高小燕

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)

隨著我國課程改革的深化，課程目標(biāo)在不斷變化，從最初的“雙基”到后來的“三維目標(biāo)”再到現(xiàn)在的“核心素養(yǎng)”.核心素養(yǎng)是學(xué)生成長與發(fā)展必須具備的品格和關(guān)鍵能力.培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，要求教師能夠立足于學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展需求，并充分考慮到社會發(fā)展對學(xué)生的要求.在實際物理教學(xué)尤其是實驗教學(xué)中，教師需要以物理基礎(chǔ)知識和學(xué)生思維模式為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、物理思維能力等，促進(jìn)學(xué)生關(guān)鍵能力的提升，為學(xué)生今后的生活、職業(yè)發(fā)展等都打下堅實的基礎(chǔ).如今，廣大教育工作者已經(jīng)意識到物理實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)方面扮演著重要角色，因此越來越重視通過實驗教學(xué)來培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)和提高學(xué)生的物理思維能力.但如何將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿其中，這是值得我們不斷實踐和探索的.本文以“光的干涉”實驗為例就該問題進(jìn)行了討論.

1 物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及物理實驗教學(xué)的重要性

核心素養(yǎng)，主要是指學(xué)生應(yīng)具備的，能夠適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵，是為提升學(xué)生解決問題、創(chuàng)新意識等關(guān)鍵能力而提出的教育理念，強調(diào)現(xiàn)代教育應(yīng)當(dāng)由“知識”傳授向“能力”培養(yǎng)轉(zhuǎn)變[1].就高中物理學(xué)科而言，核心素養(yǎng)則細(xì)化為認(rèn)識與理解、分析與綜合、實驗操作、數(shù)理應(yīng)用等十二個維度.在實際教學(xué)中，物理核心素養(yǎng)內(nèi)容則主要體現(xiàn)在以下4個方面[2]：第一，物理觀念，包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念；第二，科學(xué)思維，包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新；第三，科學(xué)探究，包括問題、證據(jù)、解釋、交流；第四，科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，包括科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)態(tài)度、社會責(zé)任.

物理是一門以實驗為主的學(xué)科.物理實驗是物理教學(xué)的重要組成部分，在高中物理教學(xué)中對實驗進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，不僅能顯著提高物理教學(xué)的高效性和應(yīng)用性，還能有效培養(yǎng)學(xué)生的物理思維能力及實驗探究能力，最終使學(xué)生的物理核心素養(yǎng)得到不斷提升.但在實際的物理教學(xué)過程中，實驗教學(xué)并沒有達(dá)到理想的教學(xué)效果，視頻代替演示實驗或者演示實驗代替操作實驗的現(xiàn)象比比皆是，并沒有發(fā)揮出實驗教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面應(yīng)有的作用.

2 物理實驗教學(xué)實例——“光的干涉”

“光的干涉”是人教版《物理·選修3-4》(第十三章第3節(jié))的內(nèi)容，是光學(xué)的重點內(nèi)容之一，它跟幾何光學(xué)完全不同，學(xué)生在認(rèn)知上存在困難.另外，傳統(tǒng)的演示實驗不易使學(xué)生理解光的干涉現(xiàn)象及原理.筆者將“光的干涉”實驗分成定性探究和定量驗證兩個環(huán)節(jié)，從實驗器材選取到實驗過程設(shè)計、實施方面都進(jìn)行了優(yōu)化與改進(jìn)，在使學(xué)生掌握光的干涉這一物理現(xiàn)象和規(guī)律的同時，將物理核心素養(yǎng)和物理思維的培養(yǎng)融入到各個環(huán)節(jié)之中，達(dá)到了潤物細(xì)無聲的效果.

2.1 定性探究

分組實驗：認(rèn)識光的干涉現(xiàn)象，定性探究光的干涉圖樣的影響因素.

本環(huán)節(jié)，我們的實驗?zāi)康氖钦J(rèn)識光的干涉現(xiàn)象，定性探究光的干涉圖樣的影響因素.對此，我們采取分組實驗的方式.分組實驗可以讓學(xué)生近距離體驗感知光的干涉現(xiàn)象的發(fā)生過程和條件，加深對光的干涉現(xiàn)象的認(rèn)識，同時還可以鍛煉學(xué)生的實驗操作能力，加強學(xué)生的合作與交流意識.

課堂上使用的光的干涉實驗儀器通常是“激光干涉演示儀”，該儀器不足之處是學(xué)生不能很好地觀察實驗現(xiàn)象.學(xué)生常會因為對實驗設(shè)備陌生而產(chǎn)生畏難心理，相反地，常見實驗器材則會無形中拉近待研究物理現(xiàn)象與學(xué)生的心理認(rèn)知距離，還能激發(fā)學(xué)生的好奇心.所以，我們盡可能地選取一些生活中的常見器材，比如我們選擇激光筆作為實驗光源.實驗儀器具體如下：紅、綠激光筆各1支，白紙1張，不同縫間距的狹窄雙縫3個(雙縫間距分別為0.2 mm，0.3 mm，0.45 mm)，如圖1所示.

