摘" 要：科學(xué)合理的物理教學(xué)情境，可以讓學(xué)生更好地理解物理知識的內(nèi)在規(guī)律以及物理現(xiàn)象的因果關(guān)系。由于缺乏生活經(jīng)驗與常規(guī)認知的輔助，相對論時空觀是高中物理教學(xué)中的一個難點。從學(xué)生熟悉的事例入手，通過情境的創(chuàng)設(shè)、變式、對比與遷移，以情境串聯(lián)課堂，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，構(gòu)建相對論時空觀。

關(guān)鍵詞：高中物理；教學(xué)情境；相對論時空觀；《同時的相對性》

科學(xué)合理的物理教學(xué)情境，可以讓學(xué)生更好地理解物理知識的內(nèi)在規(guī)律以及物理現(xiàn)象的因果關(guān)系?！跋鄬φ摃r空觀”是人教版高中物理必修第二冊第七章第5節(jié)的內(nèi)容，是牛頓經(jīng)典時空觀的延伸?！巴瑫r的相對性”是本節(jié)內(nèi)容的重點，也是難點。由于缺乏生活經(jīng)驗與常規(guī)認知的輔助，學(xué)生的學(xué)習(xí)往往會遇到很大的困難。學(xué)生必須沖破牛頓經(jīng)典時空觀的桎梏，借助正確的科學(xué)思維，結(jié)合科學(xué)探究方法，形成新的時空觀?？紤]到高一學(xué)生的知識儲備與思維能力，筆者從他們熟悉的事例入手，通過情境的創(chuàng)設(shè)、變式、對比與遷移，以情境串聯(lián)課堂，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究的過程，構(gòu)建相對論時空觀。

一、 情境創(chuàng)設(shè)：引發(fā)認知沖突

認知沖突是指當(dāng)個體意識到自身認知結(jié)構(gòu)與環(huán)境或是自身認知結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同成分之間的不一致所形成的狀態(tài)。能夠引發(fā)認知沖突的情境一般用于課堂導(dǎo)入環(huán)節(jié)，用以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生的科學(xué)探究。

【片段1】

師" 教室里，老師看見兩位同學(xué)同時舉手，別的同學(xué)也看見他們同時舉手，在教室外走動的人看他們也是同時舉的手。是不是任何人看他們剛才都是同時舉手？

生" 是的。

師" 為什么？

生" 這不需要理由。同時就是同時，這是顯而易見的。

師" 愛因斯坦就沒這么想，最終得出了舉世聞名的相對論。

本課以常見的運動學(xué)模型作為引入情境，讓學(xué)生通過現(xiàn)有認知判斷“同時”與否?！芭e手”事件十分常見，似乎完全符合學(xué)生的認知，幾乎無人質(zhì)疑。利用一個所有學(xué)生都想當(dāng)然的事件創(chuàng)設(shè)情境，暴露學(xué)生對物質(zhì)與運動的基本認知，引發(fā)他們開始反思經(jīng)典時空觀，動搖“同時”的絕對性，萌發(fā)對相對論時空觀的思考。

二、 情境變式：引出本質(zhì)原理

所謂“變式”，是指教師有目的、有計劃地對概念、命題或習(xí)題進行合理的轉(zhuǎn)化，比如變換非本質(zhì)特征、置換等價內(nèi)容、轉(zhuǎn)換表征方式、改變條件和結(jié)論等。情境的變式就是在原始情境的基礎(chǔ)上稍加變動。引發(fā)學(xué)生認知沖突后，將創(chuàng)設(shè)的情境進行變式，將小球的運動變?yōu)楣獾膫鞑ィ龑?dǎo)學(xué)生通過討論與推理，根據(jù)“光速不變原理”推翻腦中固有的結(jié)論。

【片段2】

師" （出示圖1）某高速列車的車廂長為s，向右以速度v勻速行駛，有兩個完全相同的小球在車廂的地板上，從地板的中點分別向前、向后相對車廂以相同的速率v0做勻速運動。問：（1） 在坐在車廂內(nèi)的觀察者看來，兩球是否同時到達前后兩壁？（2） 如果車廂外地面上站著另一個觀察者，他認為兩球是否同時到達前后兩壁？

生" 設(shè)A、B兩球分別運動到前后兩壁的時間是tA、tB，在車上的觀察者看來：tA=s2v0=s2v0，tB=s2v0=s2v0。所以兩球同時到達前后兩壁。

