踐行核心素養(yǎng)啟發(fā)物理思維
——以“光的干涉”為例

2019-05-14 01:15:36高小燕

物理通報(bào) 2019年5期

高小燕

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)

隨著我國(guó)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求，并充分考慮到社會(huì)發(fā)展對(duì)學(xué)生的要求.在實(shí)際物理教學(xué)尤其是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師需要以物理基礎(chǔ)知識(shí)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(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).如今，廣大教育工作者已經(jīng)意識(shí)到物理實(shí)驗(yàn)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(lái)越重視通過(guò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)來(lái)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(shí)踐和探索的.本文以“光的干涉”實(shí)驗(yàn)為例就該問(wèn)題進(jìn)行了討論.

1 物理核心素養(yǎng)的內(nèi)涵及物理實(shí)驗(yàn)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(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵，是為提升學(xué)生解決問(wèn)題、創(chuàng)新意識(shí)等關(guān)鍵能力而提出的教育理念，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代教育應(yīng)當(dāng)由“知識(shí)”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(shí)與理解、分析與綜合、實(shí)驗(yàn)操作、數(shù)理應(yīng)用等十二個(gè)維度.在實(shí)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(gè)方面[2]：第一，物理觀(guān)念，包括物質(zhì)觀(guān)念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀(guān)念、能量觀(guān)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(wèn)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(huì)責(zé)任.

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為主的學(xué)科.物理實(shí)驗(yàn)是物理教學(xué)的重要組成部分，在高中物理教學(xué)中對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)際的物理教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)并沒(méi)有達(dá)到理想的教學(xué)效果，視頻代替演示實(shí)驗(yàn)或者演示實(shí)驗(yàn)代替操作實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象比比皆是，并沒(méi)有發(fā)揮出實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)分成定性探究和定量驗(yàn)證兩個(gè)環(huán)節(jié)，從實(shí)驗(yàn)器材選取到實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)、實(shí)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(shí)，將物理核心素養(yǎng)和物理思維的培養(yǎng)融入到各個(gè)環(huán)節(jié)之中，達(dá)到了潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲的效果.

2.1 定性探究

分組實(shí)驗(yàn)：認(rèn)識(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦J(rèn)識(shí)光的干涉現(xiàn)象，定性探究光的干涉圖樣的影響因素.對(duì)此，我們采取分組實(shí)驗(yàn)的方式.分組實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生近距離體驗(yàn)感知光的干涉現(xiàn)象的發(fā)生過(guò)程和條件，加深對(duì)光的干涉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還可以鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，加強(qiáng)學(xué)生的合作與交流意識(shí).

課堂上使用的光的干涉實(shí)驗(yàn)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(guān)察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.學(xué)生常會(huì)因?yàn)閷?duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備陌生而產(chǎn)生畏難心理，相反地，常見(jiàn)實(shí)驗(yàn)器材則會(huì)無(wú)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(jiàn)器材，比如我們選擇激光筆作為實(shí)驗(yàn)光源.實(shí)驗(yàn)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(gè)(雙縫間距分別為0.2 mm，0.3 mm，0.45 mm)，如圖1所示.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)原則是逐步引導(dǎo)學(xué)生利用上述這些常見(jiàn)器材觀(guān)察與探索光的干涉現(xiàn)象，運(yùn)用分析與綜合的方法定性認(rèn)識(shí)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(shí)鍛煉學(xué)生的實(shí)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(gè)物理現(xiàn)象通常受多個(gè)因素影響，比如光的干涉條紋特征就受波長(zhǎng)、雙縫間距、雙縫到屏的距離等諸多因素的影響.對(duì)此，我們采用分而治之的策略，使學(xué)生體驗(yàn)多參數(shù)探究物理現(xiàn)象的過(guò)程，學(xué)會(huì)研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)方法，提高實(shí)驗(yàn)觀(guān)察能力、科學(xué)思維能力，最終提高利用已有知識(shí)經(jīng)過(guò)科學(xué)推理與論證逐步解決未知問(wèn)題的能力.具體過(guò)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(gè)因素對(duì)干涉條紋的影響.在這一環(huán)節(jié)，利用諸如拆分式提問(wèn)方法引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)分而治之的實(shí)驗(yàn)策略(即單因子實(shí)驗(yàn)法或控制變量法).同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生基于現(xiàn)有器材來(lái)改變實(shí)驗(yàn)條件的創(chuàng)新意識(shí)，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(zhǎng)對(duì)干涉條紋的影響以及如何加以驗(yàn)證.這個(gè)過(guò)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(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件——波長(zhǎng)(即可以通過(guò)改變激光筆的顏色來(lái)改變)來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

(3)學(xué)生通過(guò)觀(guān)察實(shí)驗(yàn)，比較各個(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)小組之間交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分享心得體會(huì)等.圖2～4各展示了一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

圖3 波長(zhǎng)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(zhǎng)不同

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

2.2 定量驗(yàn)證

演示實(shí)驗(yàn)：定量研究干涉條紋的影響因素，驗(yàn)證條紋間距公式.

