(南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院,江蘇 南京 210097)

1 LIGO與2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播。它很難被探測(cè)到,宇宙深處天體并合產(chǎn)生的引力波信號(hào)到達(dá)地球時(shí)其強(qiáng)度已相當(dāng)微弱,首次探測(cè)到的引力波信號(hào)應(yīng)變峰值僅為10-21。另外,引力波擁有絕對(duì)的穿透能力,它不和任何物質(zhì)發(fā)生作用,這意味著難以直接觀測(cè)引力波信號(hào)。除了這些因素以外,微弱的引力波信號(hào)被地球上嘈雜的噪音所淹沒(méi),科學(xué)家必須在這些噪音中分辨出真正的引力波信號(hào)。引力波探測(cè)先驅(qū)韋伯(J.Weber)的共振棒實(shí)驗(yàn)被認(rèn)定失敗之后,一時(shí)間引力波探測(cè)陷入低潮,一些科學(xué)家甚至認(rèn)為人類沒(méi)有辦法直接探測(cè)到引力波。從1974年到1978年,美國(guó)的泰勒(J.Taylor)和休斯(R.Hulse)通過(guò)觀測(cè)脈沖雙星圍繞質(zhì)心旋轉(zhuǎn)周期的減少,間接證實(shí)了引力波的存在,因此獲得1993年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),再次激發(fā)了科學(xué)家探測(cè)引力波的熱情。早在1972年,韋斯(R.Weiss)就提出用激光干涉的原理探測(cè)引力波,但是這一想法并沒(méi)有得到重視。由于一次偶然的機(jī)會(huì),韋斯遇到了索恩(K.Thorne),索恩對(duì)這一想法十分感興趣并且召集科學(xué)家著手研究,從那之后LIGO項(xiàng)目才慢慢有了眉目,直到巴里什(B.Barish)為L(zhǎng)IGO項(xiàng)目申請(qǐng)到巨額科研基金,至此LIGO項(xiàng)目才算正式開(kāi)始。2015年9月14日,LIGO探測(cè)精度升級(jí)后不久,就探測(cè)到了第一例引力波信號(hào)。美國(guó)麻省理工學(xué)院韋斯、加州理工學(xué)院索恩和巴里什,因?yàn)樵贚IGO探測(cè)器和引力波觀測(cè)方面的貢獻(xiàn)獲得2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從1916年愛(ài)因斯坦提出引力波理論,到2016年LIGO宣布人類首次探測(cè)到來(lái)自13億光年外兩顆并合黑洞產(chǎn)生的引力波信號(hào),歷時(shí)整整100年!引力波的發(fā)現(xiàn)將開(kāi)啟宇宙探索的新窗口,引領(lǐng)人類進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

2 LIGO網(wǎng)站概述及其資源特點(diǎn)分析

中學(xué)物理教學(xué)應(yīng)當(dāng)關(guān)注時(shí)代發(fā)展的科技成果,LIGO網(wǎng)站(https://www.ligo.caltech.edu)的創(chuàng)立為大眾了解天文學(xué)前沿提供了路徑，對(duì)我國(guó)中學(xué)物理教學(xué)有積極的意義。

LIGO網(wǎng)站分為以下7大板塊:(1) 任務(wù)板塊：簡(jiǎn)述LIGO探測(cè)器探測(cè)任務(wù)及其探測(cè)意義。(2) 知識(shí)擴(kuò)展板塊：引力波基礎(chǔ)及其探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)等。(3) 新聞板塊：與引力波探測(cè)相關(guān)的最新動(dòng)態(tài)。(4) 畫廊板塊：引力波及其探測(cè)的圖片、視頻等。(5) 教育資源板塊：與美國(guó)國(guó)家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)密切聯(lián)系、涉及LIGO探測(cè)的課堂教學(xué)和家庭活動(dòng)的建議。(6) 科學(xué)家板塊：展示相關(guān)研究項(xiàng)目與成果。(7) 學(xué)習(xí)和工作板塊：提供在LIGO相關(guān)設(shè)施工作與學(xué)習(xí)的信息。LIGO網(wǎng)站資源,具有如下特點(diǎn)。

(1) 網(wǎng)站資源具有原創(chuàng)性、前沿性、科學(xué)性

LIGO網(wǎng)站的資源來(lái)源于LIGO天文觀測(cè)臺(tái),對(duì)公眾開(kāi)放的數(shù)據(jù)、資料都會(huì)在網(wǎng)站上呈現(xiàn)出來(lái),而這些可以說(shuō)是讀者獲得LIGO相關(guān)信息的第一手資料,探測(cè)和分析引力波攜帶的信息將使人類能夠以前所未有的方式觀察宇宙,它將為宇宙研究打開(kāi)一扇新的窗口,讓人類更深入地了解這些宇宙中的大事件,并引領(lǐng)物理學(xué)、天文學(xué)和天體物理學(xué)的前沿研究。從LIGO發(fā)展中可以看出引力波探測(cè)技術(shù)發(fā)展的艱辛,從LIGO團(tuán)隊(duì)借助奇思妙想攻克技術(shù)難關(guān)中可以發(fā)現(xiàn)科學(xué)方法的魅力,從工作人員獲得各項(xiàng)獎(jiǎng)項(xiàng)的介紹中不難看出LIGO團(tuán)隊(duì)的自豪與喜悅,這些不僅僅是LIGO本身的發(fā)展歷史,更是人類科學(xué)探究的縮影。