生" 既然車上的觀察者看到兩球同時到達前后兩壁，那么地上的觀察者也一定認為兩球是同時到達前后兩壁的。

兩位學(xué)生的回答是基于初中的物理觀念和規(guī)律認知得出的。第二位學(xué)生的回答表明：學(xué)生認為“同時”與否與參考系無關(guān)，即“同時”是絕對的。學(xué)生經(jīng)典時空觀中“同時”的概念根深蒂固，以至于忽視了新的概念（光速不變原理）。接下來的重點任務(wù)就是利用情境變式，引導(dǎo)學(xué)生自主推理、探究，構(gòu)建初步的相對論時空觀。

【片段3】

師" 如果把A、B兩球去掉，將問題改成“從小車中央發(fā)出閃光，一部分光向前壁射去，一部分光向后壁射去，哪個壁將先接收到閃光”，結(jié)果又是如何？

生" 同時接收到閃光。

師" 為什么？你覺得這與剛才那題一樣嗎？

生" 一樣的。

師" 請你結(jié)合光速不變原理分析一下車上觀察者是如何看前后兩壁同時接收到閃光的。

生" 車上的觀察者認為光向前、向后相對于車的速度是一樣的，而光向前、向后到達兩壁所經(jīng)過的距離相等，根據(jù)t=sv，兩束光傳播的時間相同，所以同時到達兩壁。

師" 地面上的觀察者呢？

生" 時間還是相同，所以還是同時到達。

物理觀念的形成需要建立在真實的體驗上。但是，學(xué)生之前的體驗與生活經(jīng)驗都使他們理所當(dāng)然地認同經(jīng)典時空觀。我們需要創(chuàng)設(shè)一個有悖于生活經(jīng)驗的實例，幫助學(xué)生打破經(jīng)典時空觀。當(dāng)然，學(xué)生要理解時間的相對性，必須先接受狹義相對論的兩個基本假設(shè)。由于這兩個假設(shè)涉及較多的歷史實驗及高難理論，教師可簡述這兩個假設(shè)得出的原因及含義，尤其是光速不變原理——真空中的光速在不同的慣性系中大小都是相同的。

三、 情境對比：引領(lǐng)感悟體驗

情境對比，就是引導(dǎo)學(xué)生進行情境的對比。感悟體驗是構(gòu)建形成統(tǒng)領(lǐng)的物理觀念的重要過程，通常包括重要概念的提煉階段和物理觀念的升華階段。物理觀念的構(gòu)建，從時機上存在“推出物理觀念”的隱性與半隱性兩個教學(xué)過程；從學(xué)生的感悟來看，是新的物理觀念漸漸被體會并且理解即將走向明朗的階段。升華則為核心概念的進一步領(lǐng)悟和提煉，為得到一種以科學(xué)與哲學(xué)視角審視物理體系并深刻揭示事物本質(zhì)、清晰呈現(xiàn)物理世界與真實世界內(nèi)在聯(lián)系的統(tǒng)領(lǐng)觀念。

【片段4】

師" 地面上的觀察者認為光相對于車向前、向后的速度相同嗎？

生" 地面上的觀察者是以地面為參考系的，根據(jù)光速不變原理，他認為光相對于地面向前、向后的速度一樣，由于車相對于地面是運動的，所以他不認為光相對于車向前、向后的速度相同。

師" （問片段3中回答問題的學(xué)生）雖然地面上的觀察者認為光相對于車向兩壁運動的距離相同，但他不認為光相對于兩壁的速度相等，那么他還會認為光向兩壁傳播的時間相同嗎？

生" 不相同。

師" 請你重新解釋。

生" 地面上的觀察者認為光相對于地面向前、向后傳播的距離相同，但由于在光傳播的時間內(nèi)，車已向前運動了一段距離，所以光相對于地面向前傳播的距離要長一些，到達前壁的光的運動時間較長，所以后壁先被照亮。

師" 對于不同參考系的兩個觀察者，一個覺得兩壁同時被照亮，另一個覺得后壁先被照亮。大家是否已經(jīng)體會到了“同時”具有相對性？

通過運動學(xué)中常見的問題，先引入顯性的物理規(guī)律（即常見的行程問題），再創(chuàng)設(shè)隱藏著隱性規(guī)律（即光速不變原理）的對此情境，引發(fā)思維碰撞。顯性現(xiàn)象引出隱性規(guī)律，提煉出核心原理，助力物理新觀念的構(gòu)建。通過問題串的逐一呈現(xiàn)，為學(xué)生的探索與推理指出正確的方向。引導(dǎo)的話語不多，但富有啟發(fā)性，直擊問題的矛盾點，在促進學(xué)生思維進階的同時也提升了學(xué)生的探索能力與自信心。

