軍隊院校“大學物理實驗”問題驅動式教學案例設計
——以聲速測量實驗為例

周曉云，周 夢，景素華

（武警警官學院 基礎部，四川 成都 610213）

“大學物理實驗”是軍隊院校生長軍（警）官本科教育科學文化共同課程之一，作為一門實踐課程，其不僅能幫助學員深入理解物理概念和規(guī)律，還在培養(yǎng)和提高學員動手能力、觀察能力、理論聯系實際能力等方面比理論課程更具課程優(yōu)勢。同時也為學員的主動學習能力、科學思維能力、實踐創(chuàng)新能力等綜合科學素質的培養(yǎng)提供最直接的途徑。因此，“大學物理實驗”課程在科學文化課程中具有不可替代的作用。為提高“大學物理實驗”課堂的教學效果，筆者從軍隊院校學員學習現狀出發(fā)，遵循課堂教學內容邏輯，以聲速測量實驗為例，嘗試問題驅動式的教學模式，突出實驗思想、方法與技術，提高學員的綜合科學素質。

一、“大學物理實驗”課程教學現狀

“大學物理實驗”課程共56課時，分為兩學期授課，即每學期28課時，課時量僅是學員一學期總課時的6%左右，加之軍隊院校學員的任職需求，軍事基本技能和軍事體育訓練占據了大部分的空余時間，學員本身也對實驗課程有一定的畏難排斥心理。因此，不論是主觀因素還是客觀因素，學員對實驗課程的重視程度都比較低，體現在預習環(huán)節(jié)不能仔細研究教學資料形成初步的思維邏輯，課堂依賴教員講授與實驗演示，對操作中出現的問題不能夠獨立思考并嘗試解決，課后完成實驗報告時存在應付心理，不能夠積極地將所學知識運用到課外實踐中。此外，在傳統(tǒng)實驗講授模式中，教員不僅將原本教材上就有的實驗目的、實驗原理以及實驗注意事項告訴學員，還要詳細地講解實驗原理、方法、步驟、儀器使用、數據記錄、數據處理等，甚至還要在學員做實驗之前從頭到尾地演示實驗，讓學員看得清清楚楚、明明白白，可以說是手把手地教，缺少讓學員自主思考、探索和創(chuàng)新的環(huán)節(jié)［1］。

二、基于教學現狀的問題驅動式教學思路

問題驅動式教學法的關鍵是以學員為主體、以問題為核心規(guī)劃教學內容，通過解決問題使學員掌握核心知識與技能，即教師在課上引入與知識點相關的問題，以問題為牽引，通過師生互動，加深學員對知識點的了解，培養(yǎng)學員的邏輯思維能力。問題驅動的實施包括提出問題及解決問題兩個階段，在解決問題的過程中又會產生新的問題，從而形成提出問題—解決問題—產生問題—解決問題的循環(huán)，實現持續(xù)的深入學習和教育進程［2］。

基于上述思想，筆者在聲速測量教學中實施問題驅動式教學，主要思路是在充分分析學員學情的基礎下，對實驗的教學內容進行庖丁解牛，厘清哪些內容是預習過程中學員能夠大致了解的，哪些內容是課堂教學中教員應該總結歸納的，哪些內容是可以通過問題進行研討的，哪些內容可以留在課后由學員自行實踐，即梳理出實驗的各個階段需要學員調查、討論、剖析的問題，并合理設置問題的難度，讓學員“跳一跳能夠得著”，還要做好學員提出新問題的準備并加以引導，使問題沿著課堂主線進行，做好課堂研討時間的預估，合理把握課堂進度。

