ETA 物理教學(xué)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要 ETA 物理認(rèn)知模型是關(guān)于物理認(rèn)知規(guī)律的研究總結(jié)。根據(jù)ETA 物理認(rèn)知模型，完整的物理認(rèn)知由實(shí)驗(yàn)物理（Experimental Physics）認(rèn)知、理論物理（Theoretical Physics）認(rèn)知和應(yīng)用物理（Applying Physics）認(rèn)知構(gòu)成。按照ETA 模型的認(rèn)知規(guī)律教學(xué)為ETA 物理教學(xué)法。本文以“弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)”為例，根據(jù)ETA 物理教學(xué)法的思路構(gòu)建教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)過程，對(duì)理論、實(shí)驗(yàn)、應(yīng)用及其之間的關(guān)系進(jìn)行深層次的理解，以提升大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度和廣度，培養(yǎng)學(xué)生的物理認(rèn)知能力，養(yǎng)成其物理精神。

關(guān)鍵詞 ETA 物理認(rèn)知模型;ETA 物理教學(xué)法;弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn);物理精神

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等學(xué)校理工科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，是學(xué)生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)，對(duì)培養(yǎng)科技創(chuàng)新型人才具有非常重要的作用和意義。目前，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)多采用傳統(tǒng)模式，即教師介紹實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器和注意事項(xiàng)并演示實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生被動(dòng)地重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。傳統(tǒng)的教學(xué)模式忽略了學(xué)生認(rèn)知過程中的主觀能動(dòng)性，限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)生對(duì)課程不重視、缺乏學(xué)習(xí)動(dòng)力、做實(shí)驗(yàn)不認(rèn)真、不思考、不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理從而不能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，這些問題導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)課教學(xué)不能達(dá)到理想的效果。根據(jù)發(fā)展素質(zhì)教育、培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才的教育目標(biāo)，教師在教學(xué)中應(yīng)該探索建設(shè)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新范式[1]。因此，解決大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教與學(xué)中存在的問題是非常重要的。

穆良柱將物理認(rèn)知規(guī)律總結(jié)為ETA 物理認(rèn)知模型[2]，并基于此模型提出了ETA 物理教學(xué)法和ETA 物理學(xué)習(xí)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(dǎo)給出解決的方法。ETA 教學(xué)法能全面培養(yǎng)學(xué)生物理認(rèn)知能力和科學(xué)探索能力，將教與學(xué)以及應(yīng)對(duì)考試的過程全部統(tǒng)一，解決應(yīng)試教育和素質(zhì)教育不兼容等各種問題，滿足國(guó)家對(duì)創(chuàng)新型人才的需求，為物理實(shí)驗(yàn)的教與學(xué)提供一種新范式。下面先介紹ETA物理認(rèn)知模型和ETA 物理教學(xué)法，然后以弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)為例介紹ETA 物理教學(xué)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用。

1 ETA 物理認(rèn)知模型

ETA 物理認(rèn)知模型可以劃分為實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知、理論物理認(rèn)知、應(yīng)用物理認(rèn)知三個(gè)階段，由11個(gè)具體認(rèn)知步驟構(gòu)成，如圖1所示。實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知和理論物理認(rèn)知對(duì)應(yīng)的是科學(xué)探索過程，應(yīng)用物理認(rèn)知?jiǎng)t對(duì)應(yīng)技術(shù)應(yīng)用過程。這里實(shí)驗(yàn)物理、理論物理、應(yīng)用物理強(qiáng)調(diào)的是認(rèn)知上的含義，并非知識(shí)角度的理解。理解此模型之前，不妨先思考一個(gè)問題，“物理”是什么？ “物理”是物理學(xué)家采用實(shí)驗(yàn)和理論相結(jié)合的方法對(duì)整個(gè)自然界的客觀對(duì)象進(jìn)行有效認(rèn)知的積累，這些認(rèn)知至少要符合可證偽性的要求。ETA 物理認(rèn)知模型就是對(duì)“物理”概念的深入理解，從而給出物理的“教與學(xué)”指導(dǎo)性方法。

