鐘光輝

(河北師范大學(xué)物理學(xué)院 河北 石家莊 050016)

黃群飛①

(中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080)

相對(duì)論是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，代表了人類智慧最華美的結(jié)晶，也集中反映了人類的科學(xué)精神和追求，對(duì)物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠(yuǎn)的影響．相對(duì)論建立了嶄新的時(shí)空觀，極大地改變了人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)和思維方式，其基本思想對(duì)于人們認(rèn)識(shí)宏觀世界有著深遠(yuǎn)的影響，并指導(dǎo)著人類探索宇宙奧秘．

教育和科研工作者都應(yīng)該了解，在對(duì)學(xué)生進(jìn)行教育和培養(yǎng)的過程中，與淺顯的科學(xué)新聞或死記硬背的數(shù)學(xué)公式相比，科學(xué)思維的訓(xùn)練更為重要．通過相對(duì)論學(xué)習(xí)，合理提高學(xué)生的概括性認(rèn)知能力，使之理解愛因斯坦對(duì)自然、光的傳播、空間、時(shí)間和引力的觀點(diǎn)，領(lǐng)略愛因斯坦相對(duì)論的內(nèi)在美，有助于正確培養(yǎng)創(chuàng)造性科學(xué)思維方法．從思維模式和思想方法來說，通過相對(duì)論的建立，愛因斯坦提出了“原理—理論”的概念[1]．如何理解和掌握這種方法，對(duì)高中生甚至從事任何理論工作的學(xué)者來說，都是大有裨益的．

根據(jù)高中生的認(rèn)知與心理發(fā)展規(guī)律，本文擬從內(nèi)容編排、興趣激發(fā)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)等三個(gè)方面深入探討相對(duì)論教學(xué)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性科學(xué)思維的作用．

1 內(nèi)容的編排如何與學(xué)生的年齡特點(diǎn)相適應(yīng)

高中學(xué)生從14，15到17，18歲，稱為學(xué)齡晚期或青年初期[2]．青年初期個(gè)體的自覺性、獨(dú)立性有了顯著的增長(zhǎng)，達(dá)到前所未有的水平．研究表明，高中階段的學(xué)生，其認(rèn)知能力的發(fā)展程度接近于成熟，基本能夠運(yùn)用抽象的、適于形式邏輯的推理去思考問題，具備了演繹或歸納的能力，可以進(jìn)行獨(dú)立地探究活動(dòng)，能夠開展自主研究型學(xué)習(xí)．所以，在相對(duì)論內(nèi)容的選取和組織表達(dá)方式上，既可以采用邏輯演繹方式，也可以采用歸納推理方式，二者都符合高中生認(rèn)識(shí)事物和學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律．

1.1 邏輯演繹推理方式

采用邏輯演繹推理方式組織相對(duì)論內(nèi)容，基本可以按照其客觀發(fā)展分為三個(gè)大步驟．首先介紹狹義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史大背景，尤其是光速測(cè)量引起的困難．通過講述邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生理解，傳播光的介質(zhì)“以太”是不存在的，用實(shí)驗(yàn)事實(shí)揭示出經(jīng)典物理學(xué)時(shí)空觀所遇到的光行差與邁克耳遜實(shí)驗(yàn)的矛盾．這樣，學(xué)生在感性上就明確了狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).其次，在描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，需要穿插講述經(jīng)典相對(duì)性原理與電磁規(guī)律的復(fù)雜關(guān)系，進(jìn)而給出統(tǒng)一兩者所需要的兩個(gè)基本假設(shè)，即相對(duì)性原理和光速不變?cè)?最后，給出狹義相對(duì)論的主要結(jié)論——時(shí)間延緩(時(shí)鐘變慢)和長(zhǎng)度縮短，以及在兩個(gè)基本假設(shè)的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的其他一些推論．

邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)經(jīng)典時(shí)空觀形成的巨大沖擊，足以引起高中生的關(guān)注和好奇．在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生逐步深入了解相對(duì)論的產(chǎn)生和發(fā)展過程，最終使他們拋棄經(jīng)典的時(shí)空觀，接受愛因斯坦提出的狹義相對(duì)論．

