【摘要】大單元教學(xué)的重點(diǎn)在于促進(jìn)不同知識領(lǐng)域之間的聯(lián)系.新課標(biāo)著重培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).本文以“用雙縫干涉測光的波長”為例，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與操作步驟，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和學(xué)生反饋，探討大單元下探究式教學(xué)對學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維能力的培養(yǎng)作用.

【關(guān)鍵詞】高中物理；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；探究式教學(xué)

大單元教學(xué)是當(dāng)前落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的課程改革研究熱點(diǎn)，是有效構(gòu)建高中物理核心素養(yǎng)之“物理觀念”的新途徑[1]ADDINNE.Ref.{B88124E7-BA95-4BAF-B150-CDEADFC951ED}.物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要構(gòu)成，學(xué)生在接受物理教育的過程中逐漸內(nèi)化，通過物理學(xué)習(xí)逐步形成適應(yīng)個(gè)人終生發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需求的必備品格和關(guān)鍵能力[2]ADDINNE.Ref.{7546E0AC-9112-444D-A503-6F66760203C5}.在大單元教學(xué)理論指導(dǎo)下，引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識，并結(jié)合“真實(shí)情境”應(yīng)用和探索，能夠更加有效地提升學(xué)生對知識的內(nèi)化，對“真實(shí)情境”問題的解決，從而更有效地提升學(xué)生的核心素養(yǎng).在大單元教學(xué)理念的指引下，通過引導(dǎo)學(xué)生探究學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識，并結(jié)合“真實(shí)情境”的應(yīng)用和探索，可以更有效地促進(jìn)學(xué)生對知識的內(nèi)化和增強(qiáng)解決“真實(shí)情境”問題的能力，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

1 基于大單元的教學(xué)分析

1.1 教材分析

本次課程主要是學(xué)習(xí)光的波動(dòng)特性，在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上如何應(yīng)用所學(xué)知識分析干涉條紋間距的特點(diǎn)，計(jì)算光的波長.在這一課的學(xué)習(xí)中可以增強(qiáng)對光波動(dòng)性的理解.

雙縫干涉實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更好地理解物質(zhì)的波動(dòng)性質(zhì)，是物理學(xué)教育中物質(zhì)觀的重要實(shí)踐之一.該實(shí)驗(yàn)主要利用光的干涉現(xiàn)象來測量光的波長.學(xué)生可以通過此實(shí)驗(yàn)更深入地了解光波產(chǎn)生穩(wěn)定干涉現(xiàn)象的條件.觀察白光和單色光的干涉圖案，測定單色光的波長.通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的能力.

1.2 基于進(jìn)階的學(xué)情分析

2 基于真實(shí)情境，探究式教學(xué)設(shè)計(jì)思路

（1）因明顯的干涉現(xiàn)象在生活中較難觀察，筆者設(shè)計(jì)教師組織學(xué)生進(jìn)行簡易實(shí)驗(yàn)，采用激光作為光源觀察激光的干涉圖樣并總結(jié)規(guī)律，深化對公式的理解.

（2）為更好地掌握各儀器的作用，在實(shí)驗(yàn)中需要說明凸透鏡、濾光片、單縫、雙縫、毛玻璃片、遮光儀器的作用.特別注意單縫的作用是得到一束振動(dòng)情況相同的線光源，由于單縫到雙縫的距離相等、完全對稱，可以認(rèn)為雙縫對應(yīng)的兩個(gè)子波來自同一個(gè)波面，是兩個(gè)相干光源.

（3）在測定單色光波長的實(shí)驗(yàn)中，許多學(xué)生往往得不到清晰的干涉圖樣，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器只適用于單人觀察，多人不易同時(shí)觀察，難以組織學(xué)生討論交流.本課設(shè)計(jì)通過手機(jī)和希沃同屏的形式，將學(xué)生的視野實(shí)時(shí)展現(xiàn)，針對不同的問題組織課堂討論，提升課堂效率.通過探究實(shí)驗(yàn)的誤差原因，引導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行深度學(xué)習(xí).

3 課堂問題實(shí)錄

3.1 實(shí)驗(yàn)1 用自制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證公式Δx=Ldλ

（1）教師提出問題：如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證公式：Δx=Ldλ？

（2）學(xué)生組內(nèi)討論，提出方案，各組相互評價(jià).各組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案都大同小異，以設(shè)計(jì)最好的某一組的同學(xué)的實(shí)驗(yàn)方案為例：制作雙縫，并用單色光的激光筆去照射雙縫，將光投射至黑板用刻度尺測量其Δx，L，d，因單色光的波長易查詢，從而論證公式Δx=Ldλ的準(zhǔn)確性.