(2) 呈現(xiàn)方式具有多樣性、直觀性、真實(shí)性

LIGO網(wǎng)站的受眾是各個(gè)年齡層次、不同行業(yè)的人群,其初衷是要向大眾普及科學(xué)知識(shí)和前沿技術(shù),而科學(xué)知識(shí)和前沿技術(shù)本身是難以不經(jīng)“加工”直接普及給大眾的。面對(duì)這樣的矛盾,LIGO網(wǎng)站選擇將晦澀難懂的科學(xué)知識(shí)和前沿技術(shù)以不同的方式呈現(xiàn)給大眾,有文字、圖片、音頻、視頻等形式,如此豐富的表征形式大大增加了讀者對(duì)高新技術(shù)的理解程度。為了降低讀懂其內(nèi)容的門檻,LIGO網(wǎng)站在呈現(xiàn)科學(xué)知識(shí)或前沿技術(shù)時(shí)舍棄高深的專業(yè)術(shù)語(yǔ)而選用通俗易懂的大白話,將其發(fā)展歷史和演變過(guò)程簡(jiǎn)化后呈現(xiàn)給讀者。鑒于引力波的抽象性，LIGO網(wǎng)站制作了引力波的動(dòng)畫模型,將引力波動(dòng)態(tài)地展現(xiàn)在讀者眼前,此外還將引力波信號(hào)的聲音呈現(xiàn)出來(lái),通過(guò)這些方式,使得原本看不到、聽(tīng)不到的引力波既能聽(tīng)得到又能看得到。另外，LIGO網(wǎng)站上有很多天文觀測(cè)平臺(tái)真實(shí)的工作、設(shè)施場(chǎng)景照片,這種真實(shí)場(chǎng)景的呈現(xiàn)揭開(kāi)了前沿科學(xué)神秘的面紗,拉近了普通大眾與前沿科學(xué)之間的距離。

(3) 網(wǎng)站重視教育資源開(kāi)發(fā)

LIGO網(wǎng)站專門開(kāi)設(shè)了教育資源板塊和科學(xué)家板塊,面向全世界的教師、科學(xué)家、學(xué)生免費(fèi)開(kāi)放。網(wǎng)站利用其獨(dú)有條件整合引力波探測(cè)的高新技術(shù)與物理課程，設(shè)計(jì)出一系列物理課堂活動(dòng),對(duì)中學(xué)教師具有很高的借鑒價(jià)值,LIGO網(wǎng)站公開(kāi)引力波探測(cè)的原始數(shù)據(jù),并且提供分析數(shù)據(jù)的教程與軟件。教師與學(xué)生可以借助這些資源學(xué)習(xí)引力波的相關(guān)知識(shí),科學(xué)家也可以研究這些數(shù)據(jù)致力于推動(dòng)科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步。

3 LIGO網(wǎng)站資源在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用初探

在對(duì)LIGO網(wǎng)站各板塊的內(nèi)容、特點(diǎn)進(jìn)行分析之后,通過(guò)對(duì)LIGO網(wǎng)站的再解讀,從而得到一些啟發(fā)。

(1) 信息時(shí)代應(yīng)當(dāng)培養(yǎng)學(xué)生獲取信息的能力

現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá),無(wú)論是教師還是學(xué)生都可以接觸到豐富的信息資源,但是不可能把所有資源都運(yùn)用到物理教學(xué)中,那么搜集與處理信息能力的發(fā)展就顯得尤為重要。學(xué)生想要在紛繁復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)世界中甄選出系統(tǒng)的科學(xué)知識(shí)常常會(huì)面臨很多困難,比如部分網(wǎng)絡(luò)資源需要收費(fèi)，很多資源學(xué)生從未接觸過(guò)也就不會(huì)去搜索，有些外文的網(wǎng)絡(luò)資源因?yàn)檎Z(yǔ)言障礙學(xué)生使用起來(lái)難度很大。目前引力波探測(cè)為科學(xué)熱點(diǎn),因獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的垂青而具有一定的社會(huì)影響力,所以有其獨(dú)特的教育意義?？梢岳肔IGO網(wǎng)站的資源設(shè)計(jì)符合我國(guó)物理教學(xué)實(shí)際的教學(xué)活動(dòng),并且安排到教學(xué)中去,讓學(xué)生切身體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程,在學(xué)習(xí)系統(tǒng)科學(xué)知識(shí)的同時(shí)啟發(fā)學(xué)生關(guān)注最新科學(xué)動(dòng)態(tài),開(kāi)闊學(xué)生視野。

