互動物理實驗在大學物理教學中的應用

吳建海,段雪松,孔祥明,安 莉,葉文江

(河北工業大學 理學院,天津 300401)

大學物理和大學物理實驗是理工科學生的公共必修基礎課,是學生學習后續專業基礎課、專業課的必備基礎,具有承上啟下的作用. 然而,2門課程在內容上存在嚴重不同步的問題,學生在理論課上學到的知識無法及時利用實驗進行驗證. 大學物理的授課計劃是課程統一安排且按教學進度順序進行,而大學物理實驗課是循環進行. 例比如大學物理課程從運動學開始,但大學物理實驗不是都從運動學開始,因為實驗課嚴重依賴實驗儀器,若跟隨理論課將對儀器的臺套數有巨大的挑戰,同時其他實驗儀器將處于嚴重閑置狀態,即使臺套數能滿足要求,每節課更換實驗儀器的工作也將是極其艱巨的任務.

另外,大學物理課程缺乏學生可以深度參與的課堂實驗[1]. 具體表現為:a.現有演示實驗僅由教師單方面展示,學生作為觀眾被動觀看[2];b.有的學校建設了演示實驗、探索實驗室和走廊實驗[3],學生可以動手操作,但僅限在實驗室進行,且一般都缺乏教師現場指導,學生雖然參與但無法深入理解物理原理;c.有的學校針對大學物理實驗開發了居家實驗[4]或宿舍實驗[5],這種模式鼓勵學生利用手邊材料或實驗室發放的材料進行簡單的實驗,可脫離實驗室進行實驗,雖然能鍛煉學生的動手能力,但這些實驗并不是針對大學物理課程內容開發的,所以缺乏針對性.

互動被認為是增進了解、加強共識的有效方式,該觀點在教學上的應用得到了重視[6-10],例如2022年張萍等人就大學物理課堂互動教學模式進行了研究[6];2022年中國科學院科學傳播中心就中國科學傳播現狀進行了分析,認為互動作為大眾最喜聞樂見的科學傳播形式應該得到加強[7],但將互動應用在理論課堂的實驗內容還鮮見報道.

本文提出了具有互動性質的新實驗教學模式,在理論課課堂進行了試點應用并逐步推廣到全校,并對其教學效果進行了研究.

1 互動物理實驗

為解決傳統教學中缺少互動的問題,提出了互動物理實驗新模式,學生可以通過手中的學具、量具等參與到教師的演示實驗中,而不是被動地觀看教師的演示. 該模式使學生的課堂參與度更深、積極性更強.

1.1 開發實驗項目

開發了互動物理實驗項目,以增加課程的吸引力,同時彌補理論課和實驗課不同步的缺陷. 目前,針對光柵光譜、偏振開發了6個課堂實驗項目,如表1所示.

表1 課堂實驗項目

1.2 開發學具

為互動物理實驗開發學具,以滿足學生端對互動的要求,分別是光柵卡片(二維正交平面透射式光柵,光柵常量為360 mm-1)和偏振卡片(線偏振片),如圖1所示.

(a)光柵卡片 (b)偏振卡片圖1 學具卡片

在課前,每名學生將得到學具,并按照學案中的要求完成預習. 課堂上,學生利用學具參與課堂實驗. 課后,學生可以利用學具完成作業,學具則不再收回. 這種獲得感是其他教學形式無法滿足的.

1.3 開發教具

為互動物理實驗開發相應的實驗儀器,以滿足教師端對互動教學的要求.

1.3.1 發射譜(元素燈)

磁吸式鈉燈、磁吸式汞燈、各種磁吸式稀有氣體燈,點亮鈉燈的觀測效果如圖2所示.

圖2 用光柵卡片觀察鈉燈

教師將磁吸式鈉燈吸在黑板上,以黑板為背景,學生通過光柵卡片能清楚地看到鈉光譜的主要成分為黃色,同時還有藍紫色和比較淡的綠色(圖3).

圖3 鈉光譜

點亮汞燈的觀測效果如圖4所示,學生可以明顯觀察到汞光譜的主要成分為黃、綠、藍、紫(圖5).

