基于“微課堂”的物理實(shí)驗(yàn)啟發(fā)式教學(xué)實(shí)踐
——以“光的偏振”教學(xué)為例

朱 楠，徐秋爽，丁雙紅，潘康路

（煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 山東 煙臺(tái) 264003）

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等院校理工科學(xué)生的必修基礎(chǔ)課，是本科生接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端，其在育人過程中發(fā)揮的教育創(chuàng)新功能是顯而易見的。近年來，高校也越來越重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提升，為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供有力支持。高校教師對(duì)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式進(jìn)行改革探索[1-6]，也取得了一定的成果。目前，煙臺(tái)大學(xué)物理與電子信息學(xué)院（以下簡稱“我院”）物理實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān)全校理工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù)，面對(duì)不同專業(yè)、不同學(xué)習(xí)能力的學(xué)生，如何提高課堂教學(xué)質(zhì)量，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，我院進(jìn)行了充分的思考和調(diào)研。

本文從課前預(yù)習(xí)、課堂授課、課后反饋三個(gè)方面，探討構(gòu)建大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)線上與線下、課堂與課外，啟發(fā)式教學(xué)模式。2022―2023 學(xué)年春、秋兩個(gè)學(xué)期，以大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)“光的偏振”為例，進(jìn)行全新教學(xué)實(shí)踐，旨在有效地利用“微課堂”和啟發(fā)、交互式教學(xué)模式，提升學(xué)生對(duì)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，在掌握物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ耐瑫r(shí)，使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力得到有意識(shí)地開發(fā)和鍛煉。

1 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)等學(xué)習(xí)方式單一

目前，大多數(shù)學(xué)生在預(yù)習(xí)和完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等鞏固復(fù)習(xí)、提升環(huán)節(jié)參考資料僅限于簡單地閱讀教科書或?qū)嶒?yàn)指導(dǎo)書，而沒有嘗試使用其他的學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)方法。這樣導(dǎo)致學(xué)生可能只是被動(dòng)地記憶一些理論或者實(shí)驗(yàn)操作步驟，而沒有嘗試去深入地思考和理解，缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)造性。例如，在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生可能只是記住實(shí)驗(yàn)步驟和操作流程，而沒有思考實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路、原理和意義。在復(fù)習(xí)時(shí)，學(xué)生可能只是記憶知識(shí)點(diǎn)和步驟，而沒有嘗試總結(jié)規(guī)律、發(fā)現(xiàn)新的思考方式和解決問題的方法。

這樣單一的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)等學(xué)習(xí)方式可能會(huì)限制學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和創(chuàng)新能力，甚至導(dǎo)致學(xué)生預(yù)習(xí)不充分，復(fù)習(xí)拓展環(huán)節(jié)未自覺、主動(dòng)開展，從而致使課堂效率低，課后拔高的效果不能得到有效提高。

1.2 教學(xué)模式大多采用以教師為中心的傳統(tǒng)教學(xué)模式

教師一般將課堂分為全面講授+學(xué)生實(shí)驗(yàn)兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的教學(xué)模式知識(shí)體系清晰，教師講解具體、全面，但是忽略了學(xué)生學(xué)習(xí)的主體性，形成了單向灌輸、學(xué)生被動(dòng)接受的情況。這樣導(dǎo)致學(xué)生獨(dú)立思考、自主學(xué)習(xí)的意識(shí)和能力很難得到培養(yǎng)和提升，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力也被限制。學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的教學(xué)質(zhì)量大打折扣，偏離了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。

1.3 教學(xué)內(nèi)容陳舊、單一

目前，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容為實(shí)驗(yàn)講義上原理、內(nèi)容、操作步驟等，缺乏相關(guān)知識(shí)的背景介紹和相應(yīng)知識(shí)在生活中的實(shí)際應(yīng)用。學(xué)生課堂上也只是按部就班地完成規(guī)定實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，沒有知識(shí)的應(yīng)用和遷移環(huán)節(jié)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力。

