混合式教學在高中物理實驗課中的應用
——以“用雙縫干涉測量光的波長”為例

尹慶豐

(常州市武進區學校和教師發展中心,江蘇 常州 213164)

1 現狀及問題

物理是一門建立在實驗基礎上的學科,高中物理實驗教學更是高中生認識物理規律、深化物理概念、提升物理學科核心素養的重要部分.然而,實際教學中,因為課時緊張、實驗器材有限等原因,學生實驗往往變成教師做、學生看的演示實驗.為了深入了解高中物理實驗教學的現狀,我們在2021屆高中畢業生中進行了一項問卷調查,調查結果如表1所示.

表1 高中物理實驗參與情況問卷調查結果

參加此次問卷調查的學生一共有156名,且都是高考選考物理的學生.從表1可以看出,只有約1/8的學生做過高中物理教材中全部的實驗,而超過1/3的學生完全沒有做過高中物理教材中的實驗.

與高中物理實驗教學的缺失形成鮮明對比的是,這兩年江蘇省高考物理實驗試題以真實實驗場景再現的方式,指引學生像科學家一樣去思考,鼓勵學生享受科學探究的過程.這樣的實驗試題,源于教材而高于教材,能夠很好地區分考生是否真正做過物理實驗.很明顯,高考試題的導向是要引導學生走進實驗室,身臨其境去動手做實驗,從而回歸物理學科的本源.[1]

如何順利完成讓學生從做實驗真題到真做實驗的角色轉變,是教學一線教師們亟須解決的問題.

2 高中物理實驗課的“混合式教學”模式設計

解決上述實際教學問題,需要軟件和硬件兩者的配合提升.軟件上,教師要重視實驗教學,改善高中物理實驗教學模式、優化實驗教學設計,要讓學生真正動手,并且能進行一定程度的科學探究.硬件上,要有相應數量的實驗儀器,要保證實驗教學的學時,要有可靠的網絡教學平臺和信息化教學手段.

通過不斷地調研與實踐,筆者構建了高中物理實驗的“混合式教學”模式,如圖1所示.需要說明的是,此處的混合式教學,是指廣義的混合式教學,即指將不同的教學手段、教學方法混合使用的教學方式.[2]

圖1 高中物理實驗的“混合式教學”模式

混合式教學一般都會分成課前(P)、課堂(C)、課后(A)3個階段,而我們的特色在于如何搭好混合式教學的梯子,將P-C-A 3個階段緊密結合,有機聯系起來.

首先,線上資源貴在少而精,有用就好,不能一味追求面面俱到.例如課前并不是每一次都要有微課視頻、案例引導、文獻閱讀等,只需要選擇對本次實驗課有引導鋪墊作用的素材就可以了.

其次,混合式教學的平臺要混而不雜,所有的線上學習任務,都能在一個平臺上完成.而課堂實踐操作,包括基本測量、科學探究等都能在一套儀器、一個教室內完成,減輕學生的學習負擔.

基于“混合式教學”的高中物理實驗課的另一個重要特色,在于教師和學生角色方面都有了較大的變化.該模式遵循了學生為主體、教師為輔助的原則.不論是課前、課堂還是課后,學生是真正動手實驗的操作者、觀察者、探究者,而教師只是演示者、指導者、答疑者,完全改變了傳統實驗教學時“教師做、學生看”的模式.

3 高中物理實驗課的“混合式教學”具體實施

高中物理新教材選擇性必修第1冊第4章第4節“實驗:用雙縫干涉測量光的波長”,[3]源于物理學史上最美麗的十大物理實驗之一,[4]也是高中物理教學中非常重要的一個內容.傳統的教學模式重點在于波長計算的公式,對實驗現象只停留在一張圖片上,而改變某項實驗條件會對干涉圖樣有什么樣的具體影響,學生就只是“知其然”了.因此,本文以用雙縫干涉測量光的波長實驗為例,展示“混合式教學”在高中物理實驗課中的具體實施,讓學生親身經歷“知其所以然”的過程.

3.1 線上課前自主預習

從教材安排來看,這節課的前置課程“光的干涉”就是為這節實驗課提供理論基礎的,因此,這節課的重點應該放在動手操作和變量探究上,所以筆者為學生準備了課前預習用的線上資源包,如圖2所示.

圖2 線上課前預習資源包

圖2中的實驗原理,就是這個實驗的理論基礎,而對雙縫干涉實驗亮條紋位置的幾點思考,主要是對亮條紋表達式推導過程中,幾處近似的詳細解釋.[5]這既是對上一節課的公式推導的進一步理論闡述,也是對這一節課實驗原理的深入探討.學生把這兩部分內容連起來看,會對這個實驗有一個更深層次的理論認知.

“托馬斯·楊與楊氏雙縫干涉實驗”主要介紹了托馬斯·楊的生平事跡,以及托馬斯·楊所做的演示光的干涉效應的實驗,[6]讓學生認識到托馬斯·楊和雙縫干涉實驗在光的波動說中的重要地位和意義,激發學生對本次實驗的興趣和重視.

為了讓學生在實驗前有一個直觀的認識,筆者還錄制了實驗操作過程的微視頻,將實驗步驟一步一步演示清楚,不僅可以用于預習,在課堂實際操作中,也可以用于借鑒,以便實驗順利開展.

預習資源包里面的內容,學生根據自己的需要,自主決定要學習哪些內容、按什么順序學習,時間控制在15 min之內,教師可以通過平臺了解學生預習的內容和時長,學生也可以通過平臺將預習中存在的問題與同學、教師交流.