圖4 用光柵卡片觀察汞燈

圖5 汞光譜

教師可向學生簡單介紹“同色異譜”現象,即汞燈雖然看起來發白,但由于其光譜中紅、橙等部分較少,色調上偏冷,所以選衣服看顏色時在這樣光源下的視覺效果與陽光下不同. 進而解釋了為什么在印刷、染色等與顏色有關的行業需要使用標準光源.

通過以上實驗觀察發射譜,學生明白了“譜”的概念即為不同波長在橫向上的展開,和枯燥的理論與單純的講授相比,學生通過親自觀察實驗,能夠對知識的理解將更具體、更深刻.

1.3.2 連續譜、吸收譜(氙燈、氙燈+紅寶石濾鏡、氙燈+紅玻璃濾鏡)

氙燈可提供連續譜(圖6),是科學測量中的常用光源.

圖6 用光柵卡片觀察氙燈

在氙燈前加裝紅玻璃濾鏡將使光譜中黃綠以后的顏色消失,即為紅玻璃的吸收譜,呈現低阻[圖7(a)];換成紅寶石濾鏡后,多了藍紫等顏色,呈現帶阻[圖7(b)]. 通過觀察吸收譜中顏色的成分就可以區分紅寶石和紅玻璃.

(a)紅玻璃濾鏡 (b)紅寶石濾鏡圖7 用光柵卡片觀察加裝濾鏡的氙燈

1.3.3 色度學(黃LED燈、氙燈+查爾斯濾鏡)

色度學在物理、生理、心理等領域具有廣泛應用. 實驗中,先讓學生直接觀察黃LED和加裝了查爾斯濾鏡(用于寶石鑒定的特殊濾鏡,只能透過紅色和部分黃綠色的光)的氙燈,兩者呈現相似的黃色(LED是明黃色,查爾斯濾鏡是土黃色). 透過光柵卡片再觀察會發現,LED中雖然包含了較淡的紅色和綠色,但主要是黃色[圖8(a)];而加裝了查爾斯濾鏡的氙燈中卻只有紅色和綠色,并沒有黃色[圖8(b)]. 以上現象可以解釋為什么光的三原色只有紅、綠、藍,是因為視網膜上只有這3種感光細胞,眼睛看到其他顏色是大腦合成的. 所以用肉眼無法準確判斷顏色成分,需要使用光柵或三棱鏡等分光元件將復合光分解為單色光才能判斷.

(a)觀察黃LED (b)觀察氙燈+查爾斯濾鏡圖8 用光柵卡片觀察黃LED、氙燈+查爾斯濾鏡

1.3.4 顯色偏振(偏振背光板+偏振畫)

生活中經常使用的透明膠帶具有二向色性特點,即膠帶對o光和e光的折射率不相等. 圖9彩虹中的不同顏色是通過粘貼不同層數的透明膠帶實現的,由于不同層數的膠帶對o光和e光產生的附加光程不相等,故放到2層偏振片之間時,會使某些波長的光產生相干相消,可觀察到由于顏色消失而產生的補色. 同時在不同檢偏角度下產生消光的波長會發生變化,所以也會觀察到變色現象. 在偏振光的背光板,附上事先做好的偏振畫,學生利用自己的偏振卡片觀察,可以發現,只有用偏振卡片觀察時才能看到圖案上的顏色,轉動偏振卡片時還能看到顏色的變化. 由于學生能自主控制手中的偏振卡片,所以教學過程中學生的參與意愿非常強烈. 鮮艷的色彩和神奇的現象總能引起學生的濃厚興趣,在向學生傳達物理知識的同時,也體現了物理的美.

(a) 卡片與背光板偏振化方向垂直

(b) 卡片與背光板偏振化方向平行圖9 結合偏振背光板用偏振卡片觀看偏振畫

1.3.5 力致雙折射(偏振背光板+光彈模型)

很多材料在受力時會產生雙折射現象,這是由于外力導致材料對o光和e光的折射率不相等,如果光程恰好滿足條件,將會使某個波長的光產生消光,就能觀察到由于這種顏色消失而產生的補色. 由于材料中相同應力處會形成連續色帶,不同應力處顏色及其疏密程度不同,故可以直接用肉眼觀察到應力分布情況.

