OBE理念下的中學物理居家實驗
——以細絲直徑測量為例

居玲玲 居 露 翁雨燕*

(1. 江蘇省江都中學，江蘇 揚州 225200；2. 蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006)

2016年，中國正式成為《華盛頓協議》的第18個成員國，表明我國高等教育質量得到了國際社會的認可，同時對我國高等教育提出了更高要求.[1]雖然《華盛頓協議》針對的是高等教育專業建設，但其“學生中心”、 “產出導向”、 “持續改進”的3大理念是現代教學中全學段都應該遵循的.目前大學本科階段的理工農醫各專業的學生中相當一部分物理知識嚴重碎片化，學習依賴被動刷題和上課聽講，缺乏自主學習和實踐動手的能力.[2]物理作為一門以實驗為基礎的科學，如何做到產出導向(Outcome-based Education，簡寫為OBE)的中學物理實驗教學工作，對于全面培養與提高學生科學實驗能力與科學實驗素養，奠定學生終生學習和繼續發展起著至關重要的作用.

1 中學物理居家實驗的必要性和緊迫性

有調查[3]發現，中學階段實驗教學的開展與效果都不容樂觀.一方面教師雖然認為實驗教學很重要，但是由于課程實施中的一些客觀因素，例如實驗器材和課時的不足，大大限制了實驗教學的正常進行；另一方面學生在實驗教學中滿足于按部就班的操作，缺乏自主學習和自主探究.教與學的失配導致了實驗教學目的和實驗教學效果的嚴重脫節.

OBE理念[4]和中學教育中的核心素質[5]教育理念相同，都強調“學生中心”.《普通高中物理課程標準》(2017年版)也是這兩種教育理念滲透的結果.新課標更加注重學生終生發展的需要；注重學生實驗能力、自學能力等方面的培養；注重教師教學方案的按需設計；注重學生學習效果的過程化評價.[6]

2020年新冠肺炎疫情使得線上教學成為全球各個學校的教學主要途徑.在此特殊時期，相對自由獨立的學習環境催生了學生學習的自主性，教師在新形態下的教學研究工作也必須同步跟進，其中就包含中學物理居家實驗.上世紀80年代，蘇州大學朱正元教授就提出了“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的中學物理實驗教學理念.通過觀察學生熟悉和感興趣的現象，用來源于生活中的“瓶瓶罐罐”讓學生深度學習物理知識，學會提出問題、分析問題和解決問題的方法，達到探究實驗、把握新知、學以致用的目的.[7]居家實驗必將成為中學實驗教學的有益嘗試.

2 物理居家系列實驗的具體實施

筆者在這段時間為本班學生開設了中學物理居家實驗這個單元，讓學生用身邊最熟悉的材料做實驗，[7]在鞏固舊知識的基礎上，發現教與學的新問題，然后導入新知識，培養學生的思維和探究能力.[8]一方面，居家實驗設備不再是標準件，當學生發現結果與預期不符時，會分析自己親手搭建好的實驗裝置，考慮實驗中的一些系統誤差；另一方面，每位學生的實驗測量結果具有開放性，沒有標準“答案”，激勵學生獨立自主的探究和判斷.[9]在這一過程中教師也需要不斷學習提高，從學生的“教師”變為學生的“同伴”，參與到實驗設計和研究中，實現教與學的共同進步.

課程的具體實施方案見圖1.第1周，根據學生現有知識水平，布置測量實驗任務，要求學生多次測量，記錄測量結果，并要求學生計算自己實驗體系中的相對誤差；第2周，匯總學生的實驗方案、測量結果和相對誤差，介紹相關實驗方法，引導學生實驗拓展；第3周，甄別拓展的實驗方案，引導學生發現實驗預期與實驗結果的沖突，提出問題；第4周，解決問題，優化實驗方案，分析各種方案的適用范圍，并進行回顧和報告.

圖1 基于OBE的居家實驗教學實施方案

接下來，筆者將以“細絲直徑的測量”為例，介紹具體教學的實施方案，見表1.

表1 細絲測量主題實驗單元的周進度安排

第1周，教師布置實驗題目—細絲直徑測量.教師復習初中長度測量知識中的密繞法；學生在家任意選取各種各樣的“細絲”，根據上述測量方法對細絲的直徑進行測量，見圖2.