三、聲速測量問題驅動式教學設計

（一）教學內容梳理

聲速測量實驗是一個綜合型實驗，知識內容涉及3個概念——聲波、駐波、聲壓，2個物理量的測量——共振頻率、聲波波長，1個實驗常用技術——壓電陶瓷換能器，2種實驗方法——共振干涉法、李薩如圖形法。整理聲速測量思維導圖，見圖1，可以在課前向學員呈現，促進學員對本實驗邏輯脈絡的清晰了解［3］。在理論課中，學員對聲波、駐波的有關理論已經有了一定的理解，知道駐波的形成條件以及波節(jié)、波腹等概念，但并未學習過聲壓、聲駐波的概念，也未涉及壓電效應這一聲電轉換技術，這是在原理講授中要著重解析的概念。本實驗學習的重點是兩種實驗方法測量聲波波長，關鍵實驗思想是如何利用波動特性將不可見的波長轉化為看得見的實驗圖像并進行測量，這是幫助學員形成實驗思維，培養(yǎng)學員將理論知識應用于實踐的能力的關鍵步驟。學習的難點是在共振干涉法中判斷駐波的形成，判斷波節(jié)點的位置，這里涉及聲電轉換的關鍵技術——壓電效應，即聲壓作用在換能器上形成電信號的過程。

圖1 聲速測量思維導圖

（二）實驗項目的引入設計

在課堂引入設計方面，作為軍校教員不僅要考慮實驗研究對生產生活的意義，還要使課堂同戰(zhàn)場銜接緊密，突出軍味。對于聲速測量實驗而言，我們在引入時通過播放超聲速戰(zhàn)斗機轟聲視頻，引起學員的學習興趣，并提出問題：轟聲是如何產生的？轟聲的產生對于飛機的飛行有何影響？大部分學員能夠給出一個籠統(tǒng)的答案，即飛行超過聲速時會產生轟聲，轟聲可能引起飛機的解體。可以繼續(xù)引導設問，使學員聯系物理基本原理：回想一下多普勒效應，飛機在飛行過程中會引起空氣振動，即產生聲波向四周傳播，這個速度是聲速，如果飛機飛行速度趨近聲速或者是超過聲速會怎樣？對空氣的影響是什么？學員進行深入分析可以得出答案：剛發(fā)出的聲波會越來越接近之前發(fā)出的聲波，聲波會壓縮空氣，當飛機穿透被壓縮空氣時就會像刺破氣球一樣產生轟聲。基于以上內容的引入，可以引導學員科學認識轟聲的產生，增強科學知識，又可引出實驗的目的：聲速是軍事科技中的一個重要基本概念，探究實驗中如何準確地測量聲速。

（三）聲速測量實驗方案的教學設計

1.聲波頻率的確定（聲波分類見表1）。設問：表1中列出了不同頻率聲波的特點，根據不同類型聲波的特點，實驗中利用哪類聲波來測量其速度比較合適呢？學員通過分析比較能夠得出實驗的研究對象——超聲波，進而引出超聲波在實驗研究、生產生活中的優(yōu)勢：方向性好、能量易于集中，波長短不易發(fā)生衍射，還可介紹超聲波在我國深潛重器“奮斗者”號聲學系統(tǒng)和潛艇聲吶中的廣泛應用，激發(fā)學員科技強軍之志，并引導學員討論超聲波的其他應用，提高學員對超聲波的認識。

表1 聲波分類

2.超聲波的產生和檢測。繼續(xù)設問：在本實驗中如何產生超聲波？又如何檢測？可以讓學員觀察并描述實驗儀器的特點，引導學員注意實驗儀器中的兩個類似喇叭的裝置，即壓電陶瓷換能器，它們是實驗中產生和檢測超聲波的關鍵。由于學員尚未學習過壓電效應理論，在課堂中可以通過演示普通打火機的點火方式進行類比說明：壓電晶體受到外力作用時，晶體結構變形，原子就會互相推擠，形成電勢差，即壓電效應，壓電效應示意圖見圖2。接著提問：聲波在傳播過程中是如何作用在壓電晶體上的？聲波在傳播過程中引起空氣中分子振動，由此產生空氣壓強改變也就是聲壓，聲壓作用于壓電陶瓷換能器上即可產生壓電效應，于是實現了從聲能到電能的轉換。實際上，壓電效應的應用已經十分廣泛，如聲吶系統(tǒng)、超聲探頭、壓電驅動器等，對壓電效應的研究也已經精細到納米尺寸［4］。對學員設問：對于軍校學員而言，能否利用壓電效應進行發(fā)電、產熱從而輔助日常的軍事訓練呢？通過演示、提問、拓展，對生活中常見的現象溯源，聯系實驗中的技術，并鼓勵學員動腦將所學技術應用到與其密切相關的軍事生活中，實現應用—實驗—實踐的完整學習鏈條。

