居玲玲 居 露 翁雨燕*

(1. 江蘇省江都中學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225200；2. 蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

2016年，中國正式成為《華盛頓協(xié)議》的第18個(gè)成員國，表明我國高等教育質(zhì)量得到了國際社會(huì)的認(rèn)可，同時(shí)對(duì)我國高等教育提出了更高要求.[1]雖然《華盛頓協(xié)議》針對(duì)的是高等教育專業(yè)建設(shè)，但其“學(xué)生中心”、 “產(chǎn)出導(dǎo)向”、 “持續(xù)改進(jìn)”的3大理念是現(xiàn)代教學(xué)中全學(xué)段都應(yīng)該遵循的.目前大學(xué)本科階段的理工農(nóng)醫(yī)各專業(yè)的學(xué)生中相當(dāng)一部分物理知識(shí)嚴(yán)重碎片化，學(xué)習(xí)依賴被動(dòng)刷題和上課聽講，缺乏自主學(xué)習(xí)和實(shí)踐動(dòng)手的能力.[2]物理作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的科學(xué)，如何做到產(chǎn)出導(dǎo)向(Outcome-based Education，簡寫為OBE)的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，對(duì)于全面培養(yǎng)與提高學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)，奠定學(xué)生終生學(xué)習(xí)和繼續(xù)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用.

1 中學(xué)物理居家實(shí)驗(yàn)的必要性和緊迫性

有調(diào)查[3]發(fā)現(xiàn)，中學(xué)階段實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展與效果都不容樂觀.一方面教師雖然認(rèn)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)很重要，但是由于課程實(shí)施中的一些客觀因素，例如實(shí)驗(yàn)器材和課時(shí)的不足，大大限制了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常進(jìn)行；另一方面學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中滿足于按部就班的操作，缺乏自主學(xué)習(xí)和自主探究.教與學(xué)的失配導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的和實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的嚴(yán)重脫節(jié).

OBE理念[4]和中學(xué)教育中的核心素質(zhì)[5]教育理念相同，都強(qiáng)調(diào)“學(xué)生中心”.《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版)也是這兩種教育理念滲透的結(jié)果.新課標(biāo)更加注重學(xué)生終生發(fā)展的需要；注重學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?、自學(xué)能力等方面的培養(yǎng)；注重教師教學(xué)方案的按需設(shè)計(jì)；注重學(xué)生學(xué)習(xí)效果的過程化評(píng)價(jià).[6]

2020年新冠肺炎疫情使得線上教學(xué)成為全球各個(gè)學(xué)校的教學(xué)主要途徑.在此特殊時(shí)期，相對(duì)自由獨(dú)立的學(xué)習(xí)環(huán)境催生了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，教師在新形態(tài)下的教學(xué)研究工作也必須同步跟進(jìn)，其中就包含中學(xué)物理居家實(shí)驗(yàn).上世紀(jì)80年代，蘇州大學(xué)朱正元教授就提出了“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念.通過觀察學(xué)生熟悉和感興趣的現(xiàn)象，用來源于生活中的“瓶瓶罐罐”讓學(xué)生深度學(xué)習(xí)物理知識(shí)，學(xué)會(huì)提出問題、分析問題和解決問題的方法，達(dá)到探究實(shí)驗(yàn)、把握新知、學(xué)以致用的目的.[7]居家實(shí)驗(yàn)必將成為中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有益嘗試.

