混合式教学在高中物理实验课中的应用
——以“用双缝干涉测量光的波长”为例

尹庆丰

(常州市武进区学校和教师发展中心,江苏 常州 213164)

1 现状及问题

物理是一门建立在实验基础上的学科,高中物理实验教学更是高中生认识物理规律、深化物理概念、提升物理学科核心素养的重要部分.然而,实际教学中,因为课时紧张、实验器材有限等原因,学生实验往往变成教师做、学生看的演示实验.为了深入了解高中物理实验教学的现状,我们在2021届高中毕业生中进行了一项问卷调查,调查结果如表1所示.

表1 高中物理实验参与情况问卷调查结果

参加此次问卷调查的学生一共有156名,且都是高考选考物理的学生.从表1可以看出,只有约1/8的学生做过高中物理教材中全部的实验,而超过1/3的学生完全没有做过高中物理教材中的实验.

与高中物理实验教学的缺失形成鲜明对比的是,这两年江苏省高考物理实验试题以真实实验场景再现的方式,指引学生像科学家一样去思考,鼓励学生享受科学探究的过程.这样的实验试题,源于教材而高于教材,能够很好地区分考生是否真正做过物理实验.很明显,高考试题的导向是要引导学生走进实验室,身临其境去动手做实验,从而回归物理学科的本源.[1]

如何顺利完成让学生从做实验真题到真做实验的角色转变,是教学一线教师们亟须解决的问题.

2 高中物理实验课的“混合式教学”模式设计

解决上述实际教学问题,需要软件和硬件两者的配合提升.软件上,教师要重视实验教学,改善高中物理实验教学模式、优化实验教学设计,要让学生真正动手,并且能进行一定程度的科学探究.硬件上,要有相应数量的实验仪器,要保证实验教学的学时,要有可靠的网络教学平台和信息化教学手段.

通过不断地调研与实践,笔者构建了高中物理实验的“混合式教学”模式,如图1所示.需要说明的是,此处的混合式教学,是指广义的混合式教学,即指将不同的教学手段、教学方法混合使用的教学方式.[2]

图1 高中物理实验的“混合式教学”模式

混合式教学一般都会分成课前(P)、课堂(C)、课后(A)3个阶段,而我们的特色在于如何搭好混合式教学的梯子,将P-C-A 3个阶段紧密结合,有机联系起来.

首先,线上资源贵在少而精,有用就好,不能一味追求面面俱到.例如课前并不是每一次都要有微课视频、案例引导、文献阅读等,只需要选择对本次实验课有引导铺垫作用的素材就可以了.

其次,混合式教学的平台要混而不杂,所有的线上学习任务,都能在一个平台上完成.而课堂实践操作,包括基本测量、科学探究等都能在一套仪器、一个教室内完成,减轻学生的学习负担.

基于“混合式教学”的高中物理实验课的另一个重要特色,在于教师和学生角色方面都有了较大的变化.该模式遵循了学生为主体、教师为辅助的原则.不论是课前、课堂还是课后,学生是真正动手实验的操作者、观察者、探究者,而教师只是演示者、指导者、答疑者,完全改变了传统实验教学时“教师做、学生看”的模式.

3 高中物理实验课的“混合式教学”具体实施

高中物理新教材选择性必修第1册第4章第4节“实验:用双缝干涉测量光的波长”,[3]源于物理学史上最美丽的十大物理实验之一,[4]也是高中物理教学中非常重要的一个内容.传统的教学模式重点在于波长计算的公式,对实验现象只停留在一张图片上,而改变某项实验条件会对干涉图样有什么样的具体影响,学生就只是“知其然”了.因此,本文以用双缝干涉测量光的波长实验为例,展示“混合式教学”在高中物理实验课中的具体实施,让学生亲身经历“知其所以然”的过程.

3.1 线上课前自主预习

从教材安排来看,这节课的前置课程“光的干涉”就是为这节实验课提供理论基础的,因此,这节课的重点应该放在动手操作和变量探究上,所以笔者为学生准备了课前预习用的线上资源包,如图2所示.

图2 线上课前预习资源包

图2中的实验原理,就是这个实验的理论基础,而对双缝干涉实验亮条纹位置的几点思考,主要是对亮条纹表达式推导过程中,几处近似的详细解释.[5]这既是对上一节课的公式推导的进一步理论阐述,也是对这一节课实验原理的深入探讨.学生把这两部分内容连起来看,会对这个实验有一个更深层次的理论认知.

“托马斯·杨与杨氏双缝干涉实验”主要介绍了托马斯·杨的生平事迹,以及托马斯·杨所做的演示光的干涉效应的实验,[6]让学生认识到托马斯·杨和双缝干涉实验在光的波动说中的重要地位和意义,激发学生对本次实验的兴趣和重视.

为了让学生在实验前有一个直观的认识,笔者还录制了实验操作过程的微视频,将实验步骤一步一步演示清楚,不仅可以用于预习,在课堂实际操作中,也可以用于借鉴,以便实验顺利开展.

预习资源包里面的内容,学生根据自己的需要,自主决定要学习哪些内容、按什么顺序学习,时间控制在15 min之内,教师可以通过平台了解学生预习的内容和时长,学生也可以通过平台将预习中存在的问题与同学、教师交流.

3.2 线下课堂实验操作

课堂虽然是线下的,但是在教学手段上,也可以充分利用多媒体技术,让光学实验“可视化”,从而提高实验效率.

