基于PBL教學(xué)法的LED特征參量測量實(shí)驗(yàn)教學(xué)*

代 芮 陳 開 閆愛民

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

1 引言

作為高中物理課程的重要板塊之一，實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的優(yōu)質(zhì)載體.提升高中物理實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量、注重實(shí)驗(yàn)對學(xué)生的啟發(fā)性、加強(qiáng)理論知識與實(shí)際生活的聯(lián)系是值得教育者關(guān)注的問題.然而由于課程負(fù)擔(dān)、學(xué)業(yè)壓力等多方面因素，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)以原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，課堂上通常采用教師演示、學(xué)生觀察的灌輸式模式教學(xué)，作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生仿佛游離于實(shí)驗(yàn)之外，參與度大打折扣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維.PBL(Problem-based learning)教學(xué)模式就是“以問題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)”，它最早誕生于北美各大學(xué)醫(yī)學(xué)院的教學(xué)模式改革.1980年，美國的巴羅斯和泰姆萊恩在他們出版的《問題式學(xué)習(xí)——一種醫(yī)學(xué)教學(xué)方式》一書中闡述了PBL教學(xué)模式的主要思想，它是一種以問題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為導(dǎo)向的小組討論式的教學(xué)方法，精髓在于發(fā)揮問題對學(xué)習(xí)過程的指導(dǎo)作用，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生主動學(xué)習(xí)、解決問題、完成預(yù)定目標(biāo)的目的[1].PBL教學(xué)法目前廣泛應(yīng)用在各種不同的學(xué)習(xí)情境之中，得到了諸多領(lǐng)域的認(rèn)可[2～9].

文獻(xiàn)[4]對翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)和評價，認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL教學(xué)法從根本上改變了教學(xué)實(shí)踐，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高了學(xué)習(xí)效率.文獻(xiàn)[6]通過教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，PBL教學(xué)模式對學(xué)生在物理學(xué)習(xí)興趣、提問意識、回答和解決問題的準(zhǔn)確度以及公開發(fā)表個人見解4個維度的能力都有不同程度的促進(jìn)作用.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，文獻(xiàn)[7]針對傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對學(xué)生自主探究精神和創(chuàng)造力培養(yǎng)的欠缺，提出了一套把PBL與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)條件相結(jié)合的教學(xué)方法.文獻(xiàn)[8]將PBL教學(xué)模式遷移到物理課程中，提出了PPBL(Physics problem based learning)教學(xué)方法，主要研究的是光學(xué)課程中應(yīng)用的PPBL教學(xué)模式，針對物理專業(yè)本科教育中傳統(tǒng)的“知識講授型”教學(xué)模式所導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力不足的根本問題，提出了解決方案.

本文以建構(gòu)主義為理論依據(jù)，運(yùn)用PBL教學(xué)法進(jìn)行了有關(guān)LED光源特征參數(shù)測量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要針對在學(xué)習(xí)光學(xué)以及光譜相關(guān)知識的高中生或者大學(xué)生，希望把難度較高的物理科學(xué)知識通過結(jié)合生活實(shí)際、科學(xué)問題導(dǎo)引、動手實(shí)驗(yàn)、課后反思等教學(xué)手段化難為易，讓學(xué)生在掌握科學(xué)知識的同時開拓眼界，激發(fā)對物理學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計背景

建構(gòu)主義是在行為主義、認(rèn)知主義后的又一學(xué)習(xí)理論，其代表人物布魯納認(rèn)為學(xué)生在學(xué)習(xí)中的發(fā)現(xiàn)可以對學(xué)生產(chǎn)生影響.根據(jù)建構(gòu)主義的觀點(diǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)屬于主體對客觀事物的主動建構(gòu)過程，是以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過與外界的相互作用來構(gòu)成新的理解.在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，教育模式逐漸革新.PBL教學(xué)模式也是受建構(gòu)主義思潮影響而發(fā)展起來的.