2 物理居家系列實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施

筆者在這段時(shí)間為本班學(xué)生開設(shè)了中學(xué)物理居家實(shí)驗(yàn)這個(gè)單元，讓學(xué)生用身邊最熟悉的材料做實(shí)驗(yàn)，[7]在鞏固舊知識(shí)的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)教與學(xué)的新問題，然后導(dǎo)入新知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的思維和探究能力.[8]一方面，居家實(shí)驗(yàn)設(shè)備不再是標(biāo)準(zhǔn)件，當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)結(jié)果與預(yù)期不符時(shí)，會(huì)分析自己親手搭建好的實(shí)驗(yàn)裝置，考慮實(shí)驗(yàn)中的一些系統(tǒng)誤差；另一方面，每位學(xué)生的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果具有開放性，沒有標(biāo)準(zhǔn)“答案”，激勵(lì)學(xué)生獨(dú)立自主的探究和判斷.[9]在這一過程中教師也需要不斷學(xué)習(xí)提高，從學(xué)生的“教師”變?yōu)閷W(xué)生的“同伴”，參與到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和研究中，實(shí)現(xiàn)教與學(xué)的共同進(jìn)步.

課程的具體實(shí)施方案見圖1.第1周，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有知識(shí)水平，布置測量實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生多次測量，記錄測量結(jié)果，并要求學(xué)生計(jì)算自己實(shí)驗(yàn)體系中的相對(duì)誤差；第2周，匯總學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方案、測量結(jié)果和相對(duì)誤差，介紹相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)拓展；第3周，甄別拓展的實(shí)驗(yàn)方案，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)期與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的沖突，提出問題；第4周，解決問題，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，分析各種方案的適用范圍，并進(jìn)行回顧和報(bào)告.

圖1 基于OBE的居家實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)施方案

接下來，筆者將以“細(xì)絲直徑的測量”為例，介紹具體教學(xué)的實(shí)施方案，見表1.

表1 細(xì)絲測量主題實(shí)驗(yàn)單元的周進(jìn)度安排

第1周，教師布置實(shí)驗(yàn)題目—細(xì)絲直徑測量.教師復(fù)習(xí)初中長度測量知識(shí)中的密繞法；學(xué)生在家任意選取各種各樣的“細(xì)絲”，根據(jù)上述測量方法對(duì)細(xì)絲的直徑進(jìn)行測量，見圖2.

(a) 為對(duì)手機(jī)充電線的測量

學(xué)生選取的主要有兩類，一類為充電線，另一類為頭發(fā)絲或者縫衣線.為方便比較，本文將對(duì)手機(jī)充電線和頭發(fā)絲直徑的測量做詳細(xì)闡述.學(xué)生利用密繞法，測得手機(jī)充電線和頭發(fā)絲的數(shù)據(jù)如表2所示，因此，手機(jī)充電線的直徑d充電線=3.0±0.1 mm，相對(duì)誤差為E充電線=3.3%；頭發(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.13±0.01 mm，相對(duì)誤差為E頭發(fā)=7.6%.

表2 密繞法測量頭發(fā)絲和充電線的測量結(jié)果

圖3 陰影法測量細(xì)絲直徑

學(xué)生同樣對(duì)頭發(fā)絲和手機(jī)充電線進(jìn)行了測量，為了保證測量效果，學(xué)生通常選擇晚上或者暗室進(jìn)行投影測量.以手機(jī)手電筒為光源，細(xì)絲分別為充電線和頭發(fā)絲，測量結(jié)果如表3所示.

表3 投影法測量頭發(fā)絲和充電線的測量結(jié)果

因此，投影法測得，手機(jī)充電線的直徑d充電線=3.0±0.1 mm，相對(duì)誤差為E充電線=3.3%；頭發(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.6±0.1 mm，相對(duì)誤差為E頭發(fā)=17%.可見頭發(fā)絲的相對(duì)誤差很大，且與我們密繞法直接測量得到的結(jié)果不符合，需要進(jìn)一步分析.

第3周，投影法在頭發(fā)絲測量的情況下，存在很大的誤差，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行問題探究，讓學(xué)生把手電筒這一復(fù)色光源替換為單色光源，再次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，觀察激光打在充電線和頭發(fā)絲上的成像差別，如圖4所示.

