ETA 物理教學法在大學物理實驗教學中的應用

摘 要 ETA 物理認知模型是關于物理認知規律的研究總結。根據ETA 物理認知模型，完整的物理認知由實驗物理（Experimental Physics）認知、理論物理（Theoretical Physics）認知和應用物理（Applying Physics）認知構成。按照ETA 模型的認知規律教學為ETA 物理教學法。本文以“弦振動與駐波實驗”為例，根據ETA 物理教學法的思路構建教學內容和教學過程，對理論、實驗、應用及其之間的關系進行深層次的理解，以提升大學物理實驗教學的深度和廣度，培養學生的物理認知能力，養成其物理精神。

關鍵詞 ETA 物理認知模型;ETA 物理教學法;弦振動與駐波實驗;物理精神

大學物理實驗是高等學校理工科學生的必修基礎課，是學生接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，能培養學生的動手能力、創新精神和科學素養，對培養科技創新型人才具有非常重要的作用和意義。目前，大學物理實驗教學多采用傳統模式，即教師介紹實驗目的、實驗原理、實驗儀器和注意事項并演示實驗過程，學生被動地重復實驗步驟，得到實驗數據驗證實驗結果。傳統的教學模式忽略了學生認知過程中的主觀能動性，限制了學生創新能力的培養。學生對課程不重視、缺乏學習動力、做實驗不認真、不思考、不會進行數據處理從而不能驗證實驗的結果，這些問題導致實驗課教學不能達到理想的效果。根據發展素質教育、培養拔尖創新人才的教育目標，教師在教學中應該探索建設拔尖創新人才培養的新范式[1]。因此，解決大學物理實驗課程的教與學中存在的問題是非常重要的。

穆良柱將物理認知規律總結為ETA 物理認知模型[2]，并基于此模型提出了ETA 物理教學法和ETA 物理學習法[3-5]，分析回答了物理教育中存在的問題并以ETA 模型為指導給出解決的方法。ETA 教學法能全面培養學生物理認知能力和科學探索能力，將教與學以及應對考試的過程全部統一，解決應試教育和素質教育不兼容等各種問題，滿足國家對創新型人才的需求，為物理實驗的教與學提供一種新范式。下面先介紹ETA物理認知模型和ETA 物理教學法，然后以弦振動與駐波實驗為例介紹ETA 物理教學法在大學物理實驗教學中的應用。

1 ETA 物理認知模型

ETA 物理認知模型可以劃分為實驗物理認知、理論物理認知、應用物理認知三個階段，由11個具體認知步驟構成，如圖1所示。實驗物理認知和理論物理認知對應的是科學探索過程，應用物理認知則對應技術應用過程。這里實驗物理、理論物理、應用物理強調的是認知上的含義，并非知識角度的理解。理解此模型之前，不妨先思考一個問題，“物理”是什么？ “物理”是物理學家采用實驗和理論相結合的方法對整個自然界的客觀對象進行有效認知的積累，這些認知至少要符合可證偽性的要求。ETA 物理認知模型就是對“物理”概念的深入理解，從而給出物理的“教與學”指導性方法。

實驗物理認知是第一階段。物理起源于人對自然的探索，用天生的感知能力去觀察世界?，F實世界的各種現象是復雜的，先挑最簡單的研究對象，觀察物理現象、簡化物理特性、量化描述物理過程、找出物理性質之間的關系，這就是實驗物理認知的過程。這一過程的認知是片面的、零散的，物理學家更希望得到系統的、整體的公理化認知，即物理認知的下一階段理論物理認知階段。

在得到一系列經驗規律后，物理學家開始探索這些經驗規律背后更本質更簡單的原因，借鑒數學認知系統從經驗規律中找到基本定理或者假設基本公理并只用數理邏輯系統化推導出所有的經驗規律，來構建一個對研究對象的系統化理解。這種構建有效公理化體系認知的過程是ETA 的第二階段———理論物理認知。在這個階段，首先建立一個理想模型，再構建公理化認知體系，這套理論是否正確是很重要的一個問題，物理的認知邏輯要求可以用實驗來檢驗。不可證偽的理論，實驗檢驗是沒有意義的，因為它總是對的，可證偽的理論，如果它是錯誤的，則一定可以證偽，如果還沒錯，就認為是有效認知，暫時可以使用，證偽的意義在于可以找到有效的理論認知邊界，這一點非常重要，在邊界內，這套理論是有效的，在邊界外理論失效，則需要重新構建。

在有效的理論認知邊界內，可以解釋之前發生的現象，也可以運用理論去預言將會發生什么現象，這些理論認知可以指導人類去和世界交互，進行各種技術發明創造，這就是應用物理認知階段。ETA 物理認知模型的本質是人的認知規律，并且是被人類實踐檢驗過的有效規律。

