基于PBL教學法的LED特征參量測量實驗教學*

代 芮 陳 開 閆愛民

(上海師范大學數(shù)理學院 上海 200234)

1 引言

作為高中物理課程的重要板塊之一，實驗課是培養(yǎng)學生綜合能力的優(yōu)質(zhì)載體.提升高中物理實驗的質(zhì)量、注重實驗對學生的啟發(fā)性、加強理論知識與實際生活的聯(lián)系是值得教育者關注的問題.然而由于課程負擔、學業(yè)壓力等多方面因素，傳統(tǒng)的物理實驗以原理驗證性實驗為主，課堂上通常采用教師演示、學生觀察的灌輸式模式教學，作為學習主體的學生仿佛游離于實驗之外，參與度大打折扣，不利于培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新思維.PBL(Problem-based learning)教學模式就是“以問題為基礎的學習”，它最早誕生于北美各大學醫(yī)學院的教學模式改革.1980年，美國的巴羅斯和泰姆萊恩在他們出版的《問題式學習——一種醫(yī)學教學方式》一書中闡述了PBL教學模式的主要思想，它是一種以問題為基礎，以學生為主體，以教師為導向的小組討論式的教學方法，精髓在于發(fā)揮問題對學習過程的指導作用，進而達到學生主動學習、解決問題、完成預定目標的目的[1].PBL教學法目前廣泛應用在各種不同的學習情境之中，得到了諸多領域的認可[2～9].

文獻[4]對翻轉課堂結合PBL在物理實驗教學中的實踐進行了總結和評價，認為翻轉課堂結合PBL教學法從根本上改變了教學實踐，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學方式，提高了學習效率.文獻[6]通過教學實踐發(fā)現(xiàn)，PBL教學模式對學生在物理學習興趣、提問意識、回答和解決問題的準確度以及公開發(fā)表個人見解4個維度的能力都有不同程度的促進作用.在大學物理實驗教學方面，文獻[7]針對傳統(tǒng)大學物理實驗教學模式對學生自主探究精神和創(chuàng)造力培養(yǎng)的欠缺，提出了一套把PBL與大學物理實驗的現(xiàn)實條件相結合的教學方法.文獻[8]將PBL教學模式遷移到物理課程中，提出了PPBL(Physics problem based learning)教學方法，主要研究的是光學課程中應用的PPBL教學模式，針對物理專業(yè)本科教育中傳統(tǒng)的“知識講授型”教學模式所導致學生實踐創(chuàng)新能力不足的根本問題，提出了解決方案.

本文以建構主義為理論依據(jù)，運用PBL教學法進行了有關LED光源特征參數(shù)測量的實驗教學，主要針對在學習光學以及光譜相關知識的高中生或者大學生，希望把難度較高的物理科學知識通過結合生活實際、科學問題導引、動手實驗、課后反思等教學手段化難為易，讓學生在掌握科學知識的同時開拓眼界，激發(fā)對物理學習的興趣，從而提高學生的科學素養(yǎng).

2 實驗設計背景

建構主義是在行為主義、認知主義后的又一學習理論，其代表人物布魯納認為學生在學習中的發(fā)現(xiàn)可以對學生產(chǎn)生影響.根據(jù)建構主義的觀點，學生的學習屬于主體對客觀事物的主動建構過程，是以已有的經(jīng)驗為基礎，通過與外界的相互作用來構成新的理解.在建構主義學習理論的指導下，教育模式逐漸革新.PBL教學模式也是受建構主義思潮影響而發(fā)展起來的.

PBL教學模式具有問題性、探究性、自主性、合作性的特征[1～3].從活動結構上看，目前實踐者們公認的是由巴羅斯系統(tǒng)化的標準結構和過程.后來隨著實踐的不斷推進與深化，麥羅·希爾把問題式學習歸納為七步驟組成的活動結構，第一步是教師向?qū)W生展示問題情境，然后學生在問題情境中鑒別事實、提出問題、進行分析.在學生把問題理解透徹之后，就順其自然地提出關于問題的假設，這時學生會發(fā)現(xiàn)自己目前的知識不足以解決問題，于是步入自主學習階段.經(jīng)過自主學習后，學生運用獲得的新知識對他們之前確立的假設進行驗證和評估，這就是解決問題的過程.最后，學生對他們在整個過程中獲得的知識進行概括和總結.

我們發(fā)現(xiàn)在PBL教學活動結構中，學生對實驗現(xiàn)象進行觀察，根據(jù)已有的資料和工具進行學習、探索，對結果進行討論與思考、假設和驗證，也就是進行意義的建構.這和目前高中物理實驗教學期望的學生學習過程不謀而合.因此本文以建構主義思想為理論指導，進行PBL教學模式下的實驗教學.

