以情境串联课堂
作者： 唐华
摘 要：科学合理的物理教学情境，可以让学生更好地理解物理知识的内在规律以及物理现象的因果关系。由于缺乏生活经验与常规认知的辅助，相对论时空观是高中物理教学中的一个难点。从学生熟悉的事例入手，通过情境的创设、变式、对比与迁移，以情境串联课堂，引导学生经历科学探究的过程，构建相对论时空观。
关键词：高中物理；教学情境；相对论时空观；《同时的相对性》
科学合理的物理教学情境，可以让学生更好地理解物理知识的内在规律以及物理现象的因果关系。“相对论时空观”是人教版高中物理必修第二册第七章第5节的内容，是牛顿经典时空观的延伸。“同时的相对性”是本节内容的重点，也是难点。由于缺乏生活经验与常规认知的辅助，学生的学习往往会遇到很大的困难。学生必须冲破牛顿经典时空观的桎梏，借助正确的科学思维，结合科学探究方法，形成新的时空观。考虑到高一学生的知识储备与思维能力，笔者从他们熟悉的事例入手，通过情境的创设、变式、对比与迁移，以情境串联课堂，引导学生经历科学探究的过程，构建相对论时空观。
一、 情境创设：引发认知冲突
认知冲突是指当个体意识到自身认知结构与环境或是自身认知结构内部不同成分之间的不一致所形成的状态。能够引发认知冲突的情境一般用于课堂导入环节，用以激起学生的学习兴趣，引导学生的科学探究。
【片段1】
师 教室里，老师看见两位同学同时举手，别的同学也看见他们同时举手，在教室外走动的人看他们也是同时举的手。是不是任何人看他们刚才都是同时举手？
生 是的。
师 为什么？
生 这不需要理由。同时就是同时，这是显而易见的。
师 爱因斯坦就没这么想，最终得出了举世闻名的相对论。
本课以常见的运动学模型作为引入情境，让学生通过现有认知判断“同时”与否。“举手”事件十分常见，似乎完全符合学生的认知，几乎无人质疑。利用一个所有学生都想当然的事件创设情境，暴露学生对物质与运动的基本认知，引发他们开始反思经典时空观，动摇“同时”的绝对性，萌发对相对论时空观的思考。
二、 情境变式：引出本质原理
所谓“变式”，是指教师有目的、有计划地对概念、命题或习题进行合理的转化，比如变换非本质特征、置换等价内容、转换表征方式、改变条件和结论等。情境的变式就是在原始情境的基础上稍加变动。引发学生认知冲突后，将创设的情境进行变式，将小球的运动变为光的传播，引导学生通过讨论与推理，根据“光速不变原理”推翻脑中固有的结论。
【片段2】
师 （出示图1）某高速列车的车厢长为s，向右以速度v匀速行驶，有两个完全相同的小球在车厢的地板上，从地板的中点分别向前、向后相对车厢以相同的速率v0做匀速运动。问：（1） 在坐在车厢内的观察者看来，两球是否同时到达前后两壁？（2） 如果车厢外地面上站着另一个观察者，他认为两球是否同时到达前后两壁？
生 设A、B两球分别运动到前后两壁的时间是tA、tB，在车上的观察者看来：tA=s2v0=s2v0，tB=s2v0=s2v0。所以两球同时到达前后两壁。
生 既然车上的观察者看到两球同时到达前后两壁，那么地上的观察者也一定认为两球是同时到达前后两壁的。
两位学生的回答是基于初中的物理观念和规律认知得出的。第二位学生的回答表明：学生认为“同时”与否与参考系无关，即“同时”是绝对的。学生经典时空观中“同时”的概念根深蒂固，以至于忽视了新的概念（光速不变原理）。接下来的重点任务就是利用情境变式，引导学生自主推理、探究，构建初步的相对论时空观。
【片段3】
师 如果把A、B两球去掉，将问题改成“从小车中央发出闪光，一部分光向前壁射去，一部分光向后壁射去，哪个壁将先接收到闪光”，结果又是如何？
生 同时接收到闪光。
师 为什么？你觉得这与刚才那题一样吗？
生 一样的。
师 请你结合光速不变原理分析一下车上观察者是如何看前后两壁同时接收到闪光的。
生 车上的观察者认为光向前、向后相对于车的速度是一样的，而光向前、向后到达两壁所经过的距离相等，根据t=sv，两束光传播的时间相同，所以同时到达两壁。
师 地面上的观察者呢？
生 时间还是相同，所以还是同时到达。
物理观念的形成需要建立在真实的体验上。但是，学生之前的体验与生活经验都使他们理所当然地认同经典时空观。我们需要创设一个有悖于生活经验的实例，帮助学生打破经典时空观。当然，学生要理解时间的相对性，必须先接受狭义相对论的两个基本假设。由于这两个假设涉及较多的历史实验及高难理论，教师可简述这两个假设得出的原因及含义，尤其是光速不变原理——真空中的光速在不同的惯性系中大小都是相同的。
三、 情境对比：引领感悟体验