用實(shí)驗(yàn)來演示相對(duì)論知識(shí)的上升和發(fā)展，可以讓學(xué)生充分體驗(yàn)知識(shí)的產(chǎn)生過程，讓他們認(rèn)識(shí)到，當(dāng)現(xiàn)有的理論不能解釋自然現(xiàn)象或與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相悖時(shí)，理論與實(shí)際的矛盾就推動(dòng)了科學(xué)向前發(fā)展．當(dāng)引力場(chǎng)存在時(shí)，二質(zhì)點(diǎn)間的引力作用在狹義相對(duì)論中是同時(shí)產(chǎn)生的，沒有傳播過程，而引力的大小，則完全取決于質(zhì)點(diǎn)間的距離．由于相對(duì)論中的“同時(shí)”和“距離”都是相對(duì)的，都會(huì)隨著觀察者所在的參考系而變化．所以，引導(dǎo)學(xué)生思考其引力場(chǎng)存在的時(shí)間問題，就可以超越狹義相對(duì)論，開始介紹廣義相對(duì)論．

1.2 歸納邏輯推理的方式

采用歸納邏輯推理的思路組織相對(duì)論內(nèi)容，則是“原理—理論”的思維模式和思想方法，有利于提高學(xué)生的歸納推理思維能力．

由于麥克斯韋方程組不滿足伽利略變換，所以麥克斯韋電磁理論與牛頓的經(jīng)典力學(xué)理論相矛盾，最突出的是真空中光速對(duì)任何參考系都不變．愛因斯坦認(rèn)識(shí)到伽利略相對(duì)性原理和麥克斯韋電磁理論都是大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)的理論，這樣導(dǎo)致的“光速不變”結(jié)論，雖然與建立在伽利略變換基礎(chǔ)上的速度疊加法則相矛盾，但理論自身也要不斷完善．所以，在同時(shí)代奧地利物理學(xué)家馬赫的思想影響下，愛因斯坦于1905年提出了狹義相對(duì)論的兩條基本假設(shè)：

(1)真空中光速對(duì)任何參考系不變；

(2)狹義相對(duì)性原理：物理學(xué)定律在所有的慣性系中具有不變的形式．

第(2)條假設(shè)原為相對(duì)性原理，提出廣義相對(duì)論后，這個(gè)相對(duì)性原理改稱狹義相對(duì)性原理．

這兩個(gè)假設(shè)得到的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)論是：時(shí)間的絕對(duì)性是值得懷疑的，對(duì)不同參考系，“同時(shí)”具有相對(duì)性．

狹義相對(duì)論的所有結(jié)論，其實(shí)都是在有著不同相對(duì)速度的慣性參考系間由兩條基本假設(shè)導(dǎo)出的．主要包括：

(1)同時(shí)的相對(duì)性;

(2)時(shí)間的延緩;

(3)長(zhǎng)度的收縮;

(4)洛倫茲變換．

這個(gè)變換最初是由洛倫茲等人為解決麥克斯韋方程組不滿足伽利略變換而提出的，它符合“相對(duì)性原理”的數(shù)學(xué)變換，但洛倫茲沒有認(rèn)識(shí)到這個(gè)變換的物理意義．

早在愛因斯坦之前，“相對(duì)性原理”就在物理學(xué)界存在，是一個(gè)檢驗(yàn)物理定律的原理．在狹義相對(duì)論確立后，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)萬有引力定律并不滿足相對(duì)性原理．為此，從1907年到1915年，他歷時(shí)8年建立了廣義相對(duì)論，其基礎(chǔ)是(強(qiáng))等效原理．由這一原理可得出關(guān)于引力的一系列推論，其數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是愛因斯坦場(chǎng)方程．

狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論都給出了一種新的時(shí)空觀，即時(shí)間和空間是不可分割的，它們是一個(gè)整體．

雖然歸納邏輯推理的講述沒有涉及到邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)，但其推理過程簡(jiǎn)潔，有利于高中學(xué)生的抽象思維和邏輯思維能力提高，也使學(xué)生像愛因斯坦一樣經(jīng)歷這一科學(xué)探究過程．

以上兩種闡述方法雖然略有不同，但都符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律和心理特點(diǎn)．只要注意組織教學(xué)內(nèi)容，使內(nèi)容的編排符合學(xué)生的心理發(fā)展過程，就會(huì)取得同樣好的教學(xué)效果．

