互動物理實驗在大學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用

吳建海,段雪松,孔祥明,安 莉,葉文江

(河北工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院,天津 300401)

大學(xué)物理和大學(xué)物理實驗是理工科學(xué)生的公共必修基礎(chǔ)課,是學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)課的必備基礎(chǔ),具有承上啟下的作用. 然而,2門課程在內(nèi)容上存在嚴(yán)重不同步的問題,學(xué)生在理論課上學(xué)到的知識無法及時利用實驗進(jìn)行驗證. 大學(xué)物理的授課計劃是課程統(tǒng)一安排且按教學(xué)進(jìn)度順序進(jìn)行,而大學(xué)物理實驗課是循環(huán)進(jìn)行. 例比如大學(xué)物理課程從運動學(xué)開始,但大學(xué)物理實驗不是都從運動學(xué)開始,因為實驗課嚴(yán)重依賴實驗儀器,若跟隨理論課將對儀器的臺套數(shù)有巨大的挑戰(zhàn),同時其他實驗儀器將處于嚴(yán)重閑置狀態(tài),即使臺套數(shù)能滿足要求,每節(jié)課更換實驗儀器的工作也將是極其艱巨的任務(wù).

另外,大學(xué)物理課程缺乏學(xué)生可以深度參與的課堂實驗[1]. 具體表現(xiàn)為:a.現(xiàn)有演示實驗僅由教師單方面展示,學(xué)生作為觀眾被動觀看[2];b.有的學(xué)校建設(shè)了演示實驗、探索實驗室和走廊實驗[3],學(xué)生可以動手操作,但僅限在實驗室進(jìn)行,且一般都缺乏教師現(xiàn)場指導(dǎo),學(xué)生雖然參與但無法深入理解物理原理;c.有的學(xué)校針對大學(xué)物理實驗開發(fā)了居家實驗[4]或宿舍實驗[5],這種模式鼓勵學(xué)生利用手邊材料或?qū)嶒炇野l(fā)放的材料進(jìn)行簡單的實驗,可脫離實驗室進(jìn)行實驗,雖然能鍛煉學(xué)生的動手能力,但這些實驗并不是針對大學(xué)物理課程內(nèi)容開發(fā)的,所以缺乏針對性.

互動被認(rèn)為是增進(jìn)了解、加強(qiáng)共識的有效方式,該觀點在教學(xué)上的應(yīng)用得到了重視[6-10],例如2022年張萍等人就大學(xué)物理課堂互動教學(xué)模式進(jìn)行了研究[6];2022年中國科學(xué)院科學(xué)傳播中心就中國科學(xué)傳播現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,認(rèn)為互動作為大眾最喜聞樂見的科學(xué)傳播形式應(yīng)該得到加強(qiáng)[7],但將互動應(yīng)用在理論課堂的實驗內(nèi)容還鮮見報道.

本文提出了具有互動性質(zhì)的新實驗教學(xué)模式,在理論課課堂進(jìn)行了試點應(yīng)用并逐步推廣到全校,并對其教學(xué)效果進(jìn)行了研究.

1 互動物理實驗

為解決傳統(tǒng)教學(xué)中缺少互動的問題,提出了互動物理實驗新模式,學(xué)生可以通過手中的學(xué)具、量具等參與到教師的演示實驗中,而不是被動地觀看教師的演示. 該模式使學(xué)生的課堂參與度更深、積極性更強(qiáng).

1.1 開發(fā)實驗項目

開發(fā)了互動物理實驗項目,以增加課程的吸引力,同時彌補(bǔ)理論課和實驗課不同步的缺陷. 目前,針對光柵光譜、偏振開發(fā)了6個課堂實驗項目,如表1所示.

表1 課堂實驗項目

1.2 開發(fā)學(xué)具

為互動物理實驗開發(fā)學(xué)具,以滿足學(xué)生端對互動的要求,分別是光柵卡片(二維正交平面透射式光柵,光柵常量為360 mm-1)和偏振卡片(線偏振片),如圖1所示.

(a)光柵卡片 (b)偏振卡片圖1 學(xué)具卡片

在課前,每名學(xué)生將得到學(xué)具,并按照學(xué)案中的要求完成預(yù)習(xí). 課堂上,學(xué)生利用學(xué)具參與課堂實驗. 課后,學(xué)生可以利用學(xué)具完成作業(yè),學(xué)具則不再收回. 這種獲得感是其他教學(xué)形式無法滿足的.

1.3 開發(fā)教具

為互動物理實驗開發(fā)相應(yīng)的實驗儀器,以滿足教師端對互動教學(xué)的要求.

1.3.1 發(fā)射譜(元素?zé)?

磁吸式鈉燈、磁吸式汞燈、各種磁吸式稀有氣體燈,點亮鈉燈的觀測效果如圖2所示.

圖2 用光柵卡片觀察鈉燈

教師將磁吸式鈉燈吸在黑板上,以黑板為背景,學(xué)生通過光柵卡片能清楚地看到鈉光譜的主要成分為黃色,同時還有藍(lán)紫色和比較淡的綠色(圖3).