根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)的方案，進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)并論證公式.其實(shí)驗(yàn)過程需注意以下幾點(diǎn)：

（1）為了實(shí)驗(yàn)效果更加明顯，應(yīng)選取波長較長的紅光，條紋間距較大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯.

（2）測量黑板上的條紋時(shí)發(fā)現(xiàn)用刻度尺讀數(shù)誤差較大，需要更精密的儀器測量.

（3）自制雙縫不能太大，否則不易觀察到明暗相間的條紋.

3.2 實(shí)驗(yàn)2 用雙縫干涉測量光的波長

3.2.1 觀察干涉條紋

教學(xué)任務(wù)：讓學(xué)生體會(huì)激光光源與白熾燈光源的區(qū)別，進(jìn)而介紹托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)裝置，著重讓學(xué)生領(lǐng)會(huì)“一分為二”的思想方法.

問題1 探究將白熾燈光源直接照在雙縫上，能否得到明顯的干涉圖樣？

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作得到結(jié)論：不能得到干涉圖樣.學(xué)生通過小組討論易得白熾燈光源不具有相干性，所以不能觀測到明顯的干涉圖樣.

問題2 線光源具有什么特點(diǎn)？請相互討論并得出結(jié)論.

學(xué)生討論易得：單縫極細(xì)，可認(rèn)為這束線光源各點(diǎn)的振動(dòng)情況相同.

問題3 線光源照亮雙縫，根據(jù)惠更斯原理，雙縫可看為兩個(gè)新光源，這兩個(gè)新光源有什么特點(diǎn)？請相互討論并得出結(jié)論.

學(xué)生回答：既然都是來自同一光源，頻率、相位、振動(dòng)方向相同，可看為兩個(gè)相干光源.

問題4 直接用眼睛觀察可以看到干涉條紋嗎？

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作易得：不可以，可通過實(shí)驗(yàn)得出此結(jié)論.

問題5 采用光具座上的白屏可以看到干涉條紋嗎？

學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作得到結(jié)論：因白屏不透光，無法觀測.

教師活動(dòng)：介紹毛玻璃裝置，毛玻璃又稱磨砂玻璃，一面粗糙，一面光滑，光打在粗糙面發(fā)生漫反射，同時(shí)由于玻璃透光，可以透過玻璃看到干涉條紋.

問題6 理論上來說，我們可以看到什么樣的干涉圖樣？

學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識推測可知得到彩色的條紋.

師生活動(dòng)：利用手機(jī)同屏技術(shù)觀察干涉條紋.

3.2.2 測定單色光的波長

教師教學(xué)任務(wù) 現(xiàn)場操作測定條紋間距的具體操作過程.

教師演示實(shí)驗(yàn)，操作過程全程利用同屏技術(shù)實(shí)時(shí)記錄.同學(xué)們觀察實(shí)驗(yàn)并小組討論評價(jià)該實(shí)驗(yàn)操作過程是否合理，對不合理的步驟提出改進(jìn)方案.

在教師操作過程中學(xué)生發(fā)現(xiàn)以下注意事項(xiàng)：首先，光源、凸透鏡、遮光筒三者中心線共軸安裝在水平光具座上;其次，在雙縫前安裝單縫片，在遮光筒的右端安裝測量頭和目鏡，調(diào)節(jié)撥桿，使單縫片與雙縫片互相平行，直至通過目鏡能觀察到干涉圖樣.

學(xué)生實(shí)驗(yàn) 利用雙縫干涉儀測定單色光的波長.

本實(shí)驗(yàn)需要測量的物理量是雙縫到屏的距離L和相鄰兩條亮條紋間的距離Δx（雙縫間的距離d已知）.具體操作如下：

雙縫到屏的距離L可以用刻度尺測出；Δx的測量：相鄰兩條亮條紋間的距離Δx需用測量頭測出.測量頭通常都由分劃板、目鏡、手輪等構(gòu)成.轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，分劃板會(huì)左右移動(dòng).測量時(shí)，應(yīng)使分劃板的中心刻線與條紋的中心對齊，記下此時(shí)手輪上的讀數(shù).然后轉(zhuǎn)動(dòng)測量頭，使分劃板中心刻線與另一條紋的中心對齊，再次記下手輪上的讀數(shù).兩次讀數(shù)之差表示這兩個(gè)條紋間的距離Δx.為了減小測量誤差，可測多個(gè)亮條紋間的距離，再求出相鄰兩個(gè)條紋間的距離.

測定單色光的波長：已知d；L和n個(gè)亮條紋間的距離a是直接測量值，由Δx＝an－1求出相鄰兩個(gè)亮條紋間的距離Δx.最后，根據(jù)λ＝dLΔx計(jì)算波長.