2 基于“微課堂”構(gòu)建啟發(fā)式教學(xué)模式——以“光的偏振”教學(xué)為例

2.1 課前“微課堂”預(yù)習(xí)

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，“互聯(lián)網(wǎng)+”教育，也獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，充分利用智能手機(jī)的作用。建立班級(jí)微信群，在群里提前一周發(fā)布微信二維碼，學(xué)生通過掃二維碼可以查看實(shí)驗(yàn)講義、PPT、課前預(yù)習(xí)任務(wù)和教師錄制的操作視頻。利用在線表單收集學(xué)生預(yù)習(xí)中存在的問題，為課堂授課做準(zhǔn)備。如圖1 所示，以物理實(shí)驗(yàn)“光的偏振”為例，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和課程特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器和學(xué)生情況設(shè)計(jì)剪輯其中一個(gè)課前“微課堂”預(yù)習(xí)腳本流程。內(nèi)容主要包括光的偏振的基本理論、本實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)儀器的簡單介紹等供學(xué)生在課外學(xué)習(xí)。從而達(dá)到學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前就對(duì)光的偏振的知識(shí)有了初步的理解。

圖1 光的偏振課前“微課堂”視頻剪輯內(nèi)容

2.2 課堂教學(xué)過程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

2.2.1 設(shè)計(jì)互動(dòng)小實(shí)驗(yàn)引入課程內(nèi)容

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)是滯后于實(shí)驗(yàn)的，實(shí)驗(yàn)原理包含的基本概念較多且較難理解，教師正式講解原理概念前，利用5 分鐘左右的時(shí)間帶學(xué)生做一些互動(dòng)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生切實(shí)感受生活中的物理現(xiàn)象和物理規(guī)律。有趣的實(shí)驗(yàn)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的好奇心，學(xué)生會(huì)在好奇心的驅(qū)使下對(duì)將要學(xué)習(xí)的理論知識(shí)產(chǎn)生興趣，學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性就被調(diào)動(dòng)起來了。

在“光的偏振”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們?cè)O(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn)簡單易操作，占用時(shí)間短，而且還易引起學(xué)生共鳴。引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)室內(nèi)光源，比如觀察日光燈發(fā)出的光線，觀察手機(jī)屏和電腦屏熒幕光線，提出問題：通過眼睛觀察這些光線，能發(fā)現(xiàn)他們的區(qū)別嗎？學(xué)生回答后，教師啟發(fā)學(xué)生總結(jié)：僅僅靠眼睛沒法區(qū)分這些光線，那么借助偏振片試一試。學(xué)生手拿偏振片，對(duì)著教室日光燈，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一圈，觀察光線明暗有沒有變化。學(xué)生拿出手機(jī)，觸亮手機(jī)屏，將偏振片疊放在手機(jī)液晶顯示屏上，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一圈，觀察手機(jī)屏光線明暗有無明顯變化。教師選出幾個(gè)學(xué)生代表到講臺(tái)前面，對(duì)著開啟的電腦屏幕，轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片一圈，觀察電腦屏幕光線有無變化，并描述這種光線變化和手機(jī)屏幕光線變化的區(qū)別。學(xué)生拿出兩塊偏振片，對(duì)著教室墻面，其中一塊偏振片不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)另一塊偏振片一圈，觀察光線的明暗變化。

以學(xué)生身邊觸手可及的事物展開實(shí)驗(yàn)，能成功激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的好奇心被調(diào)動(dòng)起來，教師便可以很自然地過渡到理論知識(shí)的講解，解開學(xué)生的疑惑。

2.2.2 理論知識(shí)講解和實(shí)驗(yàn)操作穿插進(jìn)行

光的偏振涉及的概念多且抽象、難以理解，如果過多地強(qiáng)調(diào)理論概念，采用“滿堂灌”的教學(xué)方式，會(huì)削弱學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；如果不介紹相關(guān)的基本物理概念，又會(huì)使學(xué)生在沒有理解基本物理概念的前提下，機(jī)械被動(dòng)地重復(fù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，無法達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的目標(biāo)。在“微課堂”教學(xué)中，該部分采用理論講解和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的啟發(fā)式教學(xué)模式，可以有效避免長時(shí)間大篇幅的理論講解帶給學(xué)生的枯燥感，提升課堂學(xué)習(xí)效率和教學(xué)質(zhì)量。

