軍隊院校“大學(xué)物理實驗”問題驅(qū)動式教學(xué)案例設(shè)計
——以聲速測量實驗為例

周曉云，周 夢，景素華

（武警警官學(xué)院 基礎(chǔ)部，四川 成都 610213）

“大學(xué)物理實驗”是軍隊院校生長軍（警）官本科教育科學(xué)文化共同課程之一，作為一門實踐課程，其不僅能幫助學(xué)員深入理解物理概念和規(guī)律，還在培養(yǎng)和提高學(xué)員動手能力、觀察能力、理論聯(lián)系實際能力等方面比理論課程更具課程優(yōu)勢。同時也為學(xué)員的主動學(xué)習(xí)能力、科學(xué)思維能力、實踐創(chuàng)新能力等綜合科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)提供最直接的途徑。因此，“大學(xué)物理實驗”課程在科學(xué)文化課程中具有不可替代的作用。為提高“大學(xué)物理實驗”課堂的教學(xué)效果，筆者從軍隊院校學(xué)員學(xué)習(xí)現(xiàn)狀出發(fā)，遵循課堂教學(xué)內(nèi)容邏輯，以聲速測量實驗為例，嘗試問題驅(qū)動式的教學(xué)模式，突出實驗思想、方法與技術(shù)，提高學(xué)員的綜合科學(xué)素質(zhì)。

一、“大學(xué)物理實驗”課程教學(xué)現(xiàn)狀

“大學(xué)物理實驗”課程共56課時，分為兩學(xué)期授課，即每學(xué)期28課時，課時量僅是學(xué)員一學(xué)期總課時的6%左右，加之軍隊院校學(xué)員的任職需求，軍事基本技能和軍事體育訓(xùn)練占據(jù)了大部分的空余時間，學(xué)員本身也對實驗課程有一定的畏難排斥心理。因此，不論是主觀因素還是客觀因素，學(xué)員對實驗課程的重視程度都比較低，體現(xiàn)在預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)不能仔細(xì)研究教學(xué)資料形成初步的思維邏輯，課堂依賴教員講授與實驗演示，對操作中出現(xiàn)的問題不能夠獨立思考并嘗試解決，課后完成實驗報告時存在應(yīng)付心理，不能夠積極地將所學(xué)知識運用到課外實踐中。此外，在傳統(tǒng)實驗講授模式中，教員不僅將原本教材上就有的實驗?zāi)康摹嶒炘硪约皩嶒炞⒁馐马椄嬖V學(xué)員，還要詳細(xì)地講解實驗原理、方法、步驟、儀器使用、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等，甚至還要在學(xué)員做實驗之前從頭到尾地演示實驗，讓學(xué)員看得清清楚楚、明明白白，可以說是手把手地教，缺少讓學(xué)員自主思考、探索和創(chuàng)新的環(huán)節(jié)［1］。

二、基于教學(xué)現(xiàn)狀的問題驅(qū)動式教學(xué)思路

問題驅(qū)動式教學(xué)法的關(guān)鍵是以學(xué)員為主體、以問題為核心規(guī)劃教學(xué)內(nèi)容，通過解決問題使學(xué)員掌握核心知識與技能，即教師在課上引入與知識點相關(guān)的問題，以問題為牽引，通過師生互動，加深學(xué)員對知識點的了解，培養(yǎng)學(xué)員的邏輯思維能力。問題驅(qū)動的實施包括提出問題及解決問題兩個階段，在解決問題的過程中又會產(chǎn)生新的問題，從而形成提出問題—解決問題—產(chǎn)生問題—解決問題的循環(huán)，實現(xiàn)持續(xù)的深入學(xué)習(xí)和教育進(jìn)程［2］。