情境对比，就是引导学生进行情境的对比。感悟体验是构建形成统领的物理观念的重要过程，通常包括重要概念的提炼阶段和物理观念的升华阶段。物理观念的构建，从时机上存在“推出物理观念”的隐性与半隐性两个教学过程；从学生的感悟来看，是新的物理观念渐渐被体会并且理解即将走向明朗的阶段。升华则为核心概念的进一步领悟和提炼，为得到一种以科学与哲学视角审视物理体系并深刻揭示事物本质、清晰呈现物理世界与真实世界内在联系的统领观念。
【片段4】
师 地面上的观察者认为光相对于车向前、向后的速度相同吗？
生 地面上的观察者是以地面为参考系的，根据光速不变原理，他认为光相对于地面向前、向后的速度一样，由于车相对于地面是运动的，所以他不认为光相对于车向前、向后的速度相同。
师 （问片段3中回答问题的学生）虽然地面上的观察者认为光相对于车向两壁运动的距离相同，但他不认为光相对于两壁的速度相等，那么他还会认为光向两壁传播的时间相同吗？
生 不相同。
师 请你重新解释。
生 地面上的观察者认为光相对于地面向前、向后传播的距离相同，但由于在光传播的时间内，车已向前运动了一段距离，所以光相对于地面向前传播的距离要长一些，到达前壁的光的运动时间较长，所以后壁先被照亮。
师 对于不同参考系的两个观察者，一个觉得两壁同时被照亮，另一个觉得后壁先被照亮。大家是否已经体会到了“同时”具有相对性？
通过运动学中常见的问题，先引入显性的物理规律（即常见的行程问题），再创设隐藏着隐性规律（即光速不变原理）的对此情境，引发思维碰撞。显性现象引出隐性规律，提炼出核心原理，助力物理新观念的构建。通过问题串的逐一呈现，为学生的探索与推理指出正确的方向。引导的话语不多，但富有启发性，直击问题的矛盾点，在促进学生思维进阶的同时也提升了学生的探索能力与自信心。
四、 情境迁移：引导科学探究
所谓情境迁移，是指引导学生将本课所学迁移到情境中。学生为获取知识、领悟科学的思想观念和方法，需要科学探究。其中，猜想与假设、基于证据得出结论是重要的探究方式。当然，在物理教学中，科学探究并不需要经历完整的探究过程，而往往根据课堂实际，以一两个要点为重点着力渗透，突出探究的核心环节。教师应根据探究目的、学生的认知水平和探究能力等因素，挖掘并突出科学探究中最适宜的要素，侧重培养学生某一方面的科学探究能力。
【片段5】
师 刚才的问题中，如果车是静止的，（出示下页图2）地面上有个观察者相对车向左跑动。那么他觉得前后两壁是否同时被照亮？如果不是，哪个壁先被照亮？
图2
生 这位观察者相对车向左跑动，车相对他向右运动。由光速不变原理可知，向左、右发出的两束闪光相对于这位观察者的速度是一样的；但光在传播过程中，车相对观察者向右运动了一段距离，所以到达右壁的光用时较长，因此左壁先被照亮。
这里，延伸片段2中的情境（以静止的观察者为参照系进行具体分析），选择运动的人为参考系，通过相对运动的知识将情境加以转换（人静止，车向右运动），问题得以简化。此处的情境迁移，是基于学生前面的课堂活动情况及认知能力的考虑，笔者也事先做过几种预设，但课堂出现了最好的生成。学生不仅能用经典物理的方法来解决相对时间的问题，更在活动中培养了科学探究能力。
【片段6】
师 从几个实例中体会“同时”的相对性，并总结出在一个参考系中看来是同时发生的两个事件，在另一个参考系中认为哪个事件先发生。
（学生讨论。）
生 “同时”是相对的，在一个参考系中观察两个事件同时发生，在另一个参考系中观察它们就未必是同时发生的。
生 “同时”之所以是相对的，原因是“光速不变原理”。因为对任何观察者而言光速都是一样的，而不同观察者所处的参考系可能有相对运动，所以造成了“同时”不绝对。
生 在甲参考系中看两个事件同时发生，若乙参考系相对甲向右运动，则乙参考系中的观察者观察这两个事件中右方的那个事件先发生。
生 在某个参考系中观察到两个事件同时发生，则另一参考系中观察到与之相对运动方向相反的那个方向的事件先发生。
……
课尾，引导学生对之前的探究过程进行回顾。这是科学探究教学成果的检验，是物理观念的升华，是本节课培养学生核心素养成果的终端显示。学生自主总结出了几乎所有重要的结论。通过情境设计、科学探究，学生相对论时空观已经基本构建完成。
情境不仅可以承载知识，也是将知识引向素养的必由之路。因此，笔者以情境设计为重点，借助推理、假设、讨论、总结等手段，让学生在环环相扣的课堂活动中，冲破经典时空的桎梏，构建相对论时空观。针对学生的认知与分析能力，通过情境的创设、变式、对比、迁移，为学生在科学探究的关键节点上提供重要的思想指引与证据支撑，培养学生全方位的能力。借助一系列流程，通过连点成线再到面的学习过程，逐级而上，“以物讲理，见物思理”。整节课中，所有结论均由学生自主推理所得。通过情境的串联，学生不仅学到了新知识，掌握了解决问题的方法，也激发了探索热情和求知欲望。
参考文献：
［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020：6.