让学生在美丽与神奇中体验科学创新的乐趣

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  在新课标中,相对论的教育价值主要在情感态度与价值观方面上,目的在于提高学生的现代科学素养,并激发学生的求知欲与创新思想。教科版在相对论内容的编写方面独具匠心,密集安排的理想实验引领我们走进相对论神奇而美丽的时空。
  对于理想实验我们并不陌生,教材中曾经介绍过的伽利略的斜面实验给我们留下了极为深刻的印象:理想实验是人们在头脑中构想的实验,又叫假想实验。理想实验因其独特的思维方式,在发现原有理论的错误和局限,并建立新的理论中具有不可替代的作用。我们在相对论的教学中应充分利用教科版这部分的理想实验,实现相对论的有效教学。
  一、理想实验——闪烁着神奇光彩的科学诗篇
  爱因斯坦说:“在科学思维中,永远存在着诗歌的因素。”在教科版的相对论的内容中,怪异因为理想实验而神奇美丽,陌生因理想实验而变得身临其境。理想实验使曾经是那么枯燥的物理文字变成了闪烁着美的光彩的科学诗篇:我们在爱因斯坦的追光实验中仿佛看到了夸父追日的古典神话;那艘伽利略大船会使我们联想到那远古时期的诺亚方舟,抑或是物理学意义上的世外桃源;而课本中“同时的相对性”的理想实验更使我们“相信”了“天上一日,人间一年”只在神话世界可能的景象……无怪乎,物理学家英费尔德会有这样的感慨:当我领悟到一个出色的物理学公式时,有时会有像聆听到巴赫的乐曲一样的感受。
  二、理想实验——创设轻松而有趣味的情境
  爱因斯坦在《论教育》中说:“发展独立思考和独立判断的一般能力,应当始终放在首位,而不应当把获得专业知识放在首位。”对理想实验的介绍,阐明重大物理学问题产生的历史条件及其所导致的深远影响,更可以展示物理学探索过程中问题背景的演化,创设起使学生轻松理解的趣味情境。教科版“相对论”中的理想实验,使令人望而生畏的相对论的理性美与学生的好奇和乐趣得到了有机的结合。如第三节讲“同时的相对性”这个问题时,所设置的理想实验,构思的精妙不仅让学生能够轻松直观地感受到“实验”,又使学生理解了强调光速不变在其中所起的作用,从而可以对相对论知识进行灵活运用。从高考的变化来看,课本的基础知识在高考中得到了相当的重视,近两年江苏高考中的两道关于相对论的考题几乎就是“同时的相对性”这个理想实验的翻版。
  三、理想实验——显现出创新思变的思维方法
  巴甫洛夫认为:“重要的是科学方法、科学的思想的总结,认识一个科学家的方法远比认识他的成果价值要大。”理想实验源于直觉的启迪、大胆的猜想、科学的假设,经过形象的变换、丰富的想象、逻辑的推理,而超出自身经验的一种高级思维活动。这种实验能让人发挥想象,凭借想象中的理想化的仪器和设备甚至是“麦克斯韦妖”这种只有在童话中出现的精灵,在理想化的条件下,通过心理的内部活动,在脑中进行理想化的“操作”和“观察”,联结“操作”和“观察”的手段,是大脑的思维活动。从某种意义上,似乎颠覆了“物理学是一门以实验为基础的科学”,事实上,由理论自身的要求所提出的“假设”在物理学的发展,特别是近代物理的发展中起着十分重要甚至是关键的作用,爱因斯坦的追光思想和电梯实验就是对时空问题长久思考后受到直觉启迪而实现的。理想实验的介绍,正是一种思维的训练,人类揭开自然界之谜的艰难探索历程,可以使学生感受到物理大师们用创新思变的思维方法一步步掀开遮蔽真理帷幕的那种科学创造的震撼和激动,从身临其境的参与感中,感受到物理的思想方法。
  不论是刀耕火种的远古,还是星际遨游的现代,人类总是以无限的激情和不尽的欲望来积极从事所有可能的智力活动。我们的先人曾经用神话和臆想来描绘世界,如“嫦娥奔月”、“夸父追日”和“盘古开天地”的故事。在物理学的发展历程中,神奇的猜测,灵感的闪现,惊人的预言和一个个美妙的理想实验造就了一个个美丽的物理世界的神奇。在物理教学中向学生介绍美丽而奇妙的理想实验,又何尝不是让学生在美丽与神奇中体验科学创新的乐趣呢!
  (责任编辑 金 铃)
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