3.2 線下課堂實驗操作

課堂雖然是線下的,但是在教學手段上,也可以充分利用多媒體技術,讓光學實驗“可視化”,從而提高實驗效率.

3.2.1 測量光的波長(約20 min)

這部分內容是傳統教學的重點,幾乎要花1節課時間,但是采用了“混合式教學”模式后,因為學生在課前通過線上資源包已經對實驗原理、實驗步驟等理論知識有了一定的認識,所以課堂講解只需要一帶而過,重點放在學生的動手操作上.如果學校硬件比較好,可以一人一套實驗儀器,效果最佳;如果學校硬件一般,可以分組實驗,幾人一套儀器,雖然動手的幾率小了,但是有了合作的機會,也會讓學生有不同的體驗.

在操作過程中,難點和重點就是條紋間距的讀數問題.這時候可以充分利用現代化工具,將手機對準目鏡,然后投屏到電子黑板上,如圖3所示.

圖3 條紋間距讀數操作演示

由圖3可以看出,這樣的演示,學生不僅能看到教師的調節動作,還能通過電子黑板同時看到調節的效果,比教師用語言描述實驗現象的教學效果好很多.

3.2.2 分組科學探究(約20 min)

測出入射光的波長是這個實驗的基礎任務,但不是最終目標.我們希望每一次實驗都可以讓學生體驗一回自主科學探究的心路歷程,也可以讓學生切身感受為何物理學是一門實驗科學.因此,我們設置了分組科學探究的環節,這一環節從提出問題開始.

問題1:改變雙縫間距(d),干涉條紋會有什么樣的變化?

問題2:改變入射光波長(λ),干涉條紋會有什么樣的變化?

問題3:改變雙縫到屏的距離(l),干涉條紋會有什么樣的變化?

問題4:白光的干涉條紋有什么特點?

對應上述4個問題,教師將學生分成4個小組,每一組有一名組長和若干組員.首先由組長負責抽簽獲得要探究的問題;其次,所有組員一起設計方案、實驗操作,得到相應的結論;最后,每一組派出一名代表匯報自己小組的工作,如圖4所示.干涉圖樣對比,由各組用手機拍攝后,投屏到電子屏幕,便于全班同學一起交流探討.如果硬件條件允許,可以把學生分成8組,每兩組探究同一個問題,既可以提高學生的參與度,還可以通過打擂臺的形式,充分調動學生開展科學探究的積極性.

圖4 分組科學探究的工作匯報

當然,學生在探究的過程中也遇到了一些問題,例如,不同的學生看到的干涉圖樣清晰度不同;白光的干涉圖樣比較模糊,而且會出現不完整的彩色條紋等等.省教研室葉兵教授在國家級“雙新”示范區(無錫)2022年高中物理實驗教學研討會上做報告時曾經說過,實驗不一定就能得到理想的結果,要允許有問題的存在.因此,教師首先應該肯定學生觀察到的實驗現象,肯定他們遇到的真實問題,讓學生在交流過程中分析問題、解決問題.大家提出的改進方案、具體操作中需要修正的點,都將為以后解答實驗試題積累經驗.

由上述過程,可以看出分組探究實驗的具體教學實施中,不同的環節采用不同的學習方式,混合式教學模式得到了進一步細化,如圖5所示.

圖5 基于“混合式教學”的高中物理實驗分組科學探究

學生通過發現式學習,結合課前預習所閱讀的相關文獻、前期實驗等,發現問題、提出問題;根據提出的問題,通過合作式學習進行小組討論,形成擬解決問題的實驗方案,然后進行實驗操作.這一過程充分體現學生的主體地位.通過引導式學習和互動式學習,教師完成對學生的引導和思維拓展,學生對實驗方案進行修正,加強了教師與學生、學生與學生之間的交流;最后由教師總結實驗探究的成果,讓學生有滿滿的獲得感.

3.2.3 線上線下鞏固拓展

實驗課堂結束后,學生根據實驗數據進行數據處理,求出入射光波長,然后根據自己所在小組解決的問題,完成實驗報告.然而,隨著學生探究過程的深入,還會不斷有新的問題提出,例如:干涉條紋的光強是相等的嗎?雙縫間距對干涉條紋有影響,那么雙縫縫寬對干涉條紋有影響嗎?現在家里用的都是LED燈,那么不同的光源會引起實驗結果的變化嗎?……為此,筆者還發布了線上課后拓展資源包,如圖6所示.

圖6 線上課后拓展資源包

課后資源包中虛擬仿真實驗可以從實驗的角度來研究干涉條紋的光強分布等問題,參考文獻[7-9]可以讓大家從數學的角度來學習如何解決上述問題,兩者相輔相成,讓學生體會到數學與物理密不可分的關系.同樣的,課后拓展也由學生自己決定完成的內容和程度,時間控制在30 min之內.

課前預習資源包也可以用來課后復習拓展.有興趣的學生,還可以根據資源包中材料,到實驗室中還原托馬斯·楊當時所做的實驗,尤其是用白熾燈作為光源的時候,在雙縫之前一定要放置一個單縫(或者小孔),否則就無法觀察到干涉現象,可以讓學生進一步理解相干光的概念.

4 結語

這節實驗課,如果考慮到學時緊張的問題,也可以和理論課合并為一個學時,只要將光的干涉原理部分從課前預習改為課堂講授,將課堂分組探究部分的4個問題改為課后拓展.由此可見,在高中物理實驗課堂中,合理地運用混合式教學,可以有不同組合方式的教學設計,最大程度地提高實驗教學的效率,激發學生的學習興趣,培養學生科學探究的能力.教學相長,教師也可以在混合式教學中不斷得到提升.