模塊化光學(xué)儀器在雙縫干涉課程中的教學(xué)實踐

許鈺彬，何秀君，潘衛(wèi)清，朱廣天*

(1.華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.華東師范大學(xué) 教師教育學(xué)院，上海 200062；3.浙江科技學(xué)院 理學(xué)院，浙江 杭州 310000)

1 研究背景

探索近年來國際科學(xué)教育發(fā)展的趨勢，不難發(fā)現(xiàn)國際科學(xué)教育的關(guān)注點包含了以下幾個方面：提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)；鼓勵教師在設(shè)計教學(xué)活動的過程中滲透科學(xué)本質(zhì)；重視技術(shù)與教學(xué)的融合，不僅僅將信息技術(shù)作為學(xué)習(xí)的環(huán)境和工具，也應(yīng)積極將技術(shù)作為教學(xué)內(nèi)容本身，開發(fā)以STEM教育理念為引導(dǎo)的跨學(xué)科實踐課程[1]。美國國家研究理事會(National Research Council)頒布的K-12科學(xué)教育框架中提出的包含科學(xué)與工程實踐、跨學(xué)科概念和學(xué)科核心概念的“三維性科學(xué)學(xué)習(xí)”[2]也對科學(xué)教育目標(biāo)帶來新的啟示：重視跨學(xué)科知識與實踐的融合，掌握核心概念在工程中的運(yùn)用。與國際形勢類似，對我國在“十三五”期間的中小學(xué)學(xué)科教育教學(xué)研究熱點進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)的學(xué)科教學(xué)研究專家聚焦于學(xué)科核心素養(yǎng)的落實，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的體驗性和探究性，重視項目式學(xué)習(xí)，經(jīng)歷跨學(xué)科探索、通過合作交流提升解決實際問題的能力。提倡信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，以學(xué)科特征為基礎(chǔ)，編制符合我國中小學(xué)生實際情況的STEM教材，借助虛擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實等技術(shù)開發(fā)符合學(xué)生認(rèn)知的探究性課程[3]。教育部最新發(fā)布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中再次強(qiáng)調(diào)落實立德樹人的根本任務(wù)，發(fā)展素質(zhì)教育，本次課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂堅持目標(biāo)導(dǎo)向、問題導(dǎo)向和創(chuàng)新導(dǎo)向，強(qiáng)化課程的綜合性與實踐性，落實發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)[4]。分析國內(nèi)外最新的科學(xué)與物理課程發(fā)展趨勢，不難發(fā)現(xiàn)，信息技術(shù)助力物理教學(xué)、跨學(xué)科工程實踐已成為熱點話題，基于學(xué)科特征，將現(xiàn)代教育技術(shù)注入物理教學(xué)是落實學(xué)科核心素養(yǎng)、提升學(xué)生綜合素質(zhì)的強(qiáng)大推進(jìn)力。

光學(xué)的相關(guān)內(nèi)容在大學(xué)和中學(xué)的物理教學(xué)中都有著重要地位，是培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要一環(huán)。一方面，光是人類感官認(rèn)識世界的主要途徑，很多光學(xué)現(xiàn)象都貼近學(xué)生日常生活，可以有效地讓學(xué)生了解自然現(xiàn)象中蘊(yùn)含的物理規(guī)律；另一方面，光學(xué)又銜接了電磁學(xué)與量子力學(xué)的內(nèi)容，是學(xué)生深入進(jìn)行物理研究的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的光學(xué)實驗理論知識抽象、調(diào)試難度大、操作時間長、測量精度要求高，學(xué)生很難在有限的學(xué)時內(nèi)通過改變參數(shù)全面觀察實驗現(xiàn)象。同時，傳統(tǒng)光學(xué)儀器對精度要求高，組裝調(diào)試需要花費較多時間，對實驗環(huán)境的苛刻要求也使得教師缺乏在課堂中進(jìn)行光學(xué)實驗演示的動力。