3 PBL教學模式下的實驗教學

3.1 實驗教學目標

發(fā)光二極管，簡稱為LED，是一種常用的發(fā)光器件.它通過電子與空穴復合釋放能量發(fā)光，可高效地將電能轉化為光能，在現(xiàn)代社會具有廣泛的用途，如照明、平板顯示、醫(yī)療器件等.LED的光學參數(shù)主要有光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強度、波長等，尤其是發(fā)光強度的空間分布和光譜分布是實際應用中人們普遍關心的參數(shù).因此，本實驗的教學目標是讓學生了解LED的發(fā)光原理，掌握測量LED發(fā)光強度空間分布特性的方法，鍛煉學生的實驗能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維.

3.2 實驗教學設計方案

基于PBL教學法的實驗教學設計流程，如圖1所示，包括3個環(huán)節(jié): 課前、課中和課后.

(1)設置情境，提出問題

教師在課前需要預設實驗情境，這是對實驗的類別、目的、操作步驟和結果進行預先估計的過程.常見的實驗類別有驗證類實驗、設計性實驗、儀器使用訓練實驗等.本文采用的實驗屬于具有一定科普性質(zhì)的設計性實驗，學會測量LED燈珠的發(fā)光角特性測量，并用光譜測試儀測出LED光源的光譜，即光源的顏色進行精確判斷，進而讓學生對LED的光學性質(zhì)有更加深入的了解，在此基礎上教師可以引導學生進行適當?shù)淖灾髟O計和探究.

LED燈珠屬于常見光源，學生在日常生活中對LED并不陌生.確定實驗類別和實驗目的后，教師在課前要向?qū)W生進行“預告”，讓學生通過自主學習的方式對實驗涉及的未知概念進行調(diào)研.教師可以利用漸進式實驗設計和控制變量的思想，讓學生能由淺入深、由易到難、系統(tǒng)地歸納LED的發(fā)光特性.基于PBL教學模式提倡以問題為核心的思想，教師應為實驗設置相關的情境和具有探究可行度的問題.

問題1：“LED燈珠在各個方向上發(fā)光強度有區(qū)別嗎？”

問題2：“不同LED燈珠的偏差角會有不同嗎？是否存在沒有偏差角的LED呢？”

問題3：“生活中常見的LED組成的燈組都是五彩斑斕的，不同顏色的LED其光譜分布會有哪些不同呢？你能用已知的不同色光對應波長范圍預判光譜分布的形態(tài)嗎？”

問題4：“不同電壓下的同一LED燈珠，其偏差角會有不同嗎？如何測量偏差角?”

問題5：“環(huán)境中的雜散光是否對測量LED角度特性和光譜特性產(chǎn)生了影響呢？如何盡量減少這種影響？”

(2)合作討論，設計實驗

在實驗課上，學生將運用自己已有的知識，對提出的問題進行分析，界定探究方向.在這一過程中，學生會發(fā)現(xiàn)自身知識的不足.這時就需要在教師的幫助下，通過小組合作的方式自主學習，獲取新知識，然后運用所學知識解決之前確定的問題.因此，教師應幫助學生了解儀器原理和使用方法.即在實驗開始前，學生需要熟悉LED發(fā)光角度特性測試儀，知道它的各個部件如何安裝和校準.明確何時光軸與機械軸重合，以及怎樣測量機械軸與光軸之間存在的偏差角，并從偏差角的測量方法展開對半發(fā)光強度角的測量.對于LED光譜測試儀，學生需要利用計算機軟件直接進行光譜采集.當更換不同顏色LED時，采集到的光譜也各有不同.峰值波長和光譜帶寬等參數(shù)可以直接從軟件中獲取.

對于上文展示的5個問題示例，教師應允許學生自行討論和設計實驗方式.比如在進行LED角度特性測量的時候，學生可以用同一LED燈珠在不同電壓下做幾組實驗，對比偏差角是否有不同；對于LED光譜，學生可以在已知燈珠顏色的情況下對LED發(fā)光光譜分布進行預判和猜想，然后用實驗驗證猜想，對比實驗結果和猜想的相同與差異等.本環(huán)節(jié)教師要注意開放式討論的應用，要利用自身的知識背景，對學生討論的方向進行適時的引導.教師可以對學生討論提出的科學問題大膽拓展，而并不局限于物理問題本身.這也是激發(fā)學生物理興趣的途徑之一.

