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(xié)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(xié)議》針對的是高等教育專業(yè)建設，但其“學生中心”、 “產(chǎn)出導向”、 “持續(xù)改進”的3大理念是現(xiàn)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(nóng)醫(yī)各專業(yè)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(chǎn)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(yǎng)與提高學生科學實驗能力與科學實驗素養(yǎng)，奠定學生終生學習和繼續(xù)發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(jié).

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(fā)展的需要；注重學生實驗能力、自學能力等方面的培養(yǎng)；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(huán)境催生了學生學習的自主性，教師在新形態(tài)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(xiàn)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(fā)現(xiàn)教與學的新問題，然后導入新知識，培養(yǎng)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)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?yōu)閷W生的“同伴”，參與到實驗設計和研究中，實現(xiàn)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(jù)學生現(xiàn)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(fā)現(xiàn)實驗預期與實驗結果的沖突，提出問題；第4周，解決問題，優(yōu)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(jù)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(fā)絲或者縫衣線.為方便比較，本文將對手機充電線和頭發(fā)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(fā)絲的數(shù)據(jù)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(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.13±0.01 mm，相對誤差為E頭發(fā)=7.6%.

表2 密繞法測量頭發(fā)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(fā)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(fā)絲，測量結果如表3所示.

表3 投影法測量頭發(fā)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(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.6±0.1 mm，相對誤差為E頭發(fā)=17%.可見頭發(fā)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(fā)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(fā)絲上的成像差別，如圖4所示.

(a) 充電線

學生很容易發(fā)現(xiàn)這兩種投影的差別，教師引入高中物理3-4衍射的內(nèi)容.在傳統(tǒng)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(xiàn)象，并總結衍射現(xiàn)象的產(chǎn)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(fā)絲的光強分布圖，尋找兩者相似之處，啟發(fā)學生將書中的單縫衍射和看到的頭發(fā)絲衍射圖建立鏈接.

圖5 衍射法測頭發(fā)絲直徑

表4 衍射法測頭發(fā)絲直徑的測量結果

然后，學生根據(jù)實驗示意圖，在家自行搭建衍射光路，測量頭發(fā)絲的直徑，衍射圖像如圖5(b)所示.筆者選取一套頭發(fā)絲的測量結果，用逐差法對頭發(fā)絲的直徑進行了計算，結果如表4.通過計算，可得頭發(fā)絲的直徑d頭發(fā)=0.129±0.002 mm，相對誤差為E頭發(fā)=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(yōu)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(tǒng)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(lián)，并鏈接書中選修部分內(nèi)容與具體實驗，有利于學生自主學習和持續(xù)學習能力的培養(yǎng).

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(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(zhàn)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(shù)據(jù)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(fā)現(xiàn)了單絲衍射現(xiàn)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(jīng)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(tǒng)計結果

圖6 學生困難體現(xiàn)(a)和問題解決路徑(b)的匯總圖