(a) 為對手機充電線的測量

學生選取的主要有兩類，一類為充電線，另一類為頭發絲或者縫衣線.為方便比較，本文將對手機充電線和頭發絲直徑的測量做詳細闡述.學生利用密繞法，測得手機充電線和頭發絲的數據如表2所示，因此，手機充電線的直徑d充電線=3.0±0.1 mm，相對誤差為E充電線=3.3%；頭發絲的直徑d頭發=0.13±0.01 mm，相對誤差為E頭發=7.6%.

表2 密繞法測量頭發絲和充電線的測量結果

圖3 陰影法測量細絲直徑

學生同樣對頭發絲和手機充電線進行了測量，為了保證測量效果，學生通常選擇晚上或者暗室進行投影測量.以手機手電筒為光源，細絲分別為充電線和頭發絲，測量結果如表3所示.

表3 投影法測量頭發絲和充電線的測量結果

因此，投影法測得，手機充電線的直徑d充電線=3.0±0.1 mm，相對誤差為E充電線=3.3%；頭發絲的直徑d頭發=0.6±0.1 mm，相對誤差為E頭發=17%.可見頭發絲的相對誤差很大，且與我們密繞法直接測量得到的結果不符合，需要進一步分析.

第3周，投影法在頭發絲測量的情況下，存在很大的誤差，教師引導學生進行問題探究，讓學生把手電筒這一復色光源替換為單色光源，再次重復實驗，觀察激光打在充電線和頭發絲上的成像差別，如圖4所示.

(a) 充電線

學生很容易發現這兩種投影的差別，教師引入高中物理3-4衍射的內容.在傳統課堂教學中，教師會向學生展示單縫衍射實驗裝置，讓學生觀察到光的衍射現象，并總結衍射現象的產生條件.而在物理居家實驗中，我們引導學生通過比對書中單縫衍射和實驗中頭發絲的光強分布圖，尋找兩者相似之處，啟發學生將書中的單縫衍射和看到的頭發絲衍射圖建立鏈接.

圖5 衍射法測頭發絲直徑

表4 衍射法測頭發絲直徑的測量結果

然后，學生根據實驗示意圖，在家自行搭建衍射光路，測量頭發絲的直徑，衍射圖像如圖5(b)所示.筆者選取一套頭發絲的測量結果，用逐差法對頭發絲的直徑進行了計算，結果如表4.通過計算，可得頭發絲的直徑d頭發=0.129±0.002 mm，相對誤差為E頭發=1.6%.

第4周，教師匯總學生這3個測量方法的結果，引導學生通過測量結果和相對誤差分析，引導學生自主討論和評價各種實驗方法的合理性，分析和討論各種方法的優劣；教師最后并總結不同測量方法的適用范圍，并鞏固相關知識點.幾種測量方法的比較結果如表5.

表5 測量方法比較

這4周的系統實驗服務于細絲測量這一個實驗主題，有助于初高中實驗知識點的串聯，并鏈接書中選修部分內容與具體實驗，有利于學生自主學習和持續學習能力的培養.

3 “細絲測量”居家實驗的教學效果

為了具體了解學生的學習效果，筆者對揚州某四星高中，高二年級理科排名前15%的100名學生在各階段的困難表現和解決方式進行了問卷調查，具體問卷見表6.

表6 各階段實驗的困難點、解決方法和完成度調研

調研結果如表7.從完成度上，筆者發現，整個一單元的實驗難度逐步增加，最后的衍射法測細絲直徑確實達到了“跳一跳才能夠得到”的難度，滿足課程設置的挑戰性和高階性要求.

從圖6可以看出，第1周，絕大部分學生都能獨立完成實驗，且完成效果良好，說明學生對“密繞法”掌握的較好，學生具備一定的動手能力和實驗數據處理能力；第2周實驗的主要困難在于居家實驗要求學生自己搭建實驗裝置，通過師生間的反復討論，學生們搭建出較合理的實驗裝置來進行實驗.這個過程充分調動了學生的學習熱情，提高了學生的動手能力.第3周實驗的主要困難在實驗原理上，學生通過對比觀察，很快發現了單絲衍射現象，但是定量計算是難點.通過前兩周的實驗鋪墊，學生在實驗裝置的搭建中有了一定的經驗，所以大部分學生能夠完成實驗.第4周，學生在完成實驗的基礎上，對3種實驗方法進行總結歸納，并鞏固相關知識點.

表7 調查問卷(表6)統計結果

圖6 學生困難體現(a)和問題解決路徑(b)的匯總圖