LIGO网站资源分析及其在中学物理教学中的应用

(南京师范大学教师教育学院,江苏 南京 210097)

1 LIGO与2017年诺贝尔物理学奖

引力波是指时空弯曲中的涟漪，通过波的形式从辐射源向外传播。它很难被探测到,宇宙深处天体并合产生的引力波信号到达地球时其强度已相当微弱,首次探测到的引力波信号应变峰值仅为10-21。另外,引力波拥有绝对的穿透能力,它不和任何物质发生作用,这意味着难以直接观测引力波信号。除了这些因素以外,微弱的引力波信号被地球上嘈杂的噪音所淹没,科学家必须在这些噪音中分辨出真正的引力波信号。引力波探测先驱韦伯(J.Weber)的共振棒实验被认定失败之后,一时间引力波探测陷入低潮,一些科学家甚至认为人类没有办法直接探测到引力波。从1974年到1978年,美国的泰勒(J.Taylor)和休斯(R.Hulse)通过观测脉冲双星围绕质心旋转周期的减少,间接证实了引力波的存在,因此获得1993年诺贝尔物理学奖,再次激发了科学家探测引力波的热情。早在1972年,韦斯(R.Weiss)就提出用激光干涉的原理探测引力波,但是这一想法并没有得到重视。由于一次偶然的机会,韦斯遇到了索恩(K.Thorne),索恩对这一想法十分感兴趣并且召集科学家着手研究,从那之后LIGO项目才慢慢有了眉目,直到巴里什(B.Barish)为LIGO项目申请到巨额科研基金,至此LIGO项目才算正式开始。2015年9月14日,LIGO探测精度升级后不久,就探测到了第一例引力波信号。美国麻省理工学院韦斯、加州理工学院索恩和巴里什,因为在LIGO探测器和引力波观测方面的贡献获得2017年诺贝尔物理学奖。从1916年爱因斯坦提出引力波理论,到2016年LIGO宣布人类首次探测到来自13亿光年外两颗并合黑洞产生的引力波信号,历时整整100年!引力波的发现将开启宇宙探索的新窗口,引领人类进入一个全新的时代。

2 LIGO网站概述及其资源特点分析

中学物理教学应当关注时代发展的科技成果,LIGO网站(https://www.ligo.caltech.edu)的创立为大众了解天文学前沿提供了路径，对我国中学物理教学有积极的意义。

LIGO网站分为以下7大板块:(1) 任务板块：简述LIGO探测器探测任务及其探测意义。(2) 知识扩展板块：引力波基础及其探测器关键技术等。(3) 新闻板块：与引力波探测相关的最新动态。(4) 画廊板块：引力波及其探测的图片、视频等。(5) 教育资源板块：与美国国家科学教育标准密切联系、涉及LIGO探测的课堂教学和家庭活动的建议。(6) 科学家板块：展示相关研究项目与成果。(7) 学习和工作板块：提供在LIGO相关设施工作与学习的信息。LIGO网站资源,具有如下特点。

(1) 网站资源具有原创性、前沿性、科学性

LIGO网站的资源来源于LIGO天文观测台,对公众开放的数据、资料都会在网站上呈现出来,而这些可以说是读者获得LIGO相关信息的第一手资料,探测和分析引力波携带的信息将使人类能够以前所未有的方式观察宇宙,它将为宇宙研究打开一扇新的窗口,让人类更深入地了解这些宇宙中的大事件,并引领物理学、天文学和天体物理学的前沿研究。从LIGO发展中可以看出引力波探测技术发展的艰辛,从LIGO团队借助奇思妙想攻克技术难关中可以发现科学方法的魅力,从工作人员获得各项奖项的介绍中不难看出LIGO团队的自豪与喜悦,这些不仅仅是LIGO本身的发展历史,更是人类科学探究的缩影。

(2) 呈现方式具有多样性、直观性、真实性

LIGO网站的受众是各个年龄层次、不同行业的人群,其初衷是要向大众普及科学知识和前沿技术,而科学知识和前沿技术本身是难以不经“加工”直接普及给大众的。面对这样的矛盾,LIGO网站选择将晦涩难懂的科学知识和前沿技术以不同的方式呈现给大众,有文字、图片、音频、视频等形式,如此丰富的表征形式大大增加了读者对高新技术的理解程度。为了降低读懂其内容的门槛,LIGO网站在呈现科学知识或前沿技术时舍弃高深的专业术语而选用通俗易懂的大白话,将其发展历史和演变过程简化后呈现给读者。鉴于引力波的抽象性，LIGO网站制作了引力波的动画模型,将引力波动态地展现在读者眼前,此外还将引力波信号的声音呈现出来,通过这些方式,使得原本看不到、听不到的引力波既能听得到又能看得到。另外，LIGO网站上有很多天文观测平台真实的工作、设施场景照片,这种真实场景的呈现揭开了前沿科学神秘的面纱,拉近了普通大众与前沿科学之间的距离。