本研究選定物理課程中的“光學(xué)”專題，設(shè)計將現(xiàn)代教育技術(shù)(包括模擬仿真PhET、模塊化光學(xué)實驗演示儀器)融入光學(xué)物理課程，以STEM教育理念為引導(dǎo)，將光學(xué)核心知識與工程實踐相結(jié)合，跨學(xué)科知識與技術(shù)助力物理教學(xué)，設(shè)計出符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、高質(zhì)高效的光學(xué)物理課堂。通過問卷和訪談了解學(xué)生對融入信息技術(shù)的新型光學(xué)授課模式的接受度，希望可以從中獲得啟示，促進(jìn)工程技術(shù)與光學(xué)課程的深度融合。

2 模塊化光學(xué)實驗實境演示儀介紹

模塊化光學(xué)實境演示儀以真實的光路為基礎(chǔ)，利用CCD信號處理器，結(jié)合計算機(jī)編程技術(shù)，將真實的干涉、衍射條紋顯示在計算機(jī)屏幕上。借助模塊化光學(xué)實驗實境演示儀器進(jìn)行光學(xué)課程的教學(xué)，可以使實驗現(xiàn)象清晰可視化，并具有一定交互作用，可以進(jìn)行定量測量。模塊儀器有效地提升了課堂效率，基于真實光路的實驗結(jié)果也更符合科學(xué)本質(zhì)的要求。其設(shè)計以STEM理念為引導(dǎo)，包含科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等多個領(lǐng)域，將工程教育融入物理教學(xué)，從而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力[5]。

模塊化光學(xué)實驗實境演示儀的主要結(jié)構(gòu)分為兩大部分：①連接計算機(jī)與各個光學(xué)模塊的底座；②各個光學(xué)模塊。結(jié)構(gòu)②可以根據(jù)授課需求進(jìn)行更換，包括：雙縫干涉模塊、等厚干涉模塊、單縫/圓孔衍射模塊、光柵衍射模塊、馬呂斯定律模塊、布儒斯特角模塊等。儀器的實物圖和簡圖分別如圖1，2所示。

圖1 模塊化光學(xué)儀器實物圖

圖2 模塊光學(xué)儀器簡圖

以“楊氏雙縫干涉”模塊為例，介紹模塊的結(jié)構(gòu)及其功能，如下圖3所示。

圖3 楊氏雙縫干涉模塊結(jié)構(gòu)簡圖

模塊主要包含了7個重要的光學(xué)元件，進(jìn)行實驗時，打開激光發(fā)射器選擇光源，三種色光均可通過二向色鏡從單縫中射出。經(jīng)過轉(zhuǎn)盤上的雙縫實現(xiàn)光的干涉，最終成像在CCD光屏上。干涉模塊與底座相連，可以通過計算機(jī)發(fā)送指令，更改干涉的實驗參數(shù)：可以更換不同顏色的激光發(fā)射器選擇不同光源；可以給小馬達(dá)發(fā)送指令使雙縫轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動以選擇不同間距的雙縫；可以控制伸縮桿的長度改變接收屏與雙縫之間的距離。

楊氏雙縫干涉模塊的教師操作界面如圖4所示，共分為五部分：實驗原理、理論計算、實驗裝置實物圖、交互操作頁面、實驗結(jié)果顯示。激光發(fā)射器發(fā)射出不同顏色的激光，通過雙縫形成干涉條紋。利用CCD信號處理器接受光信號，將光強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)化為圖像灰度信號，在計算機(jī)上顯示。結(jié)合軟件編程技術(shù)，使用者可以在操作界面選擇不同顏色的激光、雙縫寬度、成像距離等，在實驗結(jié)果界面實時觀察干涉圖樣的變化。

3 融合模塊儀器的教學(xué)實踐與學(xué)生反饋

選定華東師范大學(xué)非物理專業(yè)的本科生為教學(xué)實踐對象，選定《大學(xué)物理》中“雙縫干涉”專題進(jìn)行教學(xué)實踐。教學(xué)過程在傳統(tǒng)授課模式中融入了現(xiàn)代教育技術(shù)，包括模擬仿真和模塊化光學(xué)實驗實境演示儀的使用。首先，基于HPS(History、Philosophy and Sociology of Science)教育理念，以光學(xué)發(fā)展的時間為線索，介紹光學(xué)發(fā)展史。借助PhET線上互動模擬仿真觀察“雙縫干涉”現(xiàn)象，理解干涉定義。利用傳統(tǒng)的講授法，對雙縫干涉中的重要概念、傳統(tǒng)實驗進(jìn)行詳細(xì)講解。緊接著介紹模塊化儀器，與傳統(tǒng)楊氏雙縫實驗裝置進(jìn)行對比講解，一方面加深學(xué)生對傳統(tǒng)實驗的理解，另一方面也使學(xué)生體會技術(shù)與物理的相互促進(jìn)作用，提升工程思維。利用模塊儀器進(jìn)行探究活動，對干涉現(xiàn)象進(jìn)行推理、預(yù)測、驗證、定量測量等，將抽象的實驗具體化、可視化。最后，對所學(xué)知識進(jìn)行總結(jié)歸納，并利用模擬仿真進(jìn)行鞏固練習(xí)。具體教學(xué)過程如下圖5所示。