通過(guò)前面的分組實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)上.那么如何基于實(shí)驗(yàn)定量認(rèn)識(shí)干涉條紋的影響因素，如何驗(yàn)證干涉條紋間距公式？我們?nèi)匀徊捎梅侄沃牟呗?，即控制變量法?lái)定量驗(yàn)證各個(gè)物理參數(shù)對(duì)干涉條紋的影響(由于有了前面實(shí)驗(yàn)的鋪墊，學(xué)生對(duì)這種實(shí)驗(yàn)策略易于接受且對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也不再陌生).

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

圖5 實(shí)驗(yàn)儀器及安裝好的裝置

光強(qiáng)分布傳感器上有一個(gè)狹長(zhǎng)的矩形區(qū)域，沿矩形長(zhǎng)邊分布著許多光敏感元件，各個(gè)光敏感單元得到的光照信息經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理后會(huì)在光屏上顯示出來(lái).在光屏上顯示的干涉圖像上移動(dòng)鼠標(biāo)，可以得到條紋間距，從而計(jì)算波長(zhǎng).這種方法除了測(cè)量條紋間距之外還能直觀(guān)地看出亮暗條紋各處的光照強(qiáng)度.具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程與定性探究環(huán)節(jié)類(lèi)似，即通過(guò)控制變量法定量驗(yàn)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(zhǎng)的激光(紅色)，通過(guò)光強(qiáng)分布傳感器軟件讀出相鄰條紋間距大小，并能計(jì)算出光的波長(zhǎng).

(2)保持激光波長(zhǎng)(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(jì)算出光的波長(zhǎng).

(3)保持雙縫到屏的距離和雙縫間距不變，改變激光波長(zhǎng)，得出條紋間距.實(shí)驗(yàn)中筆者對(duì)傳感器組件做了改進(jìn)，分別使用綠色和紫色激光筆來(lái)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(qiáng)分布傳感器的響應(yīng)閾.此時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生基于現(xiàn)有條件利用已有物理知識(shí)解決目前的困境，即如何調(diào)整激光強(qiáng)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(duì)條紋間距公式進(jìn)行定量驗(yàn)證.

(4)處理、分析實(shí)驗(yàn)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(huì)分析與歸納多組實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)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(qiáng)分布傳感器沿矩形窗口長(zhǎng)邊的位置分布(單位是mm)，縱坐標(biāo)表示傳感器接收的光強(qiáng)大小(單位是勒克斯)，其中的波峰、波谷分別對(duì)應(yīng)干涉圖樣中的亮、暗條紋.圖6～8分別展示了一組實(shí)驗(yàn)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(huì)利用控制變量法進(jìn)行一一驗(yàn)證外，還要重視引導(dǎo)學(xué)生完成從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到物理規(guī)律的數(shù)學(xué)形式的過(guò)渡，加深對(duì)光的干涉條紋間距公式的認(rèn)識(shí)，同時(shí)體驗(yàn)以數(shù)學(xué)作為物理學(xué)語(yǔ)言的魅力所在.還需要說(shuō)明的是，若條件允許，該環(huán)節(jié)亦可以設(shè)計(jì)成分組實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生能夠體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的具體操作過(guò)程，了解先進(jìn)的儀器設(shè)備的具體使用方法，同時(shí)還可培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理能力[3].另外，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了傳感器的使用方法以及軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力.由此學(xué)生會(huì)逐步建立起利用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的理念，并將其遷移到其他物理實(shí)驗(yàn)(甚至其他學(xué)科)中，這也是利用物理實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)核心素養(yǎng)的一種行之有效的方式.

3 結(jié)束語(yǔ)

總結(jié)起來(lái)，在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，我們重點(diǎn)關(guān)注了以下兩個(gè)方面：

(1)實(shí)驗(yàn)器材選取與搭建.我們沒(méi)有選擇高度集成自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)儀器(盡管具有操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，但劣勢(shì)同樣存在：學(xué)生一般對(duì)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(guò)程，缺少參與感)，而是立足現(xiàn)有常見(jiàn)器材；根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求對(duì)一些簡(jiǎn)單的器材進(jìn)行重組利用，重組的過(guò)程其實(shí)就是啟發(fā)物理思維，對(duì)物理現(xiàn)象和規(guī)律的認(rèn)識(shí)加深的過(guò)程；靈活選用現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)設(shè)備以發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)接收信號(hào)、處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì).

(2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程與方法.靈活選取實(shí)驗(yàn)方式，如分組實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)動(dòng)手能力，加強(qiáng)學(xué)生的合作與交流意識(shí)等；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中靈活設(shè)問(wèn)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(shí)驗(yàn)方法和分析方法(如控制變量法、歸納與總結(jié)等方法)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中積極創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境，利用實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)物理知識(shí)靈活解決未知問(wèn)題的能力；引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析方法.