偏振光實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)內(nèi)容是馬呂斯定律，在此部分的理論講解中，從二向色性著手，啟發(fā)學(xué)生推導(dǎo)由自然光、部分偏振光產(chǎn)生線偏振光的過程及怎樣檢驗(yàn)線偏振光。推導(dǎo)示意圖見圖2，相應(yīng)推導(dǎo)過程見公式（1）。

圖2 推導(dǎo)馬呂斯定律

值得注意的是，公式里的是起偏器和檢偏器偏振化方向之間的夾角，許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中將理解為偏振片刻度上相應(yīng)的角度值。需跟學(xué)生強(qiáng)調(diào)，偏振片上的0°并不一定是偏振片偏振化方向，實(shí)驗(yàn)時(shí)需要校準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，先放一塊偏振片作為起偏器，旋轉(zhuǎn)起偏器一圈至光強(qiáng)最大處。然后再加入一塊偏振片作為檢偏器，旋轉(zhuǎn)檢偏器至光強(qiáng)為零的位置，此時(shí)我們定義為 =90°。以此位置為基準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)檢偏器一圈，記錄光強(qiáng)變化規(guī)律，進(jìn)而驗(yàn)證馬呂斯定律。

馬呂斯定律講解后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作驗(yàn)證。此時(shí)，拋出問題，有了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證馬呂斯定律。提問之后，教師進(jìn)行評(píng)價(jià)總結(jié)，以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)作圖，如果圖線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，則表明馬呂斯定律已經(jīng)被驗(yàn)證。數(shù)據(jù)處理時(shí)，建議學(xué)生嘗試用Excel，MATLAB 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合。

光的偏振另一重要的內(nèi)容即為波片原理，這一部分以學(xué)生操作和觀察數(shù)據(jù)引入。教師引導(dǎo)，學(xué)生操作回答，先使起偏器和檢偏器正交，然后在兩偏振片之間插入四分之一波片，旋轉(zhuǎn)四分之一波片出現(xiàn)消光現(xiàn)象。此時(shí)四分之一波片不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器學(xué)生觀察記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。再依次將波片轉(zhuǎn)動(dòng)總角度30°，45°，60°，90°，每次轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器一周，學(xué)生記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這時(shí)，讓學(xué)生觀察每個(gè)角度的波片，檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)一圈后光強(qiáng)的變化規(guī)律。引導(dǎo)學(xué)生觀察并回答：加入波片后，固定波片角度，轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器，光強(qiáng)出現(xiàn)不同的變化規(guī)律。接下來我們探討波片的作用原理以及橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生方法[7-8]。在這一部分的理論中，結(jié)合橢圓偏振光、圓偏振光的概念，帶領(lǐng)學(xué)生理論推導(dǎo)橢圓偏振光（圓偏振光）的合成以及光強(qiáng)分布特征。

對(duì)于二分之一波片的作用，進(jìn)行一次角色翻轉(zhuǎn)，將學(xué)生分成四個(gè)小組，完成實(shí)驗(yàn)后，自主學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)，并完成相關(guān)思考題的作答。

此部分物理知識(shí)講解完成后，再次讓學(xué)生做上述實(shí)驗(yàn)，正式記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣通過兩次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可很好地用理論知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，加深了其對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。