(3)總結實驗，聯(lián)系實際

實驗結束后，教師指導學生對實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行分析，總結科學規(guī)律.并且引導學生反思實驗過程中存在的問題，經(jīng)過討論得出的實驗設計是否存在可以改進的地方等.除此之外，教師可以對LED的應用進行拓展，發(fā)揮本實驗具有的科普性質(zhì)，增加理論知識與生產(chǎn)生活的聯(lián)系.

3.3 實驗原理

LED發(fā)光強度的空間分布特性是指器件發(fā)射出的光強IV與空間方向角θ的函數(shù)關系[10]

IV=f(θ)

θ一般取為機械角，定義為器件幾何尺寸的中心線或法線為其零度角，如圖2(a)所示.在實際應用中，由于LED封裝工藝問題可能使LED存在發(fā)出光強度最大的方向與機械軸不重合，產(chǎn)生如圖2(b)所示的偏差角Δθ.

圖2 LED發(fā)光的角度分布

實驗儀器采用LED發(fā)光角特性測試儀，如圖3所示為測量LED發(fā)光角度特性的實驗原理圖[10]，PD為硅光電池，通過光電轉換測量光的強度，在儀器上顯示為電壓值.圖中的3道光欄與硅光電池構成一個空間立體角，空間立體角的軸線是固定的，記為PD軸.LED發(fā)光管的機械軸由其外形尺寸決定，夾持器具將其機械軸與PD軸共軸.LED發(fā)出的光只有進入到標準立體角內(nèi)的部分才能被硅光電池PD所接收.當安裝在夾具上的LED燈發(fā)出的光沿z軸最大時表明它的光軸與機械軸重合，轉動旋轉度盤使度盤刻度為0，觀察并讀出輸出電壓值.然后再轉動度盤，邊轉動邊讀輸出電壓，當數(shù)字輸出電壓的示值達到極值Um時停止，記錄此時度盤的角度αm，通過計算可求得LED的光軸與機械軸的偏差角Δθ.

圖3 LED發(fā)光角度特性測量原理圖

3.4 實驗結果

(1)LED發(fā)光強度的空間分布特性測量

將LED正確接入安裝底座并打開電源開關，通過電流調(diào)節(jié)旋鈕使電流不超過20 mA并不再改變，轉動LED夾具直到電壓表讀數(shù)最大時旋緊.表格中的輸出電壓是光電探測器接收到LED發(fā)出的光后輸出的電壓值.對于偏差角Δθ的測量，先轉動旋轉度盤使度盤刻度為0，此時電壓值對應的是機械軸處的電壓，即表中的U1；然后轉動度盤，轉動的同時觀察輸出電壓，當輸出電壓達到最大值時，記錄此時輸出電壓為Umax，此時度盤對應的角度為αm，即光軸與機械軸之間的偏差角Δθ=|αm|.本實驗測出的偏差角為3°，如表1所示.

表1 LED發(fā)光角特性測試的實驗數(shù)據(jù)表

(2)LED光譜分布測量實驗

實驗采用光譜測試儀測試LED燈珠的光譜分布.首先將裝有待測LED的燈座安裝在光譜儀左側的可調(diào)狹縫前，將LED燈座電源線接入插孔，開啟電源總開關，使之通電，這樣就安裝好了測量系統(tǒng).

光譜測試儀是利用LED發(fā)出的光經(jīng)過狹縫入射到反射光柵上，經(jīng)反射分光后產(chǎn)生多色光帶光譜，再經(jīng)過凹面反射鏡匯聚到CCD上，最后將數(shù)據(jù)送入計算機，呈現(xiàn)譜圖[10].將計算機中的數(shù)據(jù)導出，利用Origin Pro軟件作圖如圖4～6所示.

圖4 紅光LED光譜

圖5 藍光LED光譜

圖6 綠光LED光譜

本實驗測試了紅色、藍色和綠色3種LED燈珠的發(fā)光光譜.在光譜測試軟件上，通過標注功能可獲取譜線上特定點的數(shù)據(jù)值，橫坐標表示波長，縱坐標表示歸一化強度.相對光強最大值對應的波長即為LED發(fā)光的中心波長，3個LED的中心波長如表2所示.

表2 LED光譜測試儀實驗數(shù)據(jù)

4 總結

本文以建構主義為理論基礎，結合PBL教學法進行了LED光源角度特性參數(shù)和光譜分布的實驗教學設計，引導學生通過提出科學問題、合作探究、總結反思等途徑，理解科學知識，擴展思維眼界，達到理論與實際相結合、提升學生物理學科素養(yǎng)的目的.本教學設計內(nèi)容豐富，具有一定的科普價值，能充分培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和探究能力.