圖3 鈉光譜

點亮汞燈的觀測效果如圖4所示,學(xué)生可以明顯觀察到汞光譜的主要成分為黃、綠、藍(lán)、紫(圖5).

圖4 用光柵卡片觀察汞燈

圖5 汞光譜

教師可向?qū)W生簡單介紹“同色異譜”現(xiàn)象,即汞燈雖然看起來發(fā)白,但由于其光譜中紅、橙等部分較少,色調(diào)上偏冷,所以選衣服看顏色時在這樣光源下的視覺效果與陽光下不同. 進(jìn)而解釋了為什么在印刷、染色等與顏色有關(guān)的行業(yè)需要使用標(biāo)準(zhǔn)光源.

通過以上實驗觀察發(fā)射譜,學(xué)生明白了“譜”的概念即為不同波長在橫向上的展開,和枯燥的理論與單純的講授相比,學(xué)生通過親自觀察實驗,能夠?qū)χR的理解將更具體、更深刻.

1.3.2 連續(xù)譜、吸收譜(氙燈、氙燈+紅寶石濾鏡、氙燈+紅玻璃濾鏡)

氙燈可提供連續(xù)譜(圖6),是科學(xué)測量中的常用光源.

圖6 用光柵卡片觀察氙燈

在氙燈前加裝紅玻璃濾鏡將使光譜中黃綠以后的顏色消失,即為紅玻璃的吸收譜,呈現(xiàn)低阻[圖7(a)];換成紅寶石濾鏡后,多了藍(lán)紫等顏色,呈現(xiàn)帶阻[圖7(b)]. 通過觀察吸收譜中顏色的成分就可以區(qū)分紅寶石和紅玻璃.

(a)紅玻璃濾鏡 (b)紅寶石濾鏡圖7 用光柵卡片觀察加裝濾鏡的氙燈

1.3.3 色度學(xué)(黃LED燈、氙燈+查爾斯濾鏡)

色度學(xué)在物理、生理、心理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用. 實驗中,先讓學(xué)生直接觀察黃LED和加裝了查爾斯濾鏡(用于寶石鑒定的特殊濾鏡,只能透過紅色和部分黃綠色的光)的氙燈,兩者呈現(xiàn)相似的黃色(LED是明黃色,查爾斯濾鏡是土黃色). 透過光柵卡片再觀察會發(fā)現(xiàn),LED中雖然包含了較淡的紅色和綠色,但主要是黃色[圖8(a)];而加裝了查爾斯濾鏡的氙燈中卻只有紅色和綠色,并沒有黃色[圖8(b)]. 以上現(xiàn)象可以解釋為什么光的三原色只有紅、綠、藍(lán),是因為視網(wǎng)膜上只有這3種感光細(xì)胞,眼睛看到其他顏色是大腦合成的. 所以用肉眼無法準(zhǔn)確判斷顏色成分,需要使用光柵或三棱鏡等分光元件將復(fù)合光分解為單色光才能判斷.

(a)觀察黃LED (b)觀察氙燈+查爾斯濾鏡圖8 用光柵卡片觀察黃LED、氙燈+查爾斯濾鏡

1.3.4 顯色偏振(偏振背光板+偏振畫)

生活中經(jīng)常使用的透明膠帶具有二向色性特點,即膠帶對o光和e光的折射率不相等. 圖9彩虹中的不同顏色是通過粘貼不同層數(shù)的透明膠帶實現(xiàn)的,由于不同層數(shù)的膠帶對o光和e光產(chǎn)生的附加光程不相等,故放到2層偏振片之間時,會使某些波長的光產(chǎn)生相干相消,可觀察到由于顏色消失而產(chǎn)生的補(bǔ)色. 同時在不同檢偏角度下產(chǎn)生消光的波長會發(fā)生變化,所以也會觀察到變色現(xiàn)象. 在偏振光的背光板,附上事先做好的偏振畫,學(xué)生利用自己的偏振卡片觀察,可以發(fā)現(xiàn),只有用偏振卡片觀察時才能看到圖案上的顏色,轉(zhuǎn)動偏振卡片時還能看到顏色的變化. 由于學(xué)生能自主控制手中的偏振卡片,所以教學(xué)過程中學(xué)生的參與意愿非常強(qiáng)烈. 鮮艷的色彩和神奇的現(xiàn)象總能引起學(xué)生的濃厚興趣,在向?qū)W生傳達(dá)物理知識的同時,也體現(xiàn)了物理的美.

(a) 卡片與背光板偏振化方向垂直

(b) 卡片與背光板偏振化方向平行圖9 結(jié)合偏振背光板用偏振卡片觀看偏振畫

1.3.5 力致雙折射(偏振背光板+光彈模型)

很多材料在受力時會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象,這是由于外力導(dǎo)致材料對o光和e光的折射率不相等,如果光程恰好滿足條件,將會使某個波長的光產(chǎn)生消光,就能觀察到由于這種顏色消失而產(chǎn)生的補(bǔ)色. 由于材料中相同應(yīng)力處會形成連續(xù)色帶,不同應(yīng)力處顏色及其疏密程度不同,故可以直接用肉眼觀察到應(yīng)力分布情況.

