“實驗微課程”的構建
——以“光的偏振”單元主題為例

桑蕊蕊 張皓晶 張 雄 劉 俊 王碧鴻 李 肖

(1. 云南師范大學物理與電子信息學院,云南 昆明 650500； 2. 云南師范大學實驗中學，云南 昆明 650500)

構建中學物理“實驗微課程”,即以微型教學視頻為主要載體,利用較短的時間(不超過10min),針對某一中學物理實驗知識點(如重點、難點、疑點、考點)或實驗教學環節(如學習活動、主題、實驗、任務等)而設計開發的情景化、支持多種學習方式的新型在線網絡視頻課程.[1]其表現為一種新的信息類課程資源開發形式.“實驗微課程”的設計形式符合網絡時代學習者的注意力模式以及碎片化學習習慣,滿足學生個性差異化學習以及自主學習的需求,且其利用網絡傳媒進行傳播,滿足網絡時代中學生的移動化學習要求.其強調學生在學習過程中的主體性,關注學生對于知識的自主構建,更加注重學生對于知識的看法.這樣的學習過程有利于學生明確學習目標,提升物理思維能力,使學習過程完全由學生主動推進.中學物理“實驗微課程”不僅可以作為課前學習資源、課中補充資料以及課后復習資料,亦可作為學生的自測評價系統,識別當前中學生的前概念和思維水平,使其思維向更加精熟化的方向發展.

1 中學物理“實驗微課程”構建原則

為了實現中學生最大化的“在學習”以及“真學習”,筆者以華東師范大學崔允漷教授提出的學歷案(即:一種“微課程”方案)作為物理“實驗微課程”的構建原則.崔教授指出:[2]學歷案是關于學習經歷或過程的方案,是教師在班級教學情景下,圍繞某一具體學習單位的主題、課文或單元,從期望學會什么出發,設計并展示中學生何以學會的過程,以便學生自主建構或社會建構經驗、知識的專業方案.“學歷案”(實驗微課程方案)主要由6個方面構成:[3](1) 確定學習的主題單元; (2) 確定學習目標; (3) 進行評價任務; (4) 確定學習過程; (5) 對學生的學習效果進行檢測以及布置作業; (6) 學后反思.其是對泰勒目標模式的發展,強調目標在學習過程中的中心地位以及評價在教學過程中的作用.同時又是對泰勒模式的改變,強調學生在課程學習過程中的主體性,并且使得評價貫穿于整個學習活動中,體現學習進階的思想,符合核心素養對培養中學生思維能力的要求.

基于學歷案的物理“實驗微課程”設計主要包括兩種類型:自學微課程(學生能夠獨立自主完成學習)、助學微課程(師生以及小組合作完成學習).同時在每個微課程最后引導學生進行自測,促使學生真學習.實驗微課程通過視頻再造教育,更直接地提升學生的學習力.其將原課程按照學生學習規律,分解成為一系列具有目標、任務、方法、資源、作業、互動與反思等在內的主題學習元,從而構成微課程體系.利用Camtasia studio等錄屏軟件進行微課程錄制,保證powerpoint、音頻以及實驗錄像的同步展現.實驗微課程對學生而言,可以有一個自定進度的學習,即按照自己的步驟、節奏學習,可以暫停、倒退、重播,有利于根據個人情況完成學習,夯實基礎,有助于學生自主構建知識,實現真學習的目標.

同時將實驗微課程引入課堂,使得學習知識在課堂,內化知識在課外的傳統學習模式轉變為學習知識在課外,內化知識在課堂的新型翻轉學習模式.并且使得物理實驗更加清晰化、直觀化,避免演示實驗的失敗導致學生錯誤前概念的形成.教師不再獨自演完劇本,而是從期望學會什么出發,設計任務單—準備“實驗微課程”—設計課堂學習形式—解答迷惑.學生有更多的時間,在課前按照自己喜歡的學習方式,根據微課程的任務要求完成部分探究過程,課堂上則圍繞核心問題在互動基礎上,進行剩余的較為深刻的探究活動.[4]