3.2.1 测量光的波长(约20 min)

这部分内容是传统教学的重点,几乎要花1节课时间,但是采用了“混合式教学”模式后,因为学生在课前通过线上资源包已经对实验原理、实验步骤等理论知识有了一定的认识,所以课堂讲解只需要一带而过,重点放在学生的动手操作上.如果学校硬件比较好,可以一人一套实验仪器,效果最佳;如果学校硬件一般,可以分组实验,几人一套仪器,虽然动手的几率小了,但是有了合作的机会,也会让学生有不同的体验.

在操作过程中,难点和重点就是条纹间距的读数问题.这时候可以充分利用现代化工具,将手机对准目镜,然后投屏到电子黑板上,如图3所示.

图3 条纹间距读数操作演示

由图3可以看出,这样的演示,学生不仅能看到教师的调节动作,还能通过电子黑板同时看到调节的效果,比教师用语言描述实验现象的教学效果好很多.

3.2.2 分组科学探究(约20 min)

测出入射光的波长是这个实验的基础任务,但不是最终目标.我们希望每一次实验都可以让学生体验一回自主科学探究的心路历程,也可以让学生切身感受为何物理学是一门实验科学.因此,我们设置了分组科学探究的环节,这一环节从提出问题开始.

问题1:改变双缝间距(d),干涉条纹会有什么样的变化?

问题2:改变入射光波长(λ),干涉条纹会有什么样的变化?

问题3:改变双缝到屏的距离(l),干涉条纹会有什么样的变化?

问题4:白光的干涉条纹有什么特点?

对应上述4个问题,教师将学生分成4个小组,每一组有一名组长和若干组员.首先由组长负责抽签获得要探究的问题;其次,所有组员一起设计方案、实验操作,得到相应的结论;最后,每一组派出一名代表汇报自己小组的工作,如图4所示.干涉图样对比,由各组用手机拍摄后,投屏到电子屏幕,便于全班同学一起交流探讨.如果硬件条件允许,可以把学生分成8组,每两组探究同一个问题,既可以提高学生的参与度,还可以通过打擂台的形式,充分调动学生开展科学探究的积极性.

图4 分组科学探究的工作汇报

当然,学生在探究的过程中也遇到了一些问题,例如,不同的学生看到的干涉图样清晰度不同;白光的干涉图样比较模糊,而且会出现不完整的彩色条纹等等.省教研室叶兵教授在国家级“双新”示范区(无锡)2022年高中物理实验教学研讨会上做报告时曾经说过,实验不一定就能得到理想的结果,要允许有问题的存在.因此,教师首先应该肯定学生观察到的实验现象,肯定他们遇到的真实问题,让学生在交流过程中分析问题、解决问题.大家提出的改进方案、具体操作中需要修正的点,都将为以后解答实验试题积累经验.

由上述过程,可以看出分组探究实验的具体教学实施中,不同的环节采用不同的学习方式,混合式教学模式得到了进一步细化,如图5所示.

图5 基于“混合式教学”的高中物理实验分组科学探究

学生通过发现式学习,结合课前预习所阅读的相关文献、前期实验等,发现问题、提出问题;根据提出的问题,通过合作式学习进行小组讨论,形成拟解决问题的实验方案,然后进行实验操作.这一过程充分体现学生的主体地位.通过引导式学习和互动式学习,教师完成对学生的引导和思维拓展,学生对实验方案进行修正,加强了教师与学生、学生与学生之间的交流;最后由教师总结实验探究的成果,让学生有满满的获得感.

3.2.3 线上线下巩固拓展

实验课堂结束后,学生根据实验数据进行数据处理,求出入射光波长,然后根据自己所在小组解决的问题,完成实验报告.然而,随着学生探究过程的深入,还会不断有新的问题提出,例如:干涉条纹的光强是相等的吗?双缝间距对干涉条纹有影响,那么双缝缝宽对干涉条纹有影响吗?现在家里用的都是LED灯,那么不同的光源会引起实验结果的变化吗?……为此,笔者还发布了线上课后拓展资源包,如图6所示.

图6 线上课后拓展资源包

课后资源包中虚拟仿真实验可以从实验的角度来研究干涉条纹的光强分布等问题,参考文献[7-9]可以让大家从数学的角度来学习如何解决上述问题,两者相辅相成,让学生体会到数学与物理密不可分的关系.同样的,课后拓展也由学生自己决定完成的内容和程度,时间控制在30 min之内.

课前预习资源包也可以用来课后复习拓展.有兴趣的学生,还可以根据资源包中材料,到实验室中还原托马斯·杨当时所做的实验,尤其是用白炽灯作为光源的时候,在双缝之前一定要放置一个单缝(或者小孔),否则就无法观察到干涉现象,可以让学生进一步理解相干光的概念.

4 结语

这节实验课,如果考虑到学时紧张的问题,也可以和理论课合并为一个学时,只要将光的干涉原理部分从课前预习改为课堂讲授,将课堂分组探究部分的4个问题改为课后拓展.由此可见,在高中物理实验课堂中,合理地运用混合式教学,可以有不同组合方式的教学设计,最大程度地提高实验教学的效率,激发学生的学习兴趣,培养学生科学探究的能力.教学相长,教师也可以在混合式教学中不断得到提升.