基于上述思想，筆者在聲速測量教學(xué)中實施問題驅(qū)動式教學(xué)，主要思路是在充分分析學(xué)員學(xué)情的基礎(chǔ)下，對實驗的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行庖丁解牛，厘清哪些內(nèi)容是預(yù)習(xí)過程中學(xué)員能夠大致了解的，哪些內(nèi)容是課堂教學(xué)中教員應(yīng)該總結(jié)歸納的，哪些內(nèi)容是可以通過問題進(jìn)行研討的，哪些內(nèi)容可以留在課后由學(xué)員自行實踐，即梳理出實驗的各個階段需要學(xué)員調(diào)查、討論、剖析的問題，并合理設(shè)置問題的難度，讓學(xué)員“跳一跳能夠得著”，還要做好學(xué)員提出新問題的準(zhǔn)備并加以引導(dǎo)，使問題沿著課堂主線進(jìn)行，做好課堂研討時間的預(yù)估，合理把握課堂進(jìn)度。

三、聲速測量問題驅(qū)動式教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)內(nèi)容梳理

聲速測量實驗是一個綜合型實驗，知識內(nèi)容涉及3個概念——聲波、駐波、聲壓，2個物理量的測量——共振頻率、聲波波長，1個實驗常用技術(shù)——壓電陶瓷換能器，2種實驗方法——共振干涉法、李薩如圖形法。整理聲速測量思維導(dǎo)圖，見圖1，可以在課前向?qū)W員呈現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)員對本實驗邏輯脈絡(luò)的清晰了解［3］。在理論課中，學(xué)員對聲波、駐波的有關(guān)理論已經(jīng)有了一定的理解，知道駐波的形成條件以及波節(jié)、波腹等概念，但并未學(xué)習(xí)過聲壓、聲駐波的概念，也未涉及壓電效應(yīng)這一聲電轉(zhuǎn)換技術(shù)，這是在原理講授中要著重解析的概念。本實驗學(xué)習(xí)的重點是兩種實驗方法測量聲波波長，關(guān)鍵實驗思想是如何利用波動特性將不可見的波長轉(zhuǎn)化為看得見的實驗圖像并進(jìn)行測量，這是幫助學(xué)員形成實驗思維，培養(yǎng)學(xué)員將理論知識應(yīng)用于實踐的能力的關(guān)鍵步驟。學(xué)習(xí)的難點是在共振干涉法中判斷駐波的形成，判斷波節(jié)點的位置，這里涉及聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)——壓電效應(yīng)，即聲壓作用在換能器上形成電信號的過程。

圖1 聲速測量思維導(dǎo)圖

（二）實驗項目的引入設(shè)計

在課堂引入設(shè)計方面，作為軍校教員不僅要考慮實驗研究對生產(chǎn)生活的意義，還要使課堂同戰(zhàn)場銜接緊密，突出軍味。對于聲速測量實驗而言，我們在引入時通過播放超聲速戰(zhàn)斗機(jī)轟聲視頻，引起學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，并提出問題：轟聲是如何產(chǎn)生的？轟聲的產(chǎn)生對于飛機(jī)的飛行有何影響？大部分學(xué)員能夠給出一個籠統(tǒng)的答案，即飛行超過聲速時會產(chǎn)生轟聲，轟聲可能引起飛機(jī)的解體。可以繼續(xù)引導(dǎo)設(shè)問，使學(xué)員聯(lián)系物理基本原理：回想一下多普勒效應(yīng)，飛機(jī)在飛行過程中會引起空氣振動，即產(chǎn)生聲波向四周傳播，這個速度是聲速，如果飛機(jī)飛行速度趨近聲速或者是超過聲速會怎樣？對空氣的影響是什么？學(xué)員進(jìn)行深入分析可以得出答案：剛發(fā)出的聲波會越來越接近之前發(fā)出的聲波，聲波會壓縮空氣，當(dāng)飛機(jī)穿透被壓縮空氣時就會像刺破氣球一樣產(chǎn)生轟聲。基于以上內(nèi)容的引入，可以引導(dǎo)學(xué)員科學(xué)認(rèn)識轟聲的產(chǎn)生，增強(qiáng)科學(xué)知識，又可引出實驗的目的：聲速是軍事科技中的一個重要基本概念，探究實驗中如何準(zhǔn)確地測量聲速。