PBL教學(xué)模式具有問題性、探究性、自主性、合作性的特征[1～3].從活動結(jié)構(gòu)上看，目前實(shí)踐者們公認(rèn)的是由巴羅斯系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和過程.后來隨著實(shí)踐的不斷推進(jìn)與深化，麥羅·希爾把問題式學(xué)習(xí)歸納為七步驟組成的活動結(jié)構(gòu)，第一步是教師向?qū)W生展示問題情境，然后學(xué)生在問題情境中鑒別事實(shí)、提出問題、進(jìn)行分析.在學(xué)生把問題理解透徹之后，就順其自然地提出關(guān)于問題的假設(shè)，這時學(xué)生會發(fā)現(xiàn)自己目前的知識不足以解決問題，于是步入自主學(xué)習(xí)階段.經(jīng)過自主學(xué)習(xí)后，學(xué)生運(yùn)用獲得的新知識對他們之前確立的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證和評估，這就是解決問題的過程.最后，學(xué)生對他們在整個過程中獲得的知識進(jìn)行概括和總結(jié).

我們發(fā)現(xiàn)在PBL教學(xué)活動結(jié)構(gòu)中，學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，根據(jù)已有的資料和工具進(jìn)行學(xué)習(xí)、探索，對結(jié)果進(jìn)行討論與思考、假設(shè)和驗(yàn)證，也就是進(jìn)行意義的建構(gòu).這和目前高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)期望的學(xué)生學(xué)習(xí)過程不謀而合.因此本文以建構(gòu)主義思想為理論指導(dǎo)，進(jìn)行PBL教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

3 PBL教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

發(fā)光二極管，簡稱為LED，是一種常用的發(fā)光器件.它通過電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，可高效地將電能轉(zhuǎn)化為光能，在現(xiàn)代社會具有廣泛的用途，如照明、平板顯示、醫(yī)療器件等.LED的光學(xué)參數(shù)主要有光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、波長等，尤其是發(fā)光強(qiáng)度的空間分布和光譜分布是實(shí)際應(yīng)用中人們普遍關(guān)心的參數(shù).因此，本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解LED的發(fā)光原理，掌握測量LED發(fā)光強(qiáng)度空間分布特性的方法，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計方案

基于PBL教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計流程，如圖1所示，包括3個環(huán)節(jié): 課前、課中和課后.

(1)設(shè)置情境，提出問題

教師在課前需要預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，這是對實(shí)驗(yàn)的類別、目的、操作步驟和結(jié)果進(jìn)行預(yù)先估計的過程.常見的實(shí)驗(yàn)類別有驗(yàn)證類實(shí)驗(yàn)、設(shè)計性實(shí)驗(yàn)、儀器使用訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)等.本文采用的實(shí)驗(yàn)屬于具有一定科普性質(zhì)的設(shè)計性實(shí)驗(yàn)，學(xué)會測量LED燈珠的發(fā)光角特性測量，并用光譜測試儀測出LED光源的光譜，即光源的顏色進(jìn)行精確判斷，進(jìn)而讓學(xué)生對LED的光學(xué)性質(zhì)有更加深入的了解，在此基礎(chǔ)上教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖灾髟O(shè)計和探究.

LED燈珠屬于常見光源，學(xué)生在日常生活中對LED并不陌生.確定實(shí)驗(yàn)類別和實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮螅處熢谡n前要向?qū)W生進(jìn)行“預(yù)告”，讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)的方式對實(shí)驗(yàn)涉及的未知概念進(jìn)行調(diào)研.教師可以利用漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計和控制變量的思想，讓學(xué)生能由淺入深、由易到難、系統(tǒng)地歸納LED的發(fā)光特性.基于PBL教學(xué)模式提倡以問題為核心的思想，教師應(yīng)為實(shí)驗(yàn)設(shè)置相關(guān)的情境和具有探究可行度的問題.

