喻 莉 杨植宗 段永法 周本元

(空军预警学院基础部物理教研室 湖北 武汉 430019)

大学物理是一门理论性较强的基础课程，学生接触到的大多数都是一些抽象的概念、原理及枯燥的符号和公式，很容易失去兴趣.因此，要想提高课堂教学质量，首先，教师应该想办法努力提高学生的学习兴趣;其次，大学物理的教学应该明显地与中学物理教学有所不同，教师不仅要培养学生雄厚的物理知识基础，同时还应该采用适当的方法和手段，以物理知识为载体，让学生掌握一些必备的科学研究方法，培养其良好的科学精神.为达到以上目的，笔者在“狭义相对论基本原理”的课堂教学中，通过创设物理情境、联系历史背景、回顾理想实验、突出科学精神等具体措施，达到了很好的教学效果.

1 创设物理情境

好奇是学习的动力，兴趣是最好的老师.通过创设物理情境，能够很好地激发学生的求知欲望，增强其学习兴趣.

在讲解绝对时空观时，为说明力学规律在所有惯性系中都具有相同的形式，笔者创设了这样一个实验情境,即如果将你和你的朋友关在一艘做匀速直线运动的封闭的船舱里，请你设计一个力学实验来判定船是静止还是在运动.将力学相对性原理这一抽象、枯燥的物理知识转变成了一个形象、具体的物理问题，启发学生思考，增强其学习兴趣.

此外，为说明光速不变原理，笔者还创设了一种使矛盾激化，让学生产生认知冲突的问题情境,即当对面有人迎面向你投球时，你应该是先看到投出去前的球还是投出去后的球？根据事实经验，学生肯定会回答先看到投出去前的球.此时，进一步让学生思考，如果从伽利略变换出发，应该是先看到哪个球呢？学生回答投出去后的球.结论与事实相矛盾！创设这一问题情境，启发学生思考，激发学生的求知欲望.

2 融入历史背景

物理学史作为物理科学发展的历史，包含着许多原创性的科学研究方法和科学理论产生的背景.对物理理论，追溯它们的形成背景和过程，探寻先辈物理学家在得出最终结论前所使用的科学方法，不仅能让学生体会科学创立的艰辛，同时，也有助于学生掌握重要的科学研究方法，提高学生运用创造性思维的能力[1].

狭义相对论的历史背景：(1)19世纪末，随着麦克斯韦电磁场理论的建立，人们发现电磁学规律在伽利略变换下不具有协变性.由电磁理论，光速应该是一个与参考系无关的常量，这显然与伽利略速度变换式相矛盾.(2)为解决这一矛盾，人们提出了以太假说，假定光只有在以太中速度才为常量c，在其他惯性系中则将测出不同的速度.(3)为证明以太的存在，人们做了各种实验，其中最著名的就是迈克尔孙-莫雷实验，但得到了意想不到的零结果.为解释实验零结果，人们还提出了拖曳说、微粒说、收缩说等，它们虽然都能够解释迈克尔孙-莫雷实验，但却要么与其他实验相矛盾，要么不能自圆其说，所以，最终这些学说都没有被人们所接受.爱因斯坦正是在此历史背景下，同时受到哲学家马赫的影响，最终才提出了狭义相对论的两条基本原理.

通过对相对论创建过程的历史考察，让学生深刻体会科学家探索真理过程的艰辛，认识到科学家正是在不断发现问题和不断解决问题的过程中，才最终找到了事物的本质，在这一历史背景的讲解中，科学家的工作思路和科学方法都清晰可见.这些将有助于学生学习和运用科学方法去创造性地解决问题.

3 回顾理想实验

“理想实验”,又称为思想实验、假想实验等.它是人们在思想中塑造的理想过程，是一种逻辑推理的思维过程和理论研究的重要方法.理想实验建立在真实实验基础之上，是以真实实验的逻辑法则为依据而开展的一种复杂的思维推理活动，是创造思维的重要表现形式[2].理想实验作为一种特殊的实验方法，在科学研究中具有非常重要的地位和作用.