2 如何激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

興趣是最好的學(xué)習(xí)動(dòng)力，只有對(duì)學(xué)習(xí)的內(nèi)容感興趣，學(xué)習(xí)者才能自主、用心地學(xué)習(xí)．處于青少年期的中學(xué)生，興趣愛好日益廣泛，求知欲與好奇心強(qiáng)烈，樂于參加各種創(chuàng)造性活動(dòng)，對(duì)學(xué)習(xí)和科技活動(dòng)有極大的興趣．

高中的理科生雖然或多或少都接觸過相對(duì)論，但因其主要結(jié)論與生活常識(shí)不一致，學(xué)生往往難于理解，進(jìn)而產(chǎn)生畏難心理．如何幫助學(xué)生克服這種畏難情緒，逐漸對(duì)相對(duì)論產(chǎn)生興趣，最終理解并認(rèn)同相對(duì)論的時(shí)空觀，則是相對(duì)論教學(xué)的關(guān)鍵和難點(diǎn)．

結(jié)合學(xué)生的日常生活，提出一些重要而有趣的問題,可以激發(fā)學(xué)生的求知欲．有關(guān)相對(duì)論的問題很多，可以先讓學(xué)生自己提出各自的疑惑，然后再根據(jù)同學(xué)的問題適當(dāng)總結(jié)，針對(duì)具有普遍性的具體問題開始闡述“狹義相對(duì)論的時(shí)空觀”．闡述的重點(diǎn)在于時(shí)空觀念的轉(zhuǎn)變，即用相對(duì)的時(shí)空觀念替代經(jīng)典的絕對(duì)時(shí)空觀念．由于真空光速在任何慣性系中都相同，所以“時(shí)間和長(zhǎng)度”在不同慣性系中存在著差別，這種差別只有在不同慣性參考系的相對(duì)速度與光速可比時(shí)才有意義，而現(xiàn)實(shí)的物理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速，所以感覺到的時(shí)間和長(zhǎng)度好像是絕對(duì)的．

介紹一些穿越時(shí)空的小說及影視作品，并根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，用科學(xué)的視角探究其真實(shí)性，則不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能加深學(xué)生對(duì)相對(duì)論的掌握程度．

關(guān)于穿越時(shí)空的小說及影視作品有回到過去的，也有進(jìn)入未來的．穿越時(shí)空回到過去是對(duì)愛因斯坦相對(duì)論的誤解，而穿越時(shí)空進(jìn)入未來則有典型的雙生子佯謬．

讓學(xué)生置身各種問題情景中，適時(shí)地引導(dǎo)他們交流、討論、分析、思考，并體會(huì)科學(xué)家在相對(duì)論發(fā)展過程中的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、困惑、試探和智慧，真正加深對(duì)相對(duì)論結(jié)論的認(rèn)識(shí)，以進(jìn)一步激發(fā)探索科學(xué)奧秘的興趣．

學(xué)習(xí)的樂趣是學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性．利用眾多懸念來提高學(xué)生的興趣，可以參考《相對(duì)論百問》．相對(duì)論涉及到的幾個(gè)包括[3]：

如果你以光的速度運(yùn)動(dòng)，將會(huì)看到一幅什么樣的景象？

愛因斯坦是如何創(chuàng)建狹義相對(duì)論的？

著名的雙生子佯謬說：有雙胞胎兄弟A和B，A一直生活在地球上，B乘宇宙飛船加速到外星球去旅行，回來時(shí)B將比A年輕，如果飛船加速到接近光速，然后再返回，B將比A年輕許多，可能A已經(jīng)是老頭了，B還很年輕．這種貌似天方夜譚的事情，真的可能嗎？

星際飛船上的宇航員看到什么景象？感受到哪些相對(duì)論效應(yīng)？

原子鐘有什么用處[4]？原子鐘最初是由物理學(xué)家創(chuàng)造出來用于探索宇宙本質(zhì)的．20世紀(jì)30年代，拉比和他的學(xué)生研究原子和原子核的基本特性，他們發(fā)現(xiàn)同一種原子的共振頻率準(zhǔn)確度如此之高，例如銫133的共振頻率為每秒9 192 631 770周，那么銫原子便可以用作一種節(jié)拍器來確定高精度的時(shí)間．高精度時(shí)間對(duì)于理論研究有很重要的意義，比如研究宇宙的演化，檢驗(yàn)愛因斯坦的相對(duì)論——光速會(huì)不會(huì)隨著時(shí)間改變．