（三）聲速測量實驗方案的教學(xué)設(shè)計

1.聲波頻率的確定（聲波分類見表1）。設(shè)問：表1中列出了不同頻率聲波的特點，根據(jù)不同類型聲波的特點，實驗中利用哪類聲波來測量其速度比較合適呢？學(xué)員通過分析比較能夠得出實驗的研究對象——超聲波，進(jìn)而引出超聲波在實驗研究、生產(chǎn)生活中的優(yōu)勢：方向性好、能量易于集中，波長短不易發(fā)生衍射，還可介紹超聲波在我國深潛重器“奮斗者”號聲學(xué)系統(tǒng)和潛艇聲吶中的廣泛應(yīng)用，激發(fā)學(xué)員科技強(qiáng)軍之志，并引導(dǎo)學(xué)員討論超聲波的其他應(yīng)用，提高學(xué)員對超聲波的認(rèn)識。

表1 聲波分類

2.超聲波的產(chǎn)生和檢測。繼續(xù)設(shè)問：在本實驗中如何產(chǎn)生超聲波？又如何檢測？可以讓學(xué)員觀察并描述實驗儀器的特點，引導(dǎo)學(xué)員注意實驗儀器中的兩個類似喇叭的裝置，即壓電陶瓷換能器，它們是實驗中產(chǎn)生和檢測超聲波的關(guān)鍵。由于學(xué)員尚未學(xué)習(xí)過壓電效應(yīng)理論，在課堂中可以通過演示普通打火機(jī)的點火方式進(jìn)行類比說明：壓電晶體受到外力作用時，晶體結(jié)構(gòu)變形，原子就會互相推擠，形成電勢差，即壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)示意圖見圖2。接著提問：聲波在傳播過程中是如何作用在壓電晶體上的？聲波在傳播過程中引起空氣中分子振動，由此產(chǎn)生空氣壓強(qiáng)改變也就是聲壓，聲壓作用于壓電陶瓷換能器上即可產(chǎn)生壓電效應(yīng)，于是實現(xiàn)了從聲能到電能的轉(zhuǎn)換。實際上，壓電效應(yīng)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，如聲吶系統(tǒng)、超聲探頭、壓電驅(qū)動器等，對壓電效應(yīng)的研究也已經(jīng)精細(xì)到納米尺寸［4］。對學(xué)員設(shè)問：對于軍校學(xué)員而言，能否利用壓電效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電、產(chǎn)熱從而輔助日常的軍事訓(xùn)練呢？通過演示、提問、拓展，對生活中常見的現(xiàn)象溯源，聯(lián)系實驗中的技術(shù)，并鼓勵學(xué)員動腦將所學(xué)技術(shù)應(yīng)用到與其密切相關(guān)的軍事生活中，實現(xiàn)應(yīng)用—實驗—實踐的完整學(xué)習(xí)鏈條。

圖2 壓電效應(yīng)示意圖

還可向?qū)W員提問：壓電效應(yīng)可以實現(xiàn)聲轉(zhuǎn)電產(chǎn)生超聲波，有沒有逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電轉(zhuǎn)聲？鼓勵學(xué)員采用逆向思維分析逆壓電效應(yīng)，得出超聲波的產(chǎn)生機(jī)制，利用高頻電流作用在壓電晶體上可產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動從而產(chǎn)生超聲波，超聲波的頻率就是輸入電信號的頻率。基于以上分析，由壓電陶瓷換能器（發(fā)射器）可以將電信號轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射，并由壓電陶瓷換能器（接收器）接收轉(zhuǎn)化為電信號，不論是發(fā)射信號還是接收信號都可以顯示在示波器中。