3.2.3 評價(jià)與討論

通過希沃拍照上傳，展示學(xué)生的測量結(jié)果，并組織同學(xué)討論實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，研究改進(jìn)措施并驗(yàn)證.總結(jié)各組發(fā)現(xiàn)的問題匯總：

（1）視野內(nèi)漆黑一片；（2）干涉條紋與分劃板中心刻度線傾斜；（3）視野半暗半亮.

3.3 演示用光傳感器做雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)

采用光傳感器，可顯示雙縫干涉現(xiàn)象，更方便.設(shè)備安放：鐵架臺的頂部有一束光源，中間有雙縫擋板，底部安裝光傳感器.實(shí)驗(yàn)的光路是自上而下的，白色狹長矩形的小盒是光傳感器，矩形的長邊上分布著許多光敏單元.各種光敏單元捕獲到的光照數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)處理，最終呈現(xiàn)在顯示器上.根據(jù)干涉圖像中條紋的間距可以計(jì)算出光的波長.此方式可以測量條紋間距并直觀地展示亮條紋分布和測量傳感器上各點(diǎn)的光照強(qiáng)度.相比傳統(tǒng)的測量方案，使用傳感器和電腦檢測雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置，測量范圍和數(shù)據(jù)更加全面：可得到不同雙縫和不同顏色光的雙縫干涉條紋[3].

3.4 課堂小結(jié)，學(xué)生思考對比兩種實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)缺點(diǎn)

學(xué)生們可以通過比較傳統(tǒng)的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)和使用傳感器和計(jì)算機(jī)觀察雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，評價(jià)其優(yōu)缺點(diǎn).光傳感器的優(yōu)勢在于：能夠有效處理光源、得到更加清晰的圖像并準(zhǔn)確地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；不足在于：得到現(xiàn)象及結(jié)果太直接，缺乏傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的直觀性.

4 教學(xué)總結(jié)與反思

高中物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的失敗率較高.學(xué)生受限于儀器的視野無法共享討論，提出問題無法得到教師的精確指導(dǎo).因此，選用希沃同屏實(shí)時(shí)共享實(shí)驗(yàn)視野，精確解決實(shí)驗(yàn)測量中的問題.需要注意的是：觀察條紋時(shí)，手機(jī)必須保持穩(wěn)定.通過選取合適的支架，將手機(jī)固定在望遠(yuǎn)鏡上，將攝像頭對準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，這樣不僅可觀測干涉條紋，還能觀察到實(shí)時(shí)變化.

本節(jié)課除了一個(gè)主實(shí)驗(yàn)，在課堂前期還安排了一個(gè)激光的干涉圖樣，這樣設(shè)計(jì)的意圖在于三個(gè)方面的考慮：首先，激光實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識：利用激光進(jìn)行干涉實(shí)驗(yàn)，能便捷地得到相干光源.生活中干涉現(xiàn)象并不常見，但通過使用雙縫裝置，學(xué)生可以更直觀地觀測干涉圖樣，以增強(qiáng)對該現(xiàn)象的體驗(yàn).通過自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)現(xiàn)條紋間距與物質(zhì)直徑和長度有關(guān)，可以提升學(xué)生對相關(guān)概念的理解.

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)思維培養(yǎng)具有重要意義.實(shí)驗(yàn)技能是學(xué)生掌握科學(xué)知識和應(yīng)用科學(xué)方法的重要手段，對學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和科研有積極的影響.在探究式教學(xué)中，學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作儀器、收集數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等過程，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能和動(dòng)手能力；學(xué)生通過自主探究和實(shí)踐操作，培養(yǎng)了科學(xué)思維能力.高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)在注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的同時(shí)，也應(yīng)注重提升學(xué)生在探究學(xué)習(xí)過程中的積極性和主動(dòng)性，真正讓學(xué)生作為課堂主體，在實(shí)驗(yàn)過程中，提升動(dòng)手能力，形成知識的內(nèi)化，潛移默化地提升他們的物理核心素養(yǎng).

5 結(jié)語

探索式實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于提高學(xué)生的參與度，讓學(xué)生擁有主動(dòng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，從而促進(jìn)知識的探索和內(nèi)化.在大單元教學(xué)的指導(dǎo)下，學(xué)生可以更好地理解各個(gè)知識點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián).利用相應(yīng)的知識解決真實(shí)環(huán)境下的問題，并利用相關(guān)的知識探索真實(shí)場景下的生活實(shí)踐.三者共同結(jié)合，有助于提升學(xué)生的核心素養(yǎng).

參考文獻(xiàn)：

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