2 “光的偏振”實驗微課程一體化構建

“光的偏振”是人教版高中物理教材選修3-4的一節課程,授課對象主要為高三理科生,它是建立在中學生了解光的反射、折射、散射以及衍射原理的基礎上對光的性質的進一步探索.高中物理實驗室沒有光的偏振演示儀,學生很難理解偏振現象,而通過物理實驗微課程對偏振現象進行動態展示,能夠更好地促進學生對知識的理解.學生已經對光的波動性有了初步的認識,并且具備科學探究的基本能力.因此本實驗課程的目的不僅是對光的性質的進一步探索,還是對光的基本性質的復習鞏固,以形成完整的物理知識框架以及完善的思維方式.基于學情、目標以及主題單元內容分析,本主題共設置兩個學習元“微課程”,學習元1(自學微課程):以3D偏振電影為基礎解釋偏振現象;學習元2(助學微課程):用偏振片驗證偽全息實驗.具體課程目標(課程任務單): (1) 知道光波是橫波,掌握自然光、偏振光的概念; (2) 知道反射光是部分偏振光; (3) 知道3D偏振電影的制作和觀看原理; (4) 掌握偏振片的作用、偏振以及全息技術的原理; (5) 了解光的偏振現象在生活和科學技術中的重要應用,通過“光的偏振現象”的實驗探究,培養嚴謹的物理思維能力,體會科學知識的使用價值; (6) 學會實驗探究的思維過程.整個課程開發基于對中學生學情的分析以及最近發展區的把握,六個課程目標環環緊扣,任務驅動,導學一體,從而實現中學生核心素養的提高和物理思維能力的發展.

2.1 學習元1:以3D偏振電影為基礎解釋偏振原理

通過物理知識來培養學生的思維能力,使物理思維與生活實際相聯系,就要使學生意識到物理知識在生活中的用途.這就要求在課堂中滲透科普知識,加強物理知識與現代技術和社會現象的聯系.本學習元微課程為自學微課程,學生自主學習完成,主要以“3D偏振電影”為基礎解釋偏振原理.

圖1 3D視頻重影展示

首先,視頻展示沒有佩戴偏振眼鏡的情況下,觀看3D偏振電影,只能觀看到模糊不清的兩個重影(如圖1所示),而展示佩戴偏振眼鏡時,能看到清晰的3D電影,引起學生思考3D電影制作原理.

圖2 雙眼立體視覺原理

其次,視頻動畫展示3D電影是根據雙眼立體視覺原理所制作的成品.由于兩只眼睛有一定的距離,因此在觀看物體時,兩只眼睛觀看到的物體會有細微的差別,人腦就會區分出物體的前后、遠近,從而辨別出物體的深度和維度,在大腦中產生立體的效果(如圖2所示).[5]微課程展示在拍攝3D電影時,兩臺攝像機相當于人的兩只眼睛,拍攝到有細微差別的兩條電影影片.放映時,兩條影片分別放入兩臺放映機中,放映機前放置偏振軸互成90°的兩片偏振鏡,佩戴相同偏振方向的偏振眼鏡即可看到3D影片效果(如圖3所示).放映機發出的光(橫波)通過某一偏振方向的偏振片(作為起偏器)后,即變成沿單一方向振動的偏振光,其能通過與起偏器偏振方向一致的偏振眼鏡(作為檢偏器),但不能通過與起偏器偏振方向垂直的偏振眼鏡(如圖4所示,注:圖4為視頻動畫的截圖).偏振眼鏡由兩片偏振軸互相垂直的偏振片制作而成,因此佩戴偏振眼鏡時,左右眼分別只能觀看到一個放映機所放出來的影片.左眼和右眼看到不同的畫面,而這兩個不同的畫面是模擬現實中左右眼應該看到的相應的畫面,因此觀看者會有看3D場景的感覺.

圖3 3D偏振電影放映示意圖

最后,引導學生進行評價,評價的本質應是基于學生思維發展的問題的提出和解決.[6]通過學習元1的學習,學生能夠更直觀形象地認識偏振電影的制作原理,同時利用動畫效果展現偏振光分別通過偏振軸互相垂直的兩偏振片后的傳播狀態,使學生形成正確的概念理解.引導學生通過“出聲思維”的方式檢驗完成任務后是否實現“光的偏振”單元主題所要求達到的目標,并指出整個學習過程經歷到了什么,以及對于哪方面的思考還有所欠缺.以此加深中學生物理思維的深度,培養學生的批判性思維.