3.測量波長。連接實驗儀器，演示轉(zhuǎn)動鼓輪移動接收器位置，引導(dǎo)學(xué)員觀察接收換能器對應(yīng)的示波器波形變化，提出問題：接收器信號發(fā)生了什么變化，有什么規(guī)律？可以看出，一是電信號的強(qiáng)度在周期性的變化，二是電信號的相位較入射波發(fā)生了周期性的變化。總結(jié)實驗規(guī)律之后，繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)員分析其物理原理，并和波長進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

針對電信號的強(qiáng)度變化繼續(xù)設(shè)問：超聲波在接收器端面處發(fā)生反射，入射波和反射波進(jìn)行疊加形成縱駐波，與弦上橫駐波類比，當(dāng)發(fā)射器和接收器二者之間的距離滿足什么條件時會形成駐波？接收器處是波節(jié)還是波腹？對應(yīng)的聲壓如何？在學(xué)員進(jìn)行定性分析后，可給出駐波方程及聲壓方程進(jìn)行定量分析得出測量波長的方法。

針對電信號的相位變化設(shè)問：如何直觀地比較接收電信號和發(fā)射電信號的相位差？以往的示波器實驗中已經(jīng)接觸了李薩如圖形法，可由學(xué)員自行討論在實驗中利用何種圖形判斷二者的相位差大小及與波長的關(guān)聯(lián)。

這部分教學(xué)的目的在于引導(dǎo)學(xué)員觀察實驗現(xiàn)象，總結(jié)實驗規(guī)律，分析其物理原理，從而進(jìn)行波長測量。

（四）測量過程中的教學(xué)引導(dǎo)

在講授實驗方法的過程中已融合了關(guān)鍵的操作過程，因此可由學(xué)員自行進(jìn)行測量探索。但聲速測量中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象值得我們探究，比如在進(jìn)行共振干涉法測量時，接收電信號的峰值為什么會隨著距離增加而減小？在搖動鼓輪觀察電信號強(qiáng)度變化時，電信號會達(dá)到一個次強(qiáng)峰而非最強(qiáng)峰，該如何辨別？同時操作時，因無法判斷電信號下一步變化情況，容易錯過最強(qiáng)峰的位置，對實驗有何影響？共振干涉法和李薩如圖形法哪種方式測量更準(zhǔn)確？

（五）實驗拓展的引導(dǎo)設(shè)計

在完成實驗基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可以引導(dǎo)學(xué)員分析實驗本質(zhì)，并進(jìn)行拓展實驗。本實驗測量了空氣中的聲速，是否能夠測量其他介質(zhì)中的聲速，如液體、固體等單一介質(zhì)或復(fù)合介質(zhì)中的聲速？實驗中是固定了聲波頻率，改變接收器位置測量聲速，能否固定接收器位置，改變波源頻率進(jìn)行測量［5］？共振干涉法測量聲速的關(guān)鍵技術(shù)與手段是什么？能否利用手機(jī)的傳感器性能進(jìn)行課外測量［6］？聲壓的本質(zhì)是什么，可否利用聲壓懸浮物體？

此環(huán)節(jié)問題的設(shè)計，目的在于啟發(fā)學(xué)員對實驗方法與技術(shù)深入思考，舉一反三，將實驗知識運用到其他問題中，起到拓寬思維、提升探究能力的目的。

結(jié)語

通過學(xué)情分析、內(nèi)容梳理，對聲速測量實驗涉及的理論知識、實驗方法與技術(shù)、實驗拓展等教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行問題驅(qū)動式設(shè)計，使課堂內(nèi)容抽絲剝繭式展開，利用難度不高但引導(dǎo)性強(qiáng)的問題，使學(xué)員成為課堂的主體，促進(jìn)其在后續(xù)學(xué)習(xí)中主動思考，從而提高學(xué)員的綜合科學(xué)素質(zhì)，這種教學(xué)模式也可為大學(xué)物理實驗其他的實驗項目教學(xué)提供參考。