實驗過程的設(shè)計原則是逐步引導(dǎo)學(xué)生利用上述這些常見器材觀察與探索光的干涉現(xiàn)象，運用分析與綜合的方法定性認(rèn)識干涉圖樣的規(guī)律，在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究精神的同時鍛煉學(xué)生的實際操作能力，從而提煉和升華學(xué)生的物理思維方法.一般而言，一個物理現(xiàn)象通常受多個因素影響，比如光的干涉條紋特征就受波長、雙縫間距、雙縫到屏的距離等諸多因素的影響.對此，我們采用分而治之的策略，使學(xué)生體驗多參數(shù)探究物理現(xiàn)象的過程，學(xué)會研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)方法，提高實驗觀察能力、科學(xué)思維能力，最終提高利用已有知識經(jīng)過科學(xué)推理與論證逐步解決未知問題的能力.具體過程如下.

(1)先提供一種顏色的激光筆，引導(dǎo)學(xué)生研究雙縫間距以及雙縫到屏的距離這兩個因素對干涉條紋的影響.在這一環(huán)節(jié)，利用諸如拆分式提問方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分而治之的實驗策略(即單因子實驗法或控制變量法).同時，培養(yǎng)學(xué)生基于現(xiàn)有器材來改變實驗條件的創(chuàng)新意識，比如白紙和天花板分別充當(dāng)屏以改變雙縫到屏的距離等等.

(2)保持雙縫到屏的距離和雙縫間距不變，引導(dǎo)學(xué)生猜想波長對干涉條紋的影響以及如何加以驗證.這個過程注重引導(dǎo)學(xué)生如何進(jìn)行科學(xué)假設(shè)和推理，以及如何通過改變實驗條件——波長(即可以通過改變激光筆的顏色來改變)來進(jìn)行實驗驗證.

(3)學(xué)生通過觀察實驗，比較各個實驗條件下干涉現(xiàn)象的異同，總結(jié)并歸納得到干涉條紋的影響因素，然后各個實驗小組之間交流實驗結(jié)果并分享心得體會等.圖2～4各展示了一組實驗結(jié)果.

圖3 波長相同和雙縫間距不變，雙縫到屏的距離不同

圖4 雙縫間距和雙縫到屏的距離不變，波長不同

需要說明的是，在本環(huán)節(jié)中各個小組之間的實驗順序不必要求一樣，重在引導(dǎo)學(xué)生如何基于現(xiàn)有實驗器材通過控制變量法對各個影響因素依次展開探究實驗，以及如何對其總結(jié)與歸納以加深對光的干涉這一物理現(xiàn)象的認(rèn)識.

2.2 定量驗證

演示實驗：定量研究干涉條紋的影響因素，驗證條紋間距公式.

通過前面的分組實驗，學(xué)生只能定性地總結(jié)出光的干涉圖樣特征及其影響因素，尚不能直接從實驗中探究出各因素之間的定量關(guān)系.物理教學(xué)中傳統(tǒng)的做法是利用幾何近似的方法定量推導(dǎo)出條紋間距公式，但這種方法生澀、難懂，也不符合核心素養(yǎng)的教育理念.我們應(yīng)該回歸到物理的學(xué)科特點上.那么如何基于實驗定量認(rèn)識干涉條紋的影響因素，如何驗證干涉條紋間距公式？我們?nèi)匀徊捎梅侄沃牟呗裕纯刂谱兞糠▉矶框炞C各個物理參數(shù)對干涉條紋的影響(由于有了前面實驗的鋪墊，學(xué)生對這種實驗策略易于接受且對相應(yīng)的實驗過程也不再陌生).

關(guān)于實驗儀器，我們?nèi)匀槐M量選擇那些常見且易于開展定量研究的器材：激光發(fā)射器1個(紅色)，綠色、紫色激光筆各1支，凸透鏡3個，光強分布傳感器1個，帶鱷魚夾的鐵架臺1個，不同雙縫間距的狹縫3個(縫間距分別為0.2 mm，0.3 mm，0.45 mm).儀器及實驗裝置如圖5所示.

圖5 實驗儀器及安裝好的裝置

光強分布傳感器上有一個狹長的矩形區(qū)域，沿矩形長邊分布著許多光敏感元件，各個光敏感單元得到的光照信息經(jīng)過計算機(jī)處理后會在光屏上顯示出來.在光屏上顯示的干涉圖像上移動鼠標(biāo)，可以得到條紋間距，從而計算波長.這種方法除了測量條紋間距之外還能直觀地看出亮暗條紋各處的光照強度.具體實驗過程與定性探究環(huán)節(jié)類似，即通過控制變量法定量驗證條紋間距公式：

(1)保持雙縫到屏的距離、雙縫間距不變，選取某一波長的激光(紅色)，通過光強分布傳感器軟件讀出相鄰條紋間距大小，并能計算出光的波長.