圖4 偏振光分別通過偏振軸互相垂直的兩片偏振片

2.2 學習元2:用偏振片驗證偽全息實驗

培養中學生的思維能力,需要調動其思考的積極性.本學習元為助學微課程,它是在學習元1的基礎上對“光的偏振”主題單元的進一步探索.通過視頻,呈現利用偏振片探究偽全息現象的形成原理,引導師生進行實驗假設及驗證,促使中學生進行深度思考.

偽全息視頻現象的呈現有很大的外界條件限制,比如需要有足夠暗的光線條件,而現實的授課中,由于環境限制,不能呈現完美的偽全息視頻現象.且只有在正方向觀看自制教具的金字塔立體結構時,才能看到清晰的偽全息視頻現象.因此,在課堂中展示時,不容易把控課堂節奏且不能調動所有人的課堂積極性,而微視頻卻可以完美呈現實驗效果.

首先向學生展示春節晚會中李宇春在《蜀繡》中4人同唱的舞臺效果,以及編輯處理過的自制“全息投影”視頻動畫(如圖5所示).放大鏡頭讓同學看到視頻外側的道具(如圖6所示),引導學生思考“3D”視頻現象的形成原理,并向學生展示自制教具.自制教具是使用4個透振方向一致的梯形偏振片組成一個金字塔形立體結構(如圖7所示),用手機或者平板電腦下載“全息視頻”,視頻的每一幀主要由4個對稱的圖片組成(如圖8所示),將金字塔形立體結構的上底黏貼在4個對稱的圖片正中央(如圖9所示),播放視頻即可觀看到全息的效果.(如果是5寸的手機,建議梯形偏振片的上底長1cm,下底長6cm,高3.5cm;8寸-10寸的手機,建議梯形偏振片的上底長2cm,下底長12cm,高7cm.[7])

圖5 “全息投影”3D視頻展示

圖6 “全息投影”3D呈像展示

圖8 全息視頻每一幀的平面圖像組合

其次介紹全息投影、光的偏振原理以及偏振片的作用.全息圖本身就是一張曝光和顯影的照相乳劑,它用一種特殊的方式記錄了被攝物體反射或者透射光波中的全部信息,包括振幅和相位,當全息圖被正確照明時,觀眾從任何角度都可以看到一個真實的3D圖像,當將全息圖分割成多個部分時,每個部分都包含著整體的振幅相位信息.[8]而光的偏振即為振動方向對于傳播方向的不對稱,它是橫波區別于縱波的明顯標識.偏振片可以使自然光變成偏振光,即光在垂直于傳播方向的平面上,只沿某一特定方向振動.隨即對“3D”視頻現象的形成原理進行假設: (1) 全息投影; (2) 光的折射; (3) 光的反射.

緊接著,進行假設檢驗.提示學生從全息投影的概念上來討論假設1的正確性.引導學生以自己的思維分析解釋“3D”視頻現象的形成原理,由此鍛煉其思維的深刻性以及批判性.由于全息投影的圖像從任何一個角度都可以看到完整的圖像信息,而本實驗觀測到的“3D”視頻現象只能從前后左右4個方向觀測,而且只有在正前、正后、正側,即正對著各個梯形偏振片的方向,才能觀測到“真實”的“3D”視頻現象,所以推翻假設1,即所呈現的“3D”現象并非全息投影.