實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知是第一階段。物理起源于人對(duì)自然的探索，用天生的感知能力去觀察世界?，F(xiàn)實(shí)世界的各種現(xiàn)象是復(fù)雜的，先挑最簡(jiǎn)單的研究對(duì)象，觀察物理現(xiàn)象、簡(jiǎn)化物理特性、量化描述物理過程、找出物理性質(zhì)之間的關(guān)系，這就是實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知的過程。這一過程的認(rèn)知是片面的、零散的，物理學(xué)家更希望得到系統(tǒng)的、整體的公理化認(rèn)知，即物理認(rèn)知的下一階段理論物理認(rèn)知階段。

在得到一系列經(jīng)驗(yàn)規(guī)律后，物理學(xué)家開始探索這些經(jīng)驗(yàn)規(guī)律背后更本質(zhì)更簡(jiǎn)單的原因，借鑒數(shù)學(xué)認(rèn)知系統(tǒng)從經(jīng)驗(yàn)規(guī)律中找到基本定理或者假設(shè)基本公理并只用數(shù)理邏輯系統(tǒng)化推導(dǎo)出所有的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，來構(gòu)建一個(gè)對(duì)研究對(duì)象的系統(tǒng)化理解。這種構(gòu)建有效公理化體系認(rèn)知的過程是ETA 的第二階段———理論物理認(rèn)知。在這個(gè)階段，首先建立一個(gè)理想模型，再構(gòu)建公理化認(rèn)知體系，這套理論是否正確是很重要的一個(gè)問題，物理的認(rèn)知邏輯要求可以用實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)。不可證偽的理論，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)是沒有意義的，因?yàn)樗偸菍?duì)的，可證偽的理論，如果它是錯(cuò)誤的，則一定可以證偽，如果還沒錯(cuò)，就認(rèn)為是有效認(rèn)知，暫時(shí)可以使用，證偽的意義在于可以找到有效的理論認(rèn)知邊界，這一點(diǎn)非常重要，在邊界內(nèi)，這套理論是有效的，在邊界外理論失效，則需要重新構(gòu)建。

在有效的理論認(rèn)知邊界內(nèi)，可以解釋之前發(fā)生的現(xiàn)象，也可以運(yùn)用理論去預(yù)言將會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象，這些理論認(rèn)知可以指導(dǎo)人類去和世界交互，進(jìn)行各種技術(shù)發(fā)明創(chuàng)造，這就是應(yīng)用物理認(rèn)知階段。ETA 物理認(rèn)知模型的本質(zhì)是人的認(rèn)知規(guī)律，并且是被人類實(shí)踐檢驗(yàn)過的有效規(guī)律。

2 ETA 物理教學(xué)法介紹

按照物理認(rèn)知規(guī)律教學(xué)，從物理現(xiàn)象開始，逐步由實(shí)驗(yàn)認(rèn)知到理論認(rèn)知，再到應(yīng)用認(rèn)知，在教學(xué)過程中建立系統(tǒng)化的物理認(rèn)識(shí)，稱為ETA 物理教學(xué)法[3]。ETA 教學(xué)法將教學(xué)內(nèi)容組織成物理認(rèn)知案例，強(qiáng)調(diào)學(xué)生認(rèn)知能力的培養(yǎng)，而不是簡(jiǎn)單的知識(shí)層面的學(xué)習(xí)。在實(shí)驗(yàn)物理階段，主要是引導(dǎo)學(xué)生對(duì)研究對(duì)象的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)進(jìn)行探索，構(gòu)建直觀認(rèn)識(shí)。在理論物理認(rèn)知階段，主要目的是引導(dǎo)學(xué)生如何構(gòu)建最簡(jiǎn)化有效的系統(tǒng)化認(rèn)知。在應(yīng)用物理認(rèn)知階段，引導(dǎo)學(xué)生如何根據(jù)實(shí)際需要靈活類比使用有效物理認(rèn)知，進(jìn)而深入理解認(rèn)知規(guī)律、學(xué)會(huì)物理方法、養(yǎng)成物理精神。下面按照ETA 物理認(rèn)知模型組織構(gòu)建弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)案例，根據(jù)不同認(rèn)知階段的目標(biāo)任務(wù)完成具體的教學(xué)組織。