問題1：“LED燈珠在各個方向上發(fā)光強(qiáng)度有區(qū)別嗎？”

問題2：“不同LED燈珠的偏差角會有不同嗎？是否存在沒有偏差角的LED呢？”

問題3：“生活中常見的LED組成的燈組都是五彩斑斕的，不同顏色的LED其光譜分布會有哪些不同呢？你能用已知的不同色光對應(yīng)波長范圍預(yù)判光譜分布的形態(tài)嗎？”

問題4：“不同電壓下的同一LED燈珠，其偏差角會有不同嗎？如何測量偏差角?”

問題5：“環(huán)境中的雜散光是否對測量LED角度特性和光譜特性產(chǎn)生了影響呢？如何盡量減少這種影響？”

(2)合作討論，設(shè)計實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生將運(yùn)用自己已有的知識，對提出的問題進(jìn)行分析，界定探究方向.在這一過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)自身知識的不足.這時就需要在教師的幫助下，通過小組合作的方式自主學(xué)習(xí)，獲取新知識，然后運(yùn)用所學(xué)知識解決之前確定的問題.因此，教師應(yīng)幫助學(xué)生了解儀器原理和使用方法.即在實(shí)驗(yàn)開始前，學(xué)生需要熟悉LED發(fā)光角度特性測試儀，知道它的各個部件如何安裝和校準(zhǔn).明確何時光軸與機(jī)械軸重合，以及怎樣測量機(jī)械軸與光軸之間存在的偏差角，并從偏差角的測量方法展開對半發(fā)光強(qiáng)度角的測量.對于LED光譜測試儀，學(xué)生需要利用計算機(jī)軟件直接進(jìn)行光譜采集.當(dāng)更換不同顏色LED時，采集到的光譜也各有不同.峰值波長和光譜帶寬等參數(shù)可以直接從軟件中獲取.

對于上文展示的5個問題示例，教師應(yīng)允許學(xué)生自行討論和設(shè)計實(shí)驗(yàn)方式.比如在進(jìn)行LED角度特性測量的時候，學(xué)生可以用同一LED燈珠在不同電壓下做幾組實(shí)驗(yàn)，對比偏差角是否有不同；對于LED光譜，學(xué)生可以在已知燈珠顏色的情況下對LED發(fā)光光譜分布進(jìn)行預(yù)判和猜想，然后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和猜想的相同與差異等.本環(huán)節(jié)教師要注意開放式討論的應(yīng)用，要利用自身的知識背景，對學(xué)生討論的方向進(jìn)行適時的引導(dǎo).教師可以對學(xué)生討論提出的科學(xué)問題大膽拓展，而并不局限于物理問題本身.這也是激發(fā)學(xué)生物理興趣的途徑之一.

(3)總結(jié)實(shí)驗(yàn)，聯(lián)系實(shí)際

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師指導(dǎo)學(xué)生對實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)科學(xué)規(guī)律.并且引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，經(jīng)過討論得出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計是否存在可以改進(jìn)的地方等.除此之外，教師可以對LED的應(yīng)用進(jìn)行拓展，發(fā)揮本實(shí)驗(yàn)具有的科普性質(zhì)，增加理論知識與生產(chǎn)生活的聯(lián)系.

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

LED發(fā)光強(qiáng)度的空間分布特性是指器件發(fā)射出的光強(qiáng)IV與空間方向角θ的函數(shù)關(guān)系[10]

IV=f(θ)

θ一般取為機(jī)械角，定義為器件幾何尺寸的中心線或法線為其零度角，如圖2(a)所示.在實(shí)際應(yīng)用中，由于LED封裝工藝問題可能使LED存在發(fā)出光強(qiáng)度最大的方向與機(jī)械軸不重合，產(chǎn)生如圖2(b)所示的偏差角Δθ.