3 如何提高學(xué)生的解決問題和創(chuàng)新能力

有一個(gè)古老的諺語：Tell me and I′ll forget. Show me and I may not remember. Let me try and I′ll understand.最后一句話的意思是：讓我自己嘗試來做，我會(huì)理解．這闡述了參與學(xué)習(xí)活動(dòng)的必要性，要提高學(xué)生的解決問題和創(chuàng)新能力，最好的方法是探究科學(xué)和參與科學(xué)思考的過程，它可以使學(xué)生在獲得科學(xué)知識(shí)具體內(nèi)容的同時(shí)，更深入地理解科學(xué)內(nèi)容，更好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思考能力．

著名科學(xué)家波普爾總結(jié)了愛因斯坦科學(xué)研究的經(jīng)驗(yàn)，提出了“科學(xué)開始于問題”．因?yàn)樵谒磥?，問題是解決自身的矛盾，它的存在是理論發(fā)展的起點(diǎn)，它的揭露與提出是理論發(fā)展的動(dòng)力．因而科學(xué)的個(gè)體發(fā)展過程也是從問題到問題的不斷進(jìn)步的過程．隨著這種進(jìn)步，問題的深度也不斷地增加．

學(xué)習(xí)相對(duì)論知識(shí)，固然是學(xué)習(xí)本身重要的一環(huán)，但培養(yǎng)探究思想，掌握探究的方法和過程更為重要．相對(duì)論的建立和發(fā)展過程，是舊理論遇到了無法解決的問題，物理學(xué)家怎樣解決這個(gè)問題，并建立新的理論，新理論又如何得到觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)的支持，這些過程富含著人類的思想智慧．學(xué)習(xí)它，尤其可以發(fā)展人的思維．所以，結(jié)合學(xué)習(xí)過程理解和掌握科學(xué)思想，便是一個(gè)需要關(guān)注的問題．

例如，在開始講述廣義相對(duì)論時(shí)，先幫助學(xué)生總結(jié)狹義相對(duì)論的知識(shí)，并引導(dǎo)學(xué)生思考：“狹義相對(duì)論不是通過‘光速不變?cè)怼鉀Q了經(jīng)典力學(xué)解決不了的問題嗎？為什么還要學(xué)習(xí)廣義相對(duì)論呢？”幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)廣義相對(duì)論的原因和目的，清楚地告訴學(xué)生“引力的作用以什么速度傳遞？”是狹義相對(duì)論不能解決的問題，讓學(xué)生能夠體會(huì)到狹義相對(duì)論雖然解決了經(jīng)典力學(xué)無法解決的問題，但也有解決不了的新問題，所以要學(xué)廣義相對(duì)論．隨著問題深度的不斷加深和解決，學(xué)生的解決問題能力和創(chuàng)新能力就會(huì)大幅地提高．

總之，相對(duì)論教學(xué)能較好地體現(xiàn)新課程的理念，相對(duì)論內(nèi)容表述和活動(dòng)設(shè)計(jì)與學(xué)生年齡特點(diǎn)相適應(yīng)，設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)情景能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，就會(huì)有利于提高學(xué)生解決問題和創(chuàng)新能力．

說明：2011年，筆者參加河北師范大學(xué)頂崗支教過程中，在實(shí)習(xí)學(xué)校發(fā)現(xiàn)，由于相對(duì)論知識(shí)的特殊性，有些中學(xué)物理教師在教學(xué)上出現(xiàn)一定的困難.希望此文能夠?yàn)橐痪€教師教學(xué)提供些許幫助.

參考文獻(xiàn)

1 郭士堃. 廣義相對(duì)論導(dǎo)論.成都：電子科技大學(xué)出版社，2005

2 物理課程標(biāo)準(zhǔn)研制組.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(實(shí)驗(yàn))解讀.武漢：湖北教育出版社，2004

3 趙崢.相對(duì)論教學(xué)中的若干問題. 大學(xué)物理， 2011(3)：5～10

4 問答.原子鐘有什么用途. 新知客，2010(3)：118