圖2 壓電效應示意圖

還可向學員提問：壓電效應可以實現聲轉電產生超聲波，有沒有逆壓電效應實現電轉聲？鼓勵學員采用逆向思維分析逆壓電效應，得出超聲波的產生機制，利用高頻電流作用在壓電晶體上可產生高頻的機械振動從而產生超聲波，超聲波的頻率就是輸入電信號的頻率。基于以上分析，由壓電陶瓷換能器（發(fā)射器）可以將電信號轉換為超聲波發(fā)射，并由壓電陶瓷換能器（接收器）接收轉化為電信號，不論是發(fā)射信號還是接收信號都可以顯示在示波器中。

3.測量波長。連接實驗儀器，演示轉動鼓輪移動接收器位置，引導學員觀察接收換能器對應的示波器波形變化，提出問題：接收器信號發(fā)生了什么變化，有什么規(guī)律？可以看出，一是電信號的強度在周期性的變化，二是電信號的相位較入射波發(fā)生了周期性的變化。總結實驗規(guī)律之后，繼續(xù)引導學員分析其物理原理，并和波長進行關聯。

針對電信號的強度變化繼續(xù)設問：超聲波在接收器端面處發(fā)生反射，入射波和反射波進行疊加形成縱駐波，與弦上橫駐波類比，當發(fā)射器和接收器二者之間的距離滿足什么條件時會形成駐波？接收器處是波節(jié)還是波腹？對應的聲壓如何？在學員進行定性分析后，可給出駐波方程及聲壓方程進行定量分析得出測量波長的方法。

針對電信號的相位變化設問：如何直觀地比較接收電信號和發(fā)射電信號的相位差？以往的示波器實驗中已經接觸了李薩如圖形法，可由學員自行討論在實驗中利用何種圖形判斷二者的相位差大小及與波長的關聯。

這部分教學的目的在于引導學員觀察實驗現象，總結實驗規(guī)律，分析其物理原理，從而進行波長測量。

（四）測量過程中的教學引導

在講授實驗方法的過程中已融合了關鍵的操作過程，因此可由學員自行進行測量探索。但聲速測量中出現的一些現象值得我們探究，比如在進行共振干涉法測量時，接收電信號的峰值為什么會隨著距離增加而減小？在搖動鼓輪觀察電信號強度變化時，電信號會達到一個次強峰而非最強峰，該如何辨別？同時操作時，因無法判斷電信號下一步變化情況，容易錯過最強峰的位置，對實驗有何影響？共振干涉法和李薩如圖形法哪種方式測量更準確？

（五）實驗拓展的引導設計

在完成實驗基本內容的基礎上，可以引導學員分析實驗本質，并進行拓展實驗。本實驗測量了空氣中的聲速，是否能夠測量其他介質中的聲速，如液體、固體等單一介質或復合介質中的聲速？實驗中是固定了聲波頻率，改變接收器位置測量聲速，能否固定接收器位置，改變波源頻率進行測量［5］？共振干涉法測量聲速的關鍵技術與手段是什么？能否利用手機的傳感器性能進行課外測量［6］？聲壓的本質是什么，可否利用聲壓懸浮物體？

此環(huán)節(jié)問題的設計，目的在于啟發(fā)學員對實驗方法與技術深入思考，舉一反三，將實驗知識運用到其他問題中，起到拓寬思維、提升探究能力的目的。

結語

通過學情分析、內容梳理，對聲速測量實驗涉及的理論知識、實驗方法與技術、實驗拓展等教學內容進行問題驅動式設計，使課堂內容抽絲剝繭式展開，利用難度不高但引導性強的問題，使學員成為課堂的主體，促進其在后續(xù)學習中主動思考，從而提高學員的綜合科學素質，這種教學模式也可為大學物理實驗其他的實驗項目教學提供參考。