(3) 网站重视教育资源开发

LIGO网站专门开设了教育资源板块和科学家板块,面向全世界的教师、科学家、学生免费开放。网站利用其独有条件整合引力波探测的高新技术与物理课程，设计出一系列物理课堂活动,对中学教师具有很高的借鉴价值,LIGO网站公开引力波探测的原始数据,并且提供分析数据的教程与软件。教师与学生可以借助这些资源学习引力波的相关知识,科学家也可以研究这些数据致力于推动科学与技术的进步。

3 LIGO网站资源在中学物理教学中的应用初探

在对LIGO网站各板块的内容、特点进行分析之后,通过对LIGO网站的再解读,从而得到一些启发。

(1) 信息时代应当培养学生获取信息的能力

现在的网络十分发达,无论是教师还是学生都可以接触到丰富的信息资源,但是不可能把所有资源都运用到物理教学中,那么搜集与处理信息能力的发展就显得尤为重要。学生想要在纷繁复杂的网络世界中甄选出系统的科学知识常常会面临很多困难,比如部分网络资源需要收费，很多资源学生从未接触过也就不会去搜索，有些外文的网络资源因为语言障碍学生使用起来难度很大。目前引力波探测为科学热点,因获得诺贝尔物理学奖的垂青而具有一定的社会影响力,所以有其独特的教育意义。可以利用LIGO网站的资源设计符合我国物理教学实际的教学活动,并且安排到教学中去,让学生切身体验科学探究的过程,在学习系统科学知识的同时启发学生关注最新科学动态,开阔学生视野。

在LIGO网站中会有准确可靠的描述，选择可信度高的网络资源,开发资源的物理教学价值,教师有选择地把这些资源设计成可行的教学活动,通过教学活动使师生共同成长,获得更为深入的感悟。

(2) 大科学时代的中学物理教学要凸显合作学习能力的培养

大科学起源于1942年6月的“曼哈顿工程”,其被称为“大科学工程”或“大科学项目”。1961年温伯格在《Science》上发表文章,首次提出大科学的概念，大科学是指投资巨大、研究目标宏大、实验设备昂贵复杂、多学科交叉的大型基础科学研究项目。LIGO是加州理工学院和麻省理工学院的联合项目,从1979年起得到美国国家科学基金会(NSF)支持,1994到1995年在相距3000多千米的路易斯安那州和华盛顿州,各建立一座引力波观测站,一期项目投资额达到2.92亿美元。从2002年一期LIGO开始工作,美国国家科学基金会每年投入3千3百多万美元用于观测站的运行和二期项目的研究，所以LIGO项目也被称为世纪之交最昂贵的单项物理实验。

LIGO除了投入的资金巨大之外,国际分工合作是其另一大特点。1997年LIGO开始组建科学合作组织,来自18个国家900多名科学家加入该组织,这些工作人员分成二三十个工作小组,分别负责设计、建造、调试实验装置、分析数据,任何环节出现问题都会影响LIGO工程的进度甚至成败,除此之外LIGO和英国德国的GEO600、法国的Virgo、日本的KAGRA都有合作,让LIGO能够获得更多经验与信息资源,从而快速达成目标。不难看出,LIGO的成功与获得其他组织的投资和广泛的内外合作有着莫大的关系。

在课程改革中我们一直提倡培养学生的合作能力,但是师生的合作意识并不强烈,教师更重视合作学习的形式、忽视合作学习的实质,学生更注重同学之间的竞争关系而忽视合作关系。大科学时代的物理教学有必要培养学生的合作精神,利用相关资源向学生展示大科学时代合作的重要性,逐步增强学生合作学习的意识,培养其合作学习能力。

(3) 物理教学应重视工匠精神教育

从遥远宇宙深处到达地球的引力波非常微弱,LIGO能够分辨出如此微小的变化可见其灵敏程度极高。从LIGO的激光源、超高真空、光学器件就可以看出这一工程除了是一项大科学工程外,也是一项十分精细的科学。比如LIGO的激光源,从一开始的4W功率经过一系列复杂的放大变为工作中实际使用的200W，探测器光学镜像技术也是最精细的,此外LIGO还拥有令人叹为观止的超高真空系统。每台LIGO有两条长4km的干涉臂,内部容积约为10000m3,其内部气体强力仅为标准大气强力的一亿分之一。

在物理教学中渗透工匠精神的教育,营造良好的环境,通过合理的教学设计,让学生感受LIGO工作团队中科学家的创新精神、严谨的工作态度等令人钦佩的工匠精神,引导学生学会学习,自主搜寻科学前沿的真实数据、技术、方法,理解并运用到平时的学习和生活中。物理教学中融入工匠精神教育,能够培养学生的创新能力、严谨的科学态度、对技艺精益求精的品质,而这些都有利于培养学生的核心素养。