3 ETA 教學(xué)法應(yīng)用案例———“弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)”教學(xué)

弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)之一，弦振動(dòng)的研究廣泛而富有趣味性，被選為2021年國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽（IYPT）的第11題[6]。振動(dòng)是指物體偏離它的平衡位置所作的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的傳播產(chǎn)生波動(dòng)現(xiàn)象。弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容是觀察弦在振源的驅(qū)動(dòng)下振動(dòng)時(shí)，在共振狀態(tài)下弦線上產(chǎn)生的駐波現(xiàn)象，掌握駐波的形成原因以及弦振動(dòng)的固有頻率與弦線密度、弦長(zhǎng)和張力T 的關(guān)系，并進(jìn)行測(cè)量和驗(yàn)證。下面按照ETA 認(rèn)知模型組織構(gòu)建弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)ETA 教學(xué)法安排弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)的教學(xué)。

3.1 實(shí)驗(yàn)物理認(rèn)知

在實(shí)驗(yàn)認(rèn)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(xué)生接觸大量系統(tǒng)的探索性實(shí)驗(yàn)，用自身的感知能力去感受研究對(duì)象的各種性質(zhì)，在此階段不需要強(qiáng)調(diào)理論，想方設(shè)法地去探索研究對(duì)象的性質(zhì)即可。在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)一些關(guān)聯(lián)，為理論認(rèn)知提供線索。

3.1.1 觀察物理現(xiàn)象

此實(shí)驗(yàn)來源于人類對(duì)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(fēng)聲、鳥鳴等大自然的聲音，悠揚(yáng)的樂曲或者機(jī)器運(yùn)作的轟鳴聲這些都是我們熟悉的現(xiàn)象。細(xì)心觀察，我們還可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著聲音物體會(huì)有振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生。從遠(yuǎn)古時(shí)期開始，人類就有振動(dòng)產(chǎn)生聲音的感性經(jīng)驗(yàn)，如利用振動(dòng)發(fā)聲的哨、石磬等原始樂器，中國(guó)古代的魚洗盆又叫青銅噴水震盆，當(dāng)用手摩擦魚洗雙耳時(shí)，會(huì)形成浪花和飛濺的水珠，并發(fā)出嗡鳴聲。這些聲現(xiàn)象和與之伴隨的振動(dòng)現(xiàn)象引起人們的注意和思考。

3.1.2 挑選研究現(xiàn)象

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

公元前六世紀(jì)希臘哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯（Pythagoras）的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室是最早的關(guān)于樂器聲音的研究實(shí)驗(yàn)室，他挑選最簡(jiǎn)單的一維情況—特制的純粹用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的單弦琴進(jìn)行弦振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。1860年，F(xiàn)ranz Melde研究了音叉帶動(dòng)弦的振動(dòng)問題并觀察到駐波現(xiàn)象，大物實(shí)驗(yàn)中的弦振動(dòng)與駐波實(shí)驗(yàn)是Franz Melde的實(shí)驗(yàn)的繼承和發(fā)展。

3.1.3 明確研究問題

挑選研究對(duì)象后，繼續(xù)明確研究問題：樂音中的音高究竟與哪些物理量相關(guān)？ 這是一個(gè)復(fù)雜的問題。為何同一根弦，有時(shí)候發(fā)出的是樂音，而有時(shí)候發(fā)出的是噪音，樂音也存在不同的音高，音高究竟與什么有關(guān)？ Pythagoras依次改變弦的長(zhǎng)度、直徑、弦力而比較弦的音響，通過實(shí)驗(yàn)觀測(cè)得到弦線振動(dòng)發(fā)出的聲音的音高與弦線的長(zhǎng)度、直徑和張力的關(guān)系。伽利略通過一系列的觀察和實(shí)驗(yàn)證實(shí)了聲音是一種機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，并提出了音高本質(zhì)的因素：頻率（當(dāng)時(shí)稱之為振動(dòng)數(shù)）。進(jìn)而可以明確研究的問題是：弦線形成穩(wěn)定振動(dòng)時(shí)發(fā)出的聲音的頻率與弦長(zhǎng)、弦線密度和弦線中的張力之間是什么關(guān)系？ 弦中振動(dòng)傳播的形狀是什么樣？