圖5 融合現(xiàn)代教育技術(shù)的雙縫干涉教學(xué)過程

課程結(jié)束后，對授課班級的45名同學(xué)進(jìn)行課程體驗調(diào)查。通過問卷的方式主要調(diào)查兩個方面的內(nèi)容：(1)了解授課班級的同學(xué)在高中階段的光學(xué)課程的授課模式；(2)了解授課班級的同學(xué)對三種課程模式(傳統(tǒng)光學(xué)課程、模擬仿真光學(xué)課程、模塊儀器光學(xué)課程)的主觀體驗和接受度高低。

對45份有效問卷展開分析，在高中階段學(xué)習(xí)過光學(xué)課程的同學(xué)共計27人，未學(xué)習(xí)過光學(xué)課程的同學(xué)共計18人，具體的學(xué)情分布如下表1所示。

表1 授課班級的同學(xué)高中階段的光學(xué)課程學(xué)情分布

對高中階段學(xué)習(xí)過光學(xué)課程的27位同學(xué)的問卷展開調(diào)查，發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)的高中物理課堂并未設(shè)置專門的實驗課程，與實驗相關(guān)的內(nèi)容大多數(shù)以圖片、視頻的形式由教師進(jìn)行展示，甚至很大一部分同學(xué)表示整個光學(xué)課程學(xué)習(xí)的過程完全沒有任何與實驗相關(guān)的內(nèi)容呈現(xiàn)。只有一小部分同學(xué)(2～4人)表示見過教師的演示實驗，只有2位同學(xué)表示，曾經(jīng)在光學(xué)實驗室操作過光的干涉的實驗。下表2是這27位同學(xué)關(guān)于幾何光學(xué)實驗和物理光學(xué)實驗的呈現(xiàn)方式的具體情況。

表2 高中物理光學(xué)實驗的呈現(xiàn)方式

表2中，10(+2)表示在幾何光學(xué)實驗中，有2人同時選擇了教師演示實驗+圖片或視頻展示實驗；11(+3+1)表示在物理光學(xué)實驗中，有3同時人選擇了教師演示實驗+圖片或視頻展示實驗；有1人同時選擇了教師演示實驗+圖片或視頻展示實驗+學(xué)生實驗。

通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)，無論是幾何光學(xué)實驗還是物理光學(xué)實驗，在中學(xué)階段的教學(xué)過程的重視度都非常低。高中階段，教師降低對“光學(xué)實驗”的重視度，存在一定的客觀原因。傳統(tǒng)的光學(xué)實驗對實驗環(huán)境要求苛刻，實驗儀器的高精密度使調(diào)試難度大、操作時間長，實驗現(xiàn)象觀察困難等多方面的原因均使得教師缺乏在課堂中進(jìn)行光學(xué)實驗演示的動力。

因此，借助現(xiàn)代教育技術(shù)，降低光學(xué)實驗對環(huán)境的依賴，建設(shè)高效高質(zhì)的新型光學(xué)課程意義重大。模擬仿真、模塊化光學(xué)實驗實境演示儀器將現(xiàn)代教育技術(shù)與物理光學(xué)課程進(jìn)行結(jié)合，提升課堂效率的同時將工程元素注入物理教學(xué)。這符合當(dāng)前國內(nèi)外科學(xué)教育與物理教育的發(fā)展趨勢，整合跨學(xué)科理念、工程實踐與學(xué)科核心概念，形成具有時代特征的新型物理光學(xué)課程。緊接著測試了學(xué)生對該新型課堂模式的接受度。