在LIGO網(wǎng)站中會(huì)有準(zhǔn)確可靠的描述，選擇可信度高的網(wǎng)絡(luò)資源,開(kāi)發(fā)資源的物理教學(xué)價(jià)值,教師有選擇地把這些資源設(shè)計(jì)成可行的教學(xué)活動(dòng),通過(guò)教學(xué)活動(dòng)使師生共同成長(zhǎng),獲得更為深入的感悟。

(2) 大科學(xué)時(shí)代的中學(xué)物理教學(xué)要凸顯合作學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)

大科學(xué)起源于1942年6月的“曼哈頓工程”,其被稱為“大科學(xué)工程”或“大科學(xué)項(xiàng)目”。1961年溫伯格在《Science》上發(fā)表文章,首次提出大科學(xué)的概念，大科學(xué)是指投資巨大、研究目標(biāo)宏大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴復(fù)雜、多學(xué)科交叉的大型基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目。LIGO是加州理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的聯(lián)合項(xiàng)目,從1979年起得到美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)支持,1994到1995年在相距3000多千米的路易斯安那州和華盛頓州,各建立一座引力波觀測(cè)站,一期項(xiàng)目投資額達(dá)到2.92億美元。從2002年一期LIGO開(kāi)始工作,美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)每年投入3千3百多萬(wàn)美元用于觀測(cè)站的運(yùn)行和二期項(xiàng)目的研究，所以LIGO項(xiàng)目也被稱為世紀(jì)之交最昂貴的單項(xiàng)物理實(shí)驗(yàn)。

LIGO除了投入的資金巨大之外,國(guó)際分工合作是其另一大特點(diǎn)。1997年LIGO開(kāi)始組建科學(xué)合作組織,來(lái)自18個(gè)國(guó)家900多名科學(xué)家加入該組織,這些工作人員分成二三十個(gè)工作小組,分別負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、建造、調(diào)試實(shí)驗(yàn)裝置、分析數(shù)據(jù),任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響LIGO工程的進(jìn)度甚至成敗,除此之外LIGO和英國(guó)德國(guó)的GEO600、法國(guó)的Virgo、日本的KAGRA都有合作,讓LIGO能夠獲得更多經(jīng)驗(yàn)與信息資源,從而快速達(dá)成目標(biāo)。不難看出,LIGO的成功與獲得其他組織的投資和廣泛的內(nèi)外合作有著莫大的關(guān)系。

在課程改革中我們一直提倡培養(yǎng)學(xué)生的合作能力,但是師生的合作意識(shí)并不強(qiáng)烈,教師更重視合作學(xué)習(xí)的形式、忽視合作學(xué)習(xí)的實(shí)質(zhì),學(xué)生更注重同學(xué)之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而忽視合作關(guān)系。大科學(xué)時(shí)代的物理教學(xué)有必要培養(yǎng)學(xué)生的合作精神,利用相關(guān)資源向?qū)W生展示大科學(xué)時(shí)代合作的重要性,逐步增強(qiáng)學(xué)生合作學(xué)習(xí)的意識(shí),培養(yǎng)其合作學(xué)習(xí)能力。

(3) 物理教學(xué)應(yīng)重視工匠精神教育

從遙遠(yuǎn)宇宙深處到達(dá)地球的引力波非常微弱,LIGO能夠分辨出如此微小的變化可見(jiàn)其靈敏程度極高。從LIGO的激光源、超高真空、光學(xué)器件就可以看出這一工程除了是一項(xiàng)大科學(xué)工程外,也是一項(xiàng)十分精細(xì)的科學(xué)。比如LIGO的激光源,從一開(kāi)始的4W功率經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的放大變?yōu)楣ぷ髦袑?shí)際使用的200W，探測(cè)器光學(xué)鏡像技術(shù)也是最精細(xì)的,此外LIGO還擁有令人嘆為觀止的超高真空系統(tǒng)。每臺(tái)LIGO有兩條長(zhǎng)4km的干涉臂,內(nèi)部容積約為10000m3,其內(nèi)部氣體強(qiáng)力僅為標(biāo)準(zhǔn)大氣強(qiáng)力的一億分之一。

在物理教學(xué)中滲透工匠精神的教育,營(yíng)造良好的環(huán)境,通過(guò)合理的教學(xué)設(shè)計(jì),讓學(xué)生感受LIGO工作團(tuán)隊(duì)中科學(xué)家的創(chuàng)新精神、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度等令人欽佩的工匠精神,引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)學(xué)習(xí),自主搜尋科學(xué)前沿的真實(shí)數(shù)據(jù)、技術(shù)、方法,理解并運(yùn)用到平時(shí)的學(xué)習(xí)和生活中。物理教學(xué)中融入工匠精神教育,能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、對(duì)技藝精益求精的品質(zhì),而這些都有利于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。