四、 情境遷移：引導(dǎo)科學(xué)探究

所謂情境遷移，是指引導(dǎo)學(xué)生將本課所學(xué)遷移到情境中。學(xué)生為獲取知識、領(lǐng)悟科學(xué)的思想觀念和方法，需要科學(xué)探究。其中，猜想與假設(shè)、基于證據(jù)得出結(jié)論是重要的探究方式。當(dāng)然，在物理教學(xué)中，科學(xué)探究并不需要經(jīng)歷完整的探究過程，而往往根據(jù)課堂實際，以一兩個要點為重點著力滲透，突出探究的核心環(huán)節(jié)。教師應(yīng)根據(jù)探究目的、學(xué)生的認知水平和探究能力等因素，挖掘并突出科學(xué)探究中最適宜的要素，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生某一方面的科學(xué)探究能力。

【片段5】

師" 剛才的問題中，如果車是靜止的，（出示下頁圖2）地面上有個觀察者相對車向左跑動。那么他覺得前后兩壁是否同時被照亮？如果不是，哪個壁先被照亮？

圖2

生" 這位觀察者相對車向左跑動，車相對他向右運動。由光速不變原理可知，向左、右發(fā)出的兩束閃光相對于這位觀察者的速度是一樣的；但光在傳播過程中，車相對觀察者向右運動了一段距離，所以到達右壁的光用時較長，因此左壁先被照亮。

這里，延伸片段2中的情境（以靜止的觀察者為參照系進行具體分析），選擇運動的人為參考系，通過相對運動的知識將情境加以轉(zhuǎn)換（人靜止，車向右運動），問題得以簡化。此處的情境遷移，是基于學(xué)生前面的課堂活動情況及認知能力的考慮，筆者也事先做過幾種預(yù)設(shè)，但課堂出現(xiàn)了最好的生成。學(xué)生不僅能用經(jīng)典物理的方法來解決相對時間的問題，更在活動中培養(yǎng)了科學(xué)探究能力。

【片段6】

師" 從幾個實例中體會“同時”的相對性，并總結(jié)出在一個參考系中看來是同時發(fā)生的兩個事件，在另一個參考系中認為哪個事件先發(fā)生。

（學(xué)生討論。）

生" “同時”是相對的，在一個參考系中觀察兩個事件同時發(fā)生，在另一個參考系中觀察它們就未必是同時發(fā)生的。

生" “同時”之所以是相對的，原因是“光速不變原理”。因為對任何觀察者而言光速都是一樣的，而不同觀察者所處的參考系可能有相對運動，所以造成了“同時”不絕對。

生" 在甲參考系中看兩個事件同時發(fā)生，若乙參考系相對甲向右運動，則乙參考系中的觀察者觀察這兩個事件中右方的那個事件先發(fā)生。

生" 在某個參考系中觀察到兩個事件同時發(fā)生，則另一參考系中觀察到與之相對運動方向相反的那個方向的事件先發(fā)生。

……

課尾，引導(dǎo)學(xué)生對之前的探究過程進行回顧。這是科學(xué)探究教學(xué)成果的檢驗，是物理觀念的升華，是本節(jié)課培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)成果的終端顯示。學(xué)生自主總結(jié)出了幾乎所有重要的結(jié)論。通過情境設(shè)計、科學(xué)探究，學(xué)生相對論時空觀已經(jīng)基本構(gòu)建完成。

情境不僅可以承載知識，也是將知識引向素養(yǎng)的必由之路。因此，筆者以情境設(shè)計為重點，借助推理、假設(shè)、討論、總結(jié)等手段，讓學(xué)生在環(huán)環(huán)相扣的課堂活動中，沖破經(jīng)典時空的桎梏，構(gòu)建相對論時空觀。針對學(xué)生的認知與分析能力，通過情境的創(chuàng)設(shè)、變式、對比、遷移，為學(xué)生在科學(xué)探究的關(guān)鍵節(jié)點上提供重要的思想指引與證據(jù)支撐，培養(yǎng)學(xué)生全方位的能力。借助一系列流程，通過連點成線再到面的學(xué)習(xí)過程，逐級而上，“以物講理，見物思理”。整節(jié)課中，所有結(jié)論均由學(xué)生自主推理所得。通過情境的串聯(lián)，學(xué)生不僅學(xué)到了新知識，掌握了解決問題的方法，也激發(fā)了探索熱情和求知欲望。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：6.