其中最著名的就是邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，但得到了意想不到的零結(jié)果.為解釋實(shí)驗(yàn)零結(jié)果，人們還提出了拖曳說(shuō)、微粒說(shuō)、收縮說(shuō)等，它們雖然都能夠解釋邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，但卻要么與其他實(shí)驗(yàn)相矛盾，要么不能自圓其說(shuō)，所以，最終這些學(xué)說(shuō)都沒(méi)有被人們所接受.愛(ài)因斯坦正是在此歷史背景下，同時(shí)受到哲學(xué)家馬赫的影響，最終才提出了狹義相對(duì)論的兩條基本原理.

通過(guò)對(duì)相對(duì)論創(chuàng)建過(guò)程的歷史考察，讓學(xué)生深刻體會(huì)科學(xué)家探索真理過(guò)程的艱辛，認(rèn)識(shí)到科學(xué)家正是在不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和不斷解決問(wèn)題的過(guò)程中，才最終找到了事物的本質(zhì)，在這一歷史背景的講解中，科學(xué)家的工作思路和科學(xué)方法都清晰可見(jiàn).這些將有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用科學(xué)方法去創(chuàng)造性地解決問(wèn)題.

3 回顧理想實(shí)驗(yàn)

“理想實(shí)驗(yàn)”,又稱為思想實(shí)驗(yàn)、假想實(shí)驗(yàn)等.它是人們?cè)谒枷胫兴茉斓睦硐脒^(guò)程，是一種邏輯推理的思維過(guò)程和理論研究的重要方法.理想實(shí)驗(yàn)建立在真實(shí)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，是以真實(shí)實(shí)驗(yàn)的邏輯法則為依據(jù)而開(kāi)展的一種復(fù)雜的思維推理活動(dòng)，是創(chuàng)造思維的重要表現(xiàn)形式[2].理想實(shí)驗(yàn)作為一種特殊的實(shí)驗(yàn)方法，在科學(xué)研究中具有非常重要的地位和作用.

在探究愛(ài)因斯坦是如何創(chuàng)造性地提出狹義相對(duì)論的基本原理時(shí)，就著重講到了愛(ài)因斯坦16歲時(shí)對(duì)“追光悖論”這一理想實(shí)驗(yàn)的研究.實(shí)驗(yàn)是這樣的：假想一個(gè)人以光速去追趕光波，那他將會(huì)看到什么樣的景象呢？顯然，如果伽利略變換依然正確，那么， 在以光速運(yùn)動(dòng)的參考系中，觀察者將會(huì)看到自己和光的波峰和波谷一起運(yùn)動(dòng)，光的波動(dòng)現(xiàn)象將完全消失，看到的僅是類似于凝固的海浪圖樣.

然而，愛(ài)因斯坦分析認(rèn)為,根據(jù)電磁理論，凝固的“海浪”圖樣并不是麥克斯韋方程組的解，滿足麥克斯韋方程組的解，應(yīng)該總是以光速運(yùn)動(dòng)的波.所以，即便是在以光速運(yùn)動(dòng)的參考系中，所看到的一切還是應(yīng)該和在地球上靜止時(shí)所看到的一樣，按照同樣的定律進(jìn)行[3].顯然，在該理想實(shí)驗(yàn)中，就已經(jīng)包含了狹義相對(duì)論的萌芽.

通過(guò)該理想實(shí)驗(yàn)的分析和講解，讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)家從提出問(wèn)題，到構(gòu)思實(shí)驗(yàn)方案，再到邏輯思維與推理，最后得出結(jié)論的這一科學(xué)創(chuàng)新過(guò)程.同時(shí)，在物理教學(xué)中適時(shí)地引入理想實(shí)驗(yàn)，透徹地分析理想實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)、說(shuō)明的問(wèn)題等，在頭腦中再現(xiàn)理想實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行過(guò)程，可以很好地培養(yǎng)學(xué)生的想象力和邏輯思維能力.

4 突出科學(xué)精神

目前，由于受應(yīng)試教育的影響，學(xué)生只知道一味地接受、繼承舊知識(shí)，而不敢對(duì)其進(jìn)行質(zhì)疑、批判和創(chuàng)新.在本次課中，筆者希望能夠通過(guò)介紹在相對(duì)論誕生和發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)的質(zhì)疑和批判精神的重要性，從而潛移默化地引導(dǎo)學(xué)生養(yǎng)成良好的科學(xué)思維習(xí)慣.

筆者在給出狹義相對(duì)論的兩條基本原理前，先介紹，在愛(ài)因斯坦之前，洛倫茲就得出了在高速下長(zhǎng)度收縮和時(shí)間延緩的結(jié)論，而彭加勒則早在1898年就猜測(cè)到了在真空中光速不變且各向同性.應(yīng)該說(shuō)洛倫茲和彭加勒已經(jīng)走到了相對(duì)論的大門口，但卻無(wú)法擺脫絕對(duì)時(shí)空觀的束縛，最終沒(méi)有邁入相對(duì)論的門檻.相反，愛(ài)因斯坦卻從不迷信權(quán)威，他從伽利略變換與電磁理論之間的矛盾出發(fā)，對(duì)牛頓力學(xué)的絕對(duì)時(shí)空觀產(chǎn)生了質(zhì)疑，并最終拋開(kāi)了“絕對(duì)靜止”和“靜止以太”的觀點(diǎn)，創(chuàng)造性地提出了狹義相對(duì)論的兩條基本原理，引起了人類時(shí)空觀的巨大變革.通過(guò)講解，讓學(xué)生從中領(lǐng)悟質(zhì)疑、批判和創(chuàng)新的重大意義.

此外，在此次課的結(jié)尾處，筆者又進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了質(zhì)疑、批判的重要性.讓學(xué)生了解到相對(duì)論自建立至今，就一直伴隨著質(zhì)疑和批判.就連用實(shí)驗(yàn)證實(shí)“以太”不存在的邁克爾孫至死還念念不忘可愛(ài)的“以太”，認(rèn)為“相對(duì)論是個(gè)怪物”.并且愛(ài)因斯坦在1921年獲諾貝爾獎(jiǎng)也不是因?yàn)橄鄬?duì)論，因?yàn)槿藗儗?duì)相對(duì)論還存在太多的質(zhì)疑，它應(yīng)該接受嚴(yán)格的驗(yàn)證.最后，進(jìn)一步列舉在2011年9月的一則關(guān)于中微子超光速現(xiàn)象的新聞.讓學(xué)生明白，相對(duì)論正是在不斷地質(zhì)疑和批判中才得以發(fā)展.同樣，科學(xué)的發(fā)展也需要質(zhì)疑、需要批判、需要?jiǎng)?chuàng)新.用物理學(xué)中的質(zhì)疑精神和創(chuàng)新意識(shí)去喚起學(xué)生的意識(shí)情感，培養(yǎng)學(xué)生在質(zhì)疑中變革，在批判中發(fā)展，敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神.

在狹義相對(duì)論基本原理這一課中，筆者采用以上方法達(dá)到了較好的教學(xué)效果.相信這些具體的措施在大學(xué)物理其他的章節(jié)教學(xué)中也有很強(qiáng)的參考、借鑒作用.

參考文獻(xiàn)

1 張玉峰.物理學(xué)史在物理教學(xué)中的作用.安陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011(5):137～139

2 文軍.“理想實(shí)驗(yàn)”與物理教育.渭南師范學(xué)院學(xué)報(bào),2004,9(2):78～81

3 許良英,范岱年編譯.愛(ài)因斯坦文集(第一卷).北京:商務(wù)印書(shū)館,1976.24