2 ETA 物理教學法介紹

按照物理認知規律教學，從物理現象開始，逐步由實驗認知到理論認知，再到應用認知，在教學過程中建立系統化的物理認識，稱為ETA 物理教學法[3]。ETA 教學法將教學內容組織成物理認知案例，強調學生認知能力的培養，而不是簡單的知識層面的學習。在實驗物理階段，主要是引導學生對研究對象的實驗性質進行探索，構建直觀認識。在理論物理認知階段，主要目的是引導學生如何構建最簡化有效的系統化認知。在應用物理認知階段，引導學生如何根據實際需要靈活類比使用有效物理認知，進而深入理解認知規律、學會物理方法、養成物理精神。下面按照ETA 物理認知模型組織構建弦振動實驗的教學案例，根據不同認知階段的目標任務完成具體的教學組織。

3 ETA 教學法應用案例———“弦振動與駐波實驗”教學

弦振動與駐波實驗是大學物理實驗中的基本實驗之一，弦振動的研究廣泛而富有趣味性，被選為2021年國際青年物理學家錦標賽（IYPT）的第11題[6]。振動是指物體偏離它的平衡位置所作的往復運動，振動的傳播產生波動現象。弦振動實驗的內容是觀察弦在振源的驅動下振動時，在共振狀態下弦線上產生的駐波現象，掌握駐波的形成原因以及弦振動的固有頻率與弦線密度、弦長和張力T 的關系，并進行測量和驗證。下面按照ETA 認知模型組織構建弦振動與駐波實驗教學內容，根據ETA 教學法安排弦振動與駐波實驗的教學。

3.1 實驗物理認知

在實驗認知中，人類用全身的感官去接觸自然，再描述所感受的世界。讓學生接觸大量系統的探索性實驗，用自身的感知能力去感受研究對象的各種性質，在此階段不需要強調理論，想方設法地去探索研究對象的性質即可。在實驗現象中發現一些關聯，為理論認知提供線索。

3.1.1 觀察物理現象

此實驗來源于人類對聲音的感知、思考和研究。聲音是人類感受自然界的一種基本方式，風聲、鳥鳴等大自然的聲音，悠揚的樂曲或者機器運作的轟鳴聲這些都是我們熟悉的現象。細心觀察，我們還可以發現，伴隨著聲音物體會有振動現象產生。從遠古時期開始，人類就有振動產生聲音的感性經驗，如利用振動發聲的哨、石磬等原始樂器，中國古代的魚洗盆又叫青銅噴水震盆，當用手摩擦魚洗雙耳時，會形成浪花和飛濺的水珠，并發出嗡鳴聲。這些聲現象和與之伴隨的振動現象引起人們的注意和思考。

3.1.2 挑選研究現象

在具體研究物理問題時，往往挑選同一類中最簡單的那一個，甚至可以極端簡化。樂音聽起來心情愉悅而且相對于噪音似乎聽起來更簡潔，是最早引起科學家研究興趣的聲音現象。通常情況下聲音是振動在三維空間的傳播，聲音在鼓面、魚洗水面上的傳播可簡化為二維情況，而本著挑選最簡單情況的原則，可以挑選一維振動發聲情況作為研究對象。

公元前六世紀希臘哲學家畢達哥拉斯（Pythagoras）的振動實驗室是最早的關于樂器聲音的研究實驗室，他挑選最簡單的一維情況—特制的純粹用于科學實驗的單弦琴進行弦振動實驗。1860年，Franz Melde研究了音叉帶動弦的振動問題并觀察到駐波現象，大物實驗中的弦振動與駐波實驗是Franz Melde的實驗的繼承和發展。

3.1.3 明確研究問題

挑選研究對象后，繼續明確研究問題：樂音中的音高究竟與哪些物理量相關？ 這是一個復雜的問題。為何同一根弦，有時候發出的是樂音，而有時候發出的是噪音，樂音也存在不同的音高，音高究竟與什么有關？ Pythagoras依次改變弦的長度、直徑、弦力而比較弦的音響，通過實驗觀測得到弦線振動發出的聲音的音高與弦線的長度、直徑和張力的關系。伽利略通過一系列的觀察和實驗證實了聲音是一種機械振動現象，并提出了音高本質的因素：頻率（當時稱之為振動數）。進而可以明確研究的問題是：弦線形成穩定振動時發出的聲音的頻率與弦長、弦線密度和弦線中的張力之間是什么關系？ 弦中振動傳播的形狀是什么樣？