在生產(chǎn)過程中塑料尺在模具里經(jīng)歷了從液態(tài)到固態(tài)的過程,分子之間的狀態(tài)還沒來得及通過擠壓變成均勻就被“凍結(jié)”了,所以通過圖10彩色花紋的疏密程度可以判斷塑料尺內(nèi)部應(yīng)力的分布情況. 比如,注塑口處花紋相對集中,意味著如果塑料尺整體受外力彎折,注塑口處將首先斷裂,因為在材料所受外力基本相等的情況下,此處受到內(nèi)力更大. 同時可以說明為什么各種金屬鑄件在使用前需要退火消應(yīng)力以提高機(jī)械性能,延長使用壽命.

圖10 結(jié)合偏振背光板用偏振卡片觀察塑料尺

圖11用光彈材料制作的扳手模型在實際受力(扳螺母)時,學(xué)生可以清楚的看到扳手上應(yīng)力的分布情況,并能準(zhǔn)確通過缺口拐角處花紋密集判斷此處應(yīng)力較為集中,通過比較圖12理解真正的扳手在缺口處會用圓弧而不是尖角,以保證應(yīng)力較為分散.

圖11 結(jié)合偏振背光板用偏振卡片觀察光彈模型

圖12 真正的扳手

這些儀器體積小、重量輕、便于攜帶、現(xiàn)象明顯,可滿足了大多數(shù)教學(xué)場景的要求.

1.4 開發(fā)新媒體平臺

利用新媒體平臺的優(yōu)勢,建立了微信公眾號“工大物理實驗”(圖13),該公眾號能提供學(xué)案、知識庫和工具箱,以滿足預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)、拓展、科普等方面的需求,方便學(xué)生隨時隨地訪問.

圖13 微信公眾號“工大物理實驗”

2 實踐效果

1)創(chuàng)造了“實物預(yù)習(xí)”模式,學(xué)生首次面對的不再是枯燥的理論,而是實實在在的實驗現(xiàn)象. 在課前將學(xué)具和學(xué)案發(fā)給學(xué)生,并在QQ群布置群作業(yè),要求學(xué)生通過拍照的方式完成學(xué)案中至少一項預(yù)習(xí)內(nèi)容,并描述拍攝對象和嘗試解釋實驗現(xiàn)象. 完成度接近100%,其中高質(zhì)量完成比例超過20%(“高質(zhì)量”的標(biāo)準(zhǔn)包括現(xiàn)象明顯、解釋詳細(xì)、觀測角度有創(chuàng)意等).

在預(yù)習(xí)作業(yè)中可以見到學(xué)生的各種創(chuàng)意(圖14),應(yīng)盡可能提供給學(xué)生動手實踐的機(jī)會;更重要的是學(xué)生在預(yù)習(xí)過程中相互探討、相互學(xué)習(xí),探索的氛圍非常濃厚,而這正是教師在教學(xué)中一直希望并樂于看到的.

圖14 學(xué)生作業(yè)例

2)創(chuàng)造了“互動物理實驗”的課堂教學(xué)模式,在充分預(yù)習(xí)的前提下,課堂上很多知識的講解更容易理解,但限于學(xué)生的能力和活動范圍,在預(yù)習(xí)時找到的觀察對象通常具有隨意性且不全面,所以還需要用演示實驗加以輔助,并結(jié)合理論進(jìn)行講解和拓展.

盡管學(xué)生已經(jīng)在預(yù)習(xí)中看到了很多現(xiàn)象,但在課堂上看到演示實驗時還是非常驚奇. 講臺下學(xué)生興奮的表情、發(fā)光的眼神、相互探討后的如夢方醒過程讓課堂的講解達(dá)到了預(yù)期的效果.

根據(jù)課堂教學(xué)效果可知,互動物理實驗學(xué)生參與度接近100%,相比之下,單純的演示實驗學(xué)生參與度能達(dá)到70%～80%,單純的講解學(xué)生參與度只有30%～50%,因此互動物理實驗?zāi)芴岣邔W(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3) 學(xué)生對自己擁有一件科學(xué)工具感到興奮,且急于向他人分享觀察到神奇現(xiàn)象.

互動物理實驗?zāi)Ｊ綄崿F(xiàn)了學(xué)生的“樂”于學(xué)習(xí),并通過向親友講解、拍照發(fā)朋友圈等形式客觀上延長了科學(xué)傳播的鏈條,為科學(xué)普及探索了一條新途徑.

4) 教師不再為單純講解內(nèi)容的枯燥而煩惱,課堂氣氛活躍. 使用后教師紛紛感言“太好用了,還有沒有別的!這種實驗再多來點. ”

3 結(jié)束語

在“互動物理實驗”教學(xué)模式的指導(dǎo)下,團(tuán)隊經(jīng)過3年多時間分別在實驗項目、學(xué)具、教具、學(xué)案、新媒體平臺等方面進(jìn)行了設(shè)計、嘗試和優(yōu)化, 應(yīng)用新模式初步解決了理論課課堂實驗不足的問題,效果良好,新模式為理論課上的實驗教學(xué)探索了新道路.