(a) 充電線

學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)這兩種投影的差別，教師引入高中物理3-4衍射的內(nèi)容.在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，教師會(huì)向?qū)W生展示單縫衍射實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生觀察到光的衍射現(xiàn)象，并總結(jié)衍射現(xiàn)象的產(chǎn)生條件.而在物理居家實(shí)驗(yàn)中，我們引導(dǎo)學(xué)生通過比對(duì)書中單縫衍射和實(shí)驗(yàn)中頭發(fā)絲的光強(qiáng)分布圖，尋找兩者相似之處，啟發(fā)學(xué)生將書中的單縫衍射和看到的頭發(fā)絲衍射圖建立鏈接.

圖5 衍射法測頭發(fā)絲直徑

表4 衍射法測頭發(fā)絲直徑的測量結(jié)果

然后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)示意圖，在家自行搭建衍射光路，測量頭發(fā)絲的直徑，衍射圖像如圖5(b)所示.筆者選取一套頭發(fā)絲的測量結(jié)果，用逐差法對(duì)頭發(fā)絲的直徑進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如表4.通過計(jì)算，可得頭發(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.129±0.002 mm，相對(duì)誤差為E頭發(fā)=1.6%.

第4周，教師匯總學(xué)生這3個(gè)測量方法的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生通過測量結(jié)果和相對(duì)誤差分析，引導(dǎo)學(xué)生自主討論和評(píng)價(jià)各種實(shí)驗(yàn)方法的合理性，分析和討論各種方法的優(yōu)劣；教師最后并總結(jié)不同測量方法的適用范圍，并鞏固相關(guān)知識(shí)點(diǎn).幾種測量方法的比較結(jié)果如表5.

表5 測量方法比較

這4周的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)服務(wù)于細(xì)絲測量這一個(gè)實(shí)驗(yàn)主題，有助于初高中實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)的串聯(lián)，并鏈接書中選修部分內(nèi)容與具體實(shí)驗(yàn)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和持續(xù)學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng).

3 “細(xì)絲測量”居家實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果

為了具體了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，筆者對(duì)揚(yáng)州某四星高中，高二年級(jí)理科排名前15%的100名學(xué)生在各階段的困難表現(xiàn)和解決方式進(jìn)行了問卷調(diào)查，具體問卷見表6.

表6 各階段實(shí)驗(yàn)的困難點(diǎn)、解決方法和完成度調(diào)研

調(diào)研結(jié)果如表7.從完成度上，筆者發(fā)現(xiàn)，整個(gè)一單元的實(shí)驗(yàn)難度逐步增加，最后的衍射法測細(xì)絲直徑確實(shí)達(dá)到了“跳一跳才能夠得到”的難度，滿足課程設(shè)置的挑戰(zhàn)性和高階性要求.

從圖6可以看出，第1周，絕大部分學(xué)生都能獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，且完成效果良好，說明學(xué)生對(duì)“密繞法”掌握的較好，學(xué)生具備一定的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力；第2周實(shí)驗(yàn)的主要困難在于居家實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自己搭建實(shí)驗(yàn)裝置，通過師生間的反復(fù)討論，學(xué)生們搭建出較合理的實(shí)驗(yàn)裝置來進(jìn)行實(shí)驗(yàn).這個(gè)過程充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高了學(xué)生的動(dòng)手能力.第3周實(shí)驗(yàn)的主要困難在實(shí)驗(yàn)原理上，學(xué)生通過對(duì)比觀察，很快發(fā)現(xiàn)了單絲衍射現(xiàn)象，但是定量計(jì)算是難點(diǎn).通過前兩周的實(shí)驗(yàn)鋪墊，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)裝置的搭建中有了一定的經(jīng)驗(yàn)，所以大部分學(xué)生能夠完成實(shí)驗(yàn).第4周，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)3種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行總結(jié)歸納，并鞏固相關(guān)知識(shí)點(diǎn).

表7 調(diào)查問卷(表6)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 學(xué)生困難體現(xiàn)(a)和問題解決路徑(b)的匯總圖