2.3 實(shí)驗(yàn)小結(jié)與討論

傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，學(xué)生記錄完實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師審核數(shù)據(jù)無誤，課堂教學(xué)就算順利結(jié)束了。在2022―2023 學(xué)年課堂我們?cè)黾恿擞懻摥h(huán)節(jié)，此部分占用課時(shí)15 分鐘左右。該環(huán)節(jié)主要是討論學(xué)生預(yù)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中存在的問題，試著讓學(xué)生們交流討論并提供解決方案。另一個(gè)目的是對(duì)所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。在偏振光實(shí)驗(yàn)中，擴(kuò)展內(nèi)容包括怎樣更深地理解與應(yīng)用馬呂斯定律，怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)將部分偏振光和橢圓偏振光、自然光和圓偏振光鑒別出來，“光的偏振”在生活中的應(yīng)用。比如原理拓展部分，可以舉例：透過兩個(gè)片偏振化方向相互垂直的偏振片后，會(huì)觀察到消光現(xiàn)象，在兩塊偏振片之間再加入另一塊偏振化方向不同于前兩片的偏振片，將會(huì)發(fā)生什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象[9]？實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，可以講解立體電影、攝影技術(shù)及飛機(jī)、輪船上常用的偏振窗[10]。在教學(xué)過程中增加物理知識(shí)實(shí)際應(yīng)用的例子，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的興趣，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新精神至關(guān)重要。另外，在小結(jié)與討論中，有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生對(duì)感興趣的知識(shí)點(diǎn)可以采用查閱參考文獻(xiàn)的方法去自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)其自主學(xué)習(xí)能力。

2.4 課后“微課堂”復(fù)習(xí)提升

針對(duì)課堂中存在的問題，以及拓展實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，僅靠課堂上的15 分鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。教師課下在微信群發(fā)布相關(guān)視頻鏈接和相應(yīng)的參考文獻(xiàn)，鼓勵(lì)學(xué)生利用課外時(shí)間多學(xué)習(xí)，多思考。之后教師再次收集的問題和發(fā)現(xiàn)，及時(shí)了解其學(xué)習(xí)需求與困難，從而不斷反饋和改進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，這種方式可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握課程內(nèi)容，同時(shí)也可以提高教師的教學(xué)質(zhì)量和效果。

3 教學(xué)效果

在“光的偏振”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合、設(shè)計(jì)，應(yīng)用引導(dǎo)、啟發(fā)、角色翻轉(zhuǎn)相結(jié)合的教學(xué)模式取得了很好的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)課后對(duì)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行不記名問卷調(diào)查，85%的學(xué)生對(duì)改革后的教學(xué)模式表示肯定。課后與學(xué)生面對(duì)面交流，有學(xué)生表示這種教學(xué)設(shè)計(jì)打破了以往填鴨式教學(xué)模式，通過實(shí)驗(yàn)和理論串講，設(shè)置問題，層層推進(jìn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了他們濃厚的學(xué)習(xí)興趣，讓他們?cè)谡n堂上能夠集中注意力，主動(dòng)學(xué)習(xí)、自主探究。還有學(xué)生認(rèn)為課堂設(shè)置的討論環(huán)節(jié)能夠引發(fā)他們對(duì)問題的進(jìn)一步探討，使他們?cè)趯W(xué)到基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，思維和視野也得到了拓展，學(xué)習(xí)的主動(dòng)性被調(diào)動(dòng)起來，收獲頗多。

4 結(jié)論

在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，針對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果差的問題，在預(yù)習(xí)方面，本研究以短視頻的形式設(shè)計(jì)“微課堂”預(yù)習(xí)資料，有效地將預(yù)習(xí)資料和教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合和調(diào)整，吸引學(xué)生的注意力，并幫助他們更好地理解和掌握復(fù)雜的物理概念和實(shí)驗(yàn)技能。在課堂教學(xué)方面，對(duì)原有的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合、調(diào)整、重新設(shè)計(jì)，并結(jié)合啟發(fā)、交互式教學(xué)模式進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動(dòng)性和參與性，通過引導(dǎo)學(xué)生思考、討論和實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)造性思維以及解決問題的能力。本文提出的這種教學(xué)設(shè)計(jì)和組織實(shí)踐，對(duì)普通高校大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有一定的借鑒意義。