再次,用4片與原來組成金字塔形立體結構的梯形偏振片大小形狀相等、偏振方向相反的偏振片來驗證假設2和假設3.如圖10所示: (1) 將一片新拿出來的偏振片黏貼在金字塔左側的等大偏振片上,此時上下左右4個方向都可以觀察到“3D”現象,而且從左側能觀測到更清晰的“3D”現象; (2) 將第二片偏振片黏貼在金字塔右側的等大偏振片上,此時上下左右4個方向都可以觀察到“3D”現象,從左側和右側能觀測到更清晰的“3D”現象; (3) 將第3片偏振片黏貼在金字塔后側的等大偏振片上,此時上下左右4個方向都可以觀察到“3D”現象,從左、右側以及后側能觀測到更清晰的“3D”現象.前3個步驟完成后引導學生思考,左、右、后方都沒有光透過,但前側依然能觀察到“3D”現象,因此前側的視頻現象不可能是左右側以及后側屏幕上小人的折射圖像,推翻假設2; (4) 將第4片偏振片黏貼在金字塔前側的等大偏振片上,此時上下左右4個方向都可以觀察更加清晰的“3D”視頻現象,以此證明,“3D”現象是由于光的反射所產生的圖像(圖11為其光路示意圖),即假設3正確.

最后,師生合作重演實驗并且進行評價自測.對于探究性物理實驗學習元,不僅提供助學微課程,而且要引導師生在實驗微課程的基礎上動手進行實驗操作,讓學生經歷學習的過程.與其直接訓練思維能力與社會能力之類的素養和能力,不如優先設定有助于自發地產生思維與溝通互動的情景的設計.[9]從而深化學生對于偏振光的理解,使其能夠運用偏振片的原理來解決實際問題.而評價是學生監測自我學習的一種方式,學生自主對提出假設、進行驗證、推理分析的物理思維方式進行梳理,檢驗完成微課程以及合作探究學習后是否實現單元主題任務要求,以此提高學生思維的深刻性以及靈活性.

圖10 步驟(1)、(2)、(3)、(4)的原理示意圖

圖11 光路示意圖

圖12 步驟4后的全息視頻3D圖像

3 總結

美國教育技術CEO論壇第3度報告明確指出:“培養21世紀的能力素養,學校必須將數字化內容與學科課程相整合”.而物理實驗微課程正符合數字化教學的趨勢并且提供了一種翻轉課堂的教學模式.其不僅可以建構豐富的、反思性的學習情境,而且為中學生的自由探索創造機會.同時,教師成為科學探究的共同參與者,而非教學活動的設計者.[10]微課的價值和貢獻一方面在于它能在短時間內高質量地傳遞出精華內容,另一方面也在于它能引發學習者的深度思考.[11]不僅促使學生物理觀念的深化,而且有意識地培養中學生的邏輯思維能力,使學生成為課程與教學的主體,讓學生獲得學習的自由,使其真正地學習物理知識,經歷物理活動.知識不可以生產知識,而思維卻可以對知識進行新的構建,從而生成新的知識.因此,只有注重

培養中學生的思維能力,才能實現從生活走向物理,從物理走向生活的目標;才能促進中學生綜合能力的提升;才能使得中學生成為獨立自主的學習者,真正回答“錢學森之問”.

1 胡鐵生,黃明燕,李民.我國微課發展的三個階段及其啟示[J].遠程教育雜志,2013(4):36-42.

2 崔允漷.學歷案:學生立場的教案變革[N].中國教育報,2016-06-09(006).

3 盧明,崔允漷.教案的變革:基于課程標準的學歷案[M].上海:華東師范大學出版社,2016.

4 洪進步,于海波.翻轉模式下的物理課堂轉型:再論科學探究——以阿基米德原理為例[J].中學物理教學參考,2015,44(12):10-14.

5 張桃英.3D電影“新視界”[J].數理天地:高中版,2011(5):45-46.

6 樓衛琴.從案例教學關鍵環節看批判性思維培養——兼評“‘謝克特案’視角下的羅斯福新政教學設計與實施”[J].中學歷史教學參考,2015(10):24-27.

8 J E Kasper，S A Feller.The Complete book of holograms:how they work and how to make them[M].New York:Dover,2001.

9 鐘啟泉.基于核心素養的課程發展:挑戰與課題[J].全球教育展望,2016,45(1):3-25.

10 肖思漢,W A Sandova1.如何將科學探究的主體還給學生如何將科學探究的主體還給學生——基于課堂互動分析的經驗研究[J].課程·教材·教法,2014,34(7):48-54.

11 吳海娜,王旗,陳肖慧,易光宇,公衛江.MOOCs浪潮中高校大學物理實驗微課程的教學設計及實踐研究[J].大學物理實驗,2017,30(1):246-248.