在探究爱因斯坦是如何创造性地提出狭义相对论的基本原理时，就着重讲到了爱因斯坦16岁时对“追光悖论”这一理想实验的研究.实验是这样的：假想一个人以光速去追赶光波，那他将会看到什么样的景象呢？显然，如果伽利略变换依然正确，那么， 在以光速运动的参考系中，观察者将会看到自己和光的波峰和波谷一起运动，光的波动现象将完全消失，看到的仅是类似于凝固的海浪图样.

然而，爱因斯坦分析认为,根据电磁理论，凝固的“海浪”图样并不是麦克斯韦方程组的解，满足麦克斯韦方程组的解，应该总是以光速运动的波.所以，即便是在以光速运动的参考系中，所看到的一切还是应该和在地球上静止时所看到的一样，按照同样的定律进行[3].显然，在该理想实验中，就已经包含了狭义相对论的萌芽.

通过该理想实验的分析和讲解，让学生体会物理学家从提出问题，到构思实验方案，再到逻辑思维与推理，最后得出结论的这一科学创新过程.同时，在物理教学中适时地引入理想实验，透彻地分析理想实验的理论依据、说明的问题等，在头脑中再现理想实验的进行过程，可以很好地培养学生的想象力和逻辑思维能力.

4 突出科学精神

目前，由于受应试教育的影响，学生只知道一味地接受、继承旧知识，而不敢对其进行质疑、批判和创新.在本次课中，笔者希望能够通过介绍在相对论诞生和发展过程中，科学的质疑和批判精神的重要性，从而潜移默化地引导学生养成良好的科学思维习惯.

笔者在给出狭义相对论的两条基本原理前，先介绍，在爱因斯坦之前，洛伦兹就得出了在高速下长度收缩和时间延缓的结论，而彭加勒则早在1898年就猜测到了在真空中光速不变且各向同性.应该说洛伦兹和彭加勒已经走到了相对论的大门口，但却无法摆脱绝对时空观的束缚，最终没有迈入相对论的门槛.相反，爱因斯坦却从不迷信权威，他从伽利略变换与电磁理论之间的矛盾出发，对牛顿力学的绝对时空观产生了质疑，并最终抛开了“绝对静止”和“静止以太”的观点，创造性地提出了狭义相对论的两条基本原理，引起了人类时空观的巨大变革.通过讲解，让学生从中领悟质疑、批判和创新的重大意义.

此外，在此次课的结尾处，笔者又进一步强调了质疑、批判的重要性.让学生了解到相对论自建立至今，就一直伴随着质疑和批判.就连用实验证实“以太”不存在的迈克尔孙至死还念念不忘可爱的“以太”，认为“相对论是个怪物”.并且爱因斯坦在1921年获诺贝尔奖也不是因为相对论，因为人们对相对论还存在太多的质疑，它应该接受严格的验证.最后，进一步列举在2011年9月的一则关于中微子超光速现象的新闻.让学生明白，相对论正是在不断地质疑和批判中才得以发展.同样，科学的发展也需要质疑、需要批判、需要创新.用物理学中的质疑精神和创新意识去唤起学生的意识情感，培养学生在质疑中变革，在批判中发展，敢于挑战权威，敢于创新的科学精神.

在狭义相对论基本原理这一课中，笔者采用以上方法达到了较好的教学效果.相信这些具体的措施在大学物理其他的章节教学中也有很强的参考、借鉴作用.

参考文献

1 张玉峰.物理学史在物理教学中的作用.安阳师范学院学报,2011(5):137～139

2 文军.“理想实验”与物理教育.渭南师范学院学报,2004,9(2):78～81

3 许良英,范岱年编译.爱因斯坦文集(第一卷).北京:商务印书馆,1976.24