(2)保持激光波長(激光筆顏色)、雙縫間距不變，改變雙縫到屏的距離，得到不同的條紋間距數(shù)值，并能計算出光的波長.

(3)保持雙縫到屏的距離和雙縫間距不變，改變激光波長，得出條紋間距.實驗中筆者對傳感器組件做了改進(jìn)，分別使用綠色和紫色激光筆來替換原裝紅色激光發(fā)射器.但由于這兩種顏色的激光筆能量密度較高，超出光強分布傳感器的響應(yīng)閾.此時，引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)有條件利用已有物理知識解決目前的困境，即如何調(diào)整激光強度以適應(yīng)目前的傳感器.在此，我們采取了“透鏡組擴(kuò)束”的方法降低激光的能量密度，使得傳感器能夠正確顯示干涉條紋圖樣，從而準(zhǔn)確地對條紋間距公式進(jìn)行定量驗證.

(4)處理、分析實驗數(shù)據(jù)，歸納光的干涉條紋間距公式.引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會分析與歸納多組實驗觀測數(shù)據(jù)并最終揭示物理規(guī)律的科學(xué)研究方法.傳感器終端軟件界面如圖6所示，其中橫坐標(biāo)表示光強分布傳感器沿矩形窗口長邊的位置分布(單位是mm)，縱坐標(biāo)表示傳感器接收的光強大小(單位是勒克斯)，其中的波峰、波谷分別對應(yīng)干涉圖樣中的亮、暗條紋.圖6～8分別展示了一組實驗結(jié)果.

圖6 紅光，雙縫間距d=0.3 mm，雙縫到屏的距離l=0.5 m，相鄰條紋間距Δx=1.1 mm

圖7 綠光，雙縫間距d=0.2 mm，雙縫到屏的距離l=0.5 m，相鄰條紋間距x=1.32 mm

圖8 紫光，雙縫間距d=0.2 mm，雙縫到屏的距離l=0.3 m，相鄰條紋間距x=0.63 mm

這一環(huán)節(jié)，除了著重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會利用控制變量法進(jìn)行一一驗證外，還要重視引導(dǎo)學(xué)生完成從實驗數(shù)據(jù)到物理規(guī)律的數(shù)學(xué)形式的過渡，加深對光的干涉條紋間距公式的認(rèn)識，同時體驗以數(shù)學(xué)作為物理學(xué)語言的魅力所在.還需要說明的是，若條件允許，該環(huán)節(jié)亦可以設(shè)計成分組實驗，以便學(xué)生能夠體驗實驗的具體操作過程，了解先進(jìn)的儀器設(shè)備的具體使用方法，同時還可培養(yǎng)實驗數(shù)據(jù)處理能力[3].另外，通過以上實驗，學(xué)生了解了傳感器的使用方法以及軟件強大的數(shù)據(jù)處理能力.由此學(xué)生會逐步建立起利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行物理實驗的理念，并將其遷移到其他物理實驗(甚至其他學(xué)科)中，這也是利用物理實驗培養(yǎng)核心素養(yǎng)的一種行之有效的方式.

3 結(jié)束語

總結(jié)起來，在進(jìn)行物理實驗設(shè)計時，我們重點關(guān)注了以下兩個方面：

(1)實驗器材選取與搭建.我們沒有選擇高度集成自動化的實驗儀器(盡管具有操作簡便等優(yōu)勢，但劣勢同樣存在：學(xué)生一般對其比較陌生，學(xué)生不宜親歷物理現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程，缺少參與感)，而是立足現(xiàn)有常見器材；根據(jù)實驗需求對一些簡單的器材進(jìn)行重組利用，重組的過程其實就是啟發(fā)物理思維，對物理現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識加深的過程；靈活選用現(xiàn)代實驗設(shè)備以發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)接收信號、處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢.

(2)實驗過程與方法.靈活選取實驗方式，如分組實驗可以培養(yǎng)動手能力，加強學(xué)生的合作與交流意識等；實驗過程中靈活設(shè)問引導(dǎo)學(xué)生多角度探究，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理與論證能力，學(xué)習(xí)科學(xué)的實驗方法和分析方法(如控制變量法、歸納與總結(jié)等方法)；實驗過程中積極創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，利用實驗過程中遇到的問題適時引導(dǎo)學(xué)生通過物理知識靈活解決未知問題的能力；引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會實驗數(shù)據(jù)的處理與分析方法.

一言以蔽之，從器材的選取到實驗過程的設(shè)計與實施，都應(yīng)將核心素養(yǎng)和物理思維的培養(yǎng)納入其中.只有這樣，才能真正發(fā)揮出物理實驗在培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)方面的應(yīng)有作用.筆者結(jié)合自己的教學(xué)體會，對高中物理實驗教學(xué)創(chuàng)新策略及具體實施過程進(jìn)行了梳理，供廣大教育同行參考，借此拋磚引玉.