在生產過程中塑料尺在模具里經歷了從液態到固態的過程,分子之間的狀態還沒來得及通過擠壓變成均勻就被“凍結”了,所以通過圖10彩色花紋的疏密程度可以判斷塑料尺內部應力的分布情況. 比如,注塑口處花紋相對集中,意味著如果塑料尺整體受外力彎折,注塑口處將首先斷裂,因為在材料所受外力基本相等的情況下,此處受到內力更大. 同時可以說明為什么各種金屬鑄件在使用前需要退火消應力以提高機械性能,延長使用壽命.

圖10 結合偏振背光板用偏振卡片觀察塑料尺

圖11用光彈材料制作的扳手模型在實際受力(扳螺母)時,學生可以清楚的看到扳手上應力的分布情況,并能準確通過缺口拐角處花紋密集判斷此處應力較為集中,通過比較圖12理解真正的扳手在缺口處會用圓弧而不是尖角,以保證應力較為分散.

圖11 結合偏振背光板用偏振卡片觀察光彈模型

圖12 真正的扳手

這些儀器體積小、重量輕、便于攜帶、現象明顯,可滿足了大多數教學場景的要求.

1.4 開發新媒體平臺

利用新媒體平臺的優勢,建立了微信公眾號“工大物理實驗”(圖13),該公眾號能提供學案、知識庫和工具箱,以滿足預習、復習、拓展、科普等方面的需求,方便學生隨時隨地訪問.

圖13 微信公眾號“工大物理實驗”

2 實踐效果

1)創造了“實物預習”模式,學生首次面對的不再是枯燥的理論,而是實實在在的實驗現象. 在課前將學具和學案發給學生,并在QQ群布置群作業,要求學生通過拍照的方式完成學案中至少一項預習內容,并描述拍攝對象和嘗試解釋實驗現象. 完成度接近100%,其中高質量完成比例超過20%(“高質量”的標準包括現象明顯、解釋詳細、觀測角度有創意等).

在預習作業中可以見到學生的各種創意(圖14),應盡可能提供給學生動手實踐的機會;更重要的是學生在預習過程中相互探討、相互學習,探索的氛圍非常濃厚,而這正是教師在教學中一直希望并樂于看到的.

圖14 學生作業例

2)創造了“互動物理實驗”的課堂教學模式,在充分預習的前提下,課堂上很多知識的講解更容易理解,但限于學生的能力和活動范圍,在預習時找到的觀察對象通常具有隨意性且不全面,所以還需要用演示實驗加以輔助,并結合理論進行講解和拓展.

盡管學生已經在預習中看到了很多現象,但在課堂上看到演示實驗時還是非常驚奇. 講臺下學生興奮的表情、發光的眼神、相互探討后的如夢方醒過程讓課堂的講解達到了預期的效果.

根據課堂教學效果可知,互動物理實驗學生參與度接近100%,相比之下,單純的演示實驗學生參與度能達到70%～80%,單純的講解學生參與度只有30%～50%,因此互動物理實驗能提高學生的學習興趣.

3) 學生對自己擁有一件科學工具感到興奮,且急于向他人分享觀察到神奇現象.

互動物理實驗模式實現了學生的“樂”于學習,并通過向親友講解、拍照發朋友圈等形式客觀上延長了科學傳播的鏈條,為科學普及探索了一條新途徑.

4) 教師不再為單純講解內容的枯燥而煩惱,課堂氣氛活躍. 使用后教師紛紛感言“太好用了,還有沒有別的!這種實驗再多來點. ”

3 結束語

在“互動物理實驗”教學模式的指導下,團隊經過3年多時間分別在實驗項目、學具、教具、學案、新媒體平臺等方面進行了設計、嘗試和優化, 應用新模式初步解決了理論課課堂實驗不足的問題,效果良好,新模式為理論課上的實驗教學探索了新道路.