在采用模擬仿真與模塊化光學(xué)實境儀器教學(xué)之后，也分別從“對知識理解的幫助程度”、“上課效率高低”和“學(xué)生接受度/喜愛度”三個方面展開調(diào)查，了解學(xué)生在傳統(tǒng)光學(xué)課程、模擬仿真光學(xué)課程、模塊光學(xué)課程這三種不同的授課模式中的感受。學(xué)生選擇的具體情況如下表3所示。

表3 學(xué)生對新型課堂的接受度調(diào)查結(jié)果

整體來看，同學(xué)們對模塊化光學(xué)實驗實境演示儀器的接受度較高，57.7%的同學(xué)認(rèn)為配合使用模塊化光學(xué)實驗實境演示儀的物理課程會有助于理解“光的干涉”的相關(guān)知識；60.4%的同學(xué)最喜歡的上課模式是融入模塊化光學(xué)實驗演示儀的課程。而談到“最高效”，選擇模擬仿真實驗的同學(xué)略高于選擇模塊化光學(xué)實驗實境演示儀器的同學(xué)，分別占比為46.8%和38.3%，僅相差4人次。不難發(fā)現(xiàn)，同學(xué)們對融入了“模塊化光學(xué)實驗實境演示儀”和“模擬仿真”的新型光學(xué)物理課程的接受度較高，大多數(shù)同學(xué)認(rèn)為融入了模塊儀器的光學(xué)課程更有助于他們理解光的干涉的相關(guān)知識，也更好地提升了課堂效率。

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)代信息技術(shù)的突破行發(fā)展為很多領(lǐng)域帶來深刻變革，教育研究者們也對信息技術(shù)與教學(xué)的融合予以深切的期盼[6]。將最新、最優(yōu)的教學(xué)技術(shù)手段融入物理課堂是每一位物理研究者應(yīng)當(dāng)認(rèn)真思考并付諸實踐的重要方向。光學(xué)課程在物理學(xué)習(xí)的總章程中占有重要地位，光學(xué)實驗在光學(xué)課程中的重要性首當(dāng)其沖。光學(xué)實驗在課堂上的展現(xiàn)方式是否成功，對學(xué)生理解光學(xué)知識、教師構(gòu)建高效高質(zhì)的物理課堂有著不可忽視的影響。

傳統(tǒng)光學(xué)實驗課程、模擬仿真光學(xué)實驗課程、模塊化光學(xué)實驗課程各具優(yōu)劣，在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮每種課程模式的優(yōu)勢，設(shè)計出基于學(xué)科特征且符合學(xué)生認(rèn)知的最優(yōu)課堂。

傳統(tǒng)授課模式中的光學(xué)實驗室效率低，但傳統(tǒng)授課模式以講授法為主，重邏輯、重推導(dǎo)，有利于培養(yǎng)學(xué)生對核心概念的理解，落實學(xué)習(xí)進(jìn)階的要求，對學(xué)生建立堅實的理論基礎(chǔ)有著積極作用。利用模擬仿真的光學(xué)課程效率高，現(xiàn)象明顯，是信息技術(shù)助力物理教學(xué)的典型案例。但實驗結(jié)果是由計算機(jī)模擬出來的，現(xiàn)象過于完美，缺乏了真實實驗的“誤差”設(shè)計，不利于科學(xué)本質(zhì)的滲透。借助模塊化光學(xué)實驗實境演示儀的光學(xué)課程以真實光路為基礎(chǔ)，以“STEM”教育理念為引導(dǎo)，將傳統(tǒng)光學(xué)元件整合在模塊之中，結(jié)合計算機(jī)編程和顯像技術(shù)，展示光學(xué)實驗。這使得模塊化光學(xué)課程比傳統(tǒng)光學(xué)課程更加高效，比模擬仿真更符合科學(xué)本質(zhì)的要求。模塊儀器既是光學(xué)實驗的有力工具，也應(yīng)當(dāng)作為優(yōu)質(zhì)的教學(xué)材料本身，在授課過程中通過講解其結(jié)構(gòu)及工作原理，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

在實際的授課過程中，既要借助模塊儀器和模擬仿真實現(xiàn)高效課堂、踐行“STEM”教育理念、貫徹工程教育方針，也要重視傳統(tǒng)課堂中的對知識的拆分講解，設(shè)計出符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的新型物理課堂。