圖2 LED發(fā)光的角度分布

實(shí)驗(yàn)儀器采用LED發(fā)光角特性測試儀，如圖3所示為測量LED發(fā)光角度特性的實(shí)驗(yàn)原理圖[10]，PD為硅光電池，通過光電轉(zhuǎn)換測量光的強(qiáng)度，在儀器上顯示為電壓值.圖中的3道光欄與硅光電池構(gòu)成一個空間立體角，空間立體角的軸線是固定的，記為PD軸.LED發(fā)光管的機(jī)械軸由其外形尺寸決定，夾持器具將其機(jī)械軸與PD軸共軸.LED發(fā)出的光只有進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)立體角內(nèi)的部分才能被硅光電池PD所接收.當(dāng)安裝在夾具上的LED燈發(fā)出的光沿z軸最大時表明它的光軸與機(jī)械軸重合，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)度盤使度盤刻度為0，觀察并讀出輸出電壓值.然后再轉(zhuǎn)動度盤，邊轉(zhuǎn)動邊讀輸出電壓，當(dāng)數(shù)字輸出電壓的示值達(dá)到極值Um時停止，記錄此時度盤的角度αm，通過計算可求得LED的光軸與機(jī)械軸的偏差角Δθ.

圖3 LED發(fā)光角度特性測量原理圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)LED發(fā)光強(qiáng)度的空間分布特性測量

將LED正確接入安裝底座并打開電源開關(guān)，通過電流調(diào)節(jié)旋鈕使電流不超過20 mA并不再改變，轉(zhuǎn)動LED夾具直到電壓表讀數(shù)最大時旋緊.表格中的輸出電壓是光電探測器接收到LED發(fā)出的光后輸出的電壓值.對于偏差角Δθ的測量，先轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)度盤使度盤刻度為0，此時電壓值對應(yīng)的是機(jī)械軸處的電壓，即表中的U1；然后轉(zhuǎn)動度盤，轉(zhuǎn)動的同時觀察輸出電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大值時，記錄此時輸出電壓為Umax，此時度盤對應(yīng)的角度為αm，即光軸與機(jī)械軸之間的偏差角Δθ=|αm|.本實(shí)驗(yàn)測出的偏差角為3°，如表1所示.

表1 LED發(fā)光角特性測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

(2)LED光譜分布測量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用光譜測試儀測試LED燈珠的光譜分布.首先將裝有待測LED的燈座安裝在光譜儀左側(cè)的可調(diào)狹縫前，將LED燈座電源線接入插孔，開啟電源總開關(guān)，使之通電，這樣就安裝好了測量系統(tǒng).

光譜測試儀是利用LED發(fā)出的光經(jīng)過狹縫入射到反射光柵上，經(jīng)反射分光后產(chǎn)生多色光帶光譜，再經(jīng)過凹面反射鏡匯聚到CCD上，最后將數(shù)據(jù)送入計算機(jī)，呈現(xiàn)譜圖[10].將計算機(jī)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Origin Pro軟件作圖如圖4～6所示.

圖4 紅光LED光譜

圖5 藍(lán)光LED光譜

圖6 綠光LED光譜

本實(shí)驗(yàn)測試了紅色、藍(lán)色和綠色3種LED燈珠的發(fā)光光譜.在光譜測試軟件上，通過標(biāo)注功能可獲取譜線上特定點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，橫坐標(biāo)表示波長，縱坐標(biāo)表示歸一化強(qiáng)度.相對光強(qiáng)最大值對應(yīng)的波長即為LED發(fā)光的中心波長，3個LED的中心波長如表2所示.

表2 LED光譜測試儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本文以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ)，結(jié)合PBL教學(xué)法進(jìn)行了LED光源角度特性參數(shù)和光譜分布的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生通過提出科學(xué)問題、合作探究、總結(jié)反思等途徑，理解科學(xué)知識，擴(kuò)展思維眼界，達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合、提升學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的目的.本教學(xué)設(shè)計內(nèi)容豐富，具有一定的科普價值，能充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和探究能力.