SYPT 的研究方法引入高中物理课堂的探索

◎ 熊 艺

一、SYPT 的研究方法引入基础课堂的原因

（一）SYPT 介绍

SYPT 是“上海市中学生物理学术竞赛”的简称。为了给上海市的高中学生提供一个思考物理问题和相互交流的平台，提升高中学生对物理的兴趣和科研潜质，培养他们的创新意识、创新能力、协作精神和实践能力，上海市物理学会已经成功举办了5 届竞赛。竞赛内容及形式参考、采纳IYPT 的模式，从IYPT 每年公布的17 道赛题中挑选12道题，以团队辩论的方式针对这12 道开放性物理问题的基本知识、理论背景、实验设计、研究方案、结果讨论、误差分析、未来展望等进行辩论。

（二）SYPT 研究的内容和方法

通过研究每年IYPT 公布的开放性物理问题，笔者发现要进行课题研究，就要对学生开展系统性的科研训练，介绍资料检索方法、文献阅读技巧；介绍力、热、光、电的基本知识和理论背景分析的方法，以及研究力、热、光、电类物理问题的基本思路和科学工具；介绍实验方案探索，实验操作规范和实验拍摄技巧，实验数据处理和误差分析等，锻炼学生的科研素质；同时介绍报告撰写的方法和PPT 制作的要点以及汇报、辩论的技巧；培养学生的合作精神和交流表达能力；提高学生综合运用所学知识分析和解决实际物理问题的能力，培养学生的开放性思维能力。

（三）SYPT 研究开展的现状

由于SYPT 比赛只面向极少数资优学生，就算在学校开设SYPT 拓研课，一个年级也只有20 多人参与，并且每周上课时间为1 小时，大量的学生失去了研究SYPT 课题的机会。好的教育最终都应该回到基础型课程的课堂，让所有的学生在不同程度上受益。SYPT 课题研究要在基础型课程的教学中开展，让学生在40 分钟内有效经历完整的课题研究过程，这就需要教师在教学中选择合适的课题，多次尝试，同时侧重该课题研究的某些方面，不断积累。

二、SYPT 研究方法引入基础课堂的实践

（一）适合尝试SYPT 研究方法的基础课

SYPT 课题研究的开始就是题目解读、找出关键词，并进行理论分析。通过多次尝试，笔者发现适合引入课堂的SYPT 课题应该具备以下三个特点：①题目解读比较容易；②关键词比较直观；③理论分析难度不高。将SYPT的研究方法引入基础课堂，目的是让所有的学生都获益。教师在进行任务分析时，要注意学生是否具备课题需要的基本知识和技能，并且需要的新知识也要相对简单，可以是一些概念、定义等。基于此，笔者以“光的干涉”教学为例，论述教师是如何带领学生以SYPT 课题的研究形式进行学习的。

（二）“光的干涉”一课的教学过程

1.引出课题

课前教师安排学生对17 世纪提出的光的微粒说和波动说内容进行查询，并要求填好表1。课堂上教师对表格内容进行总结后，提问：你支持哪一个学说，为什么？你准备如何开展自己的研究？

表1 “光的微粒说与波动说”内容整理

有的学生认为牛顿在学术界有很高的威望，他的理论应该是对的，追随他的研究可以在自己有限的生命里取得更多的成就；也有的学生认为已经有人做出实验与牛顿的理论不符，可以再做一些实验，同时对惠更斯的理论进行完善。

2.展开研究

教师通过自制双缝的过程，寻找“相干光源”，通过观察实验、分析等方法，让学生看到光的干涉实验现象，掌握干涉图样的特点。

教师编制一道类似SYPT 的课题：两束光相遇时可能产生光的干涉现象，研究这一现象并解释相关参量是如何影响干涉条纹间距的。这样的引入与现在的SYPT 课题的表述方式类似，这样就自然而然地将SYPT 的研究方法引入基础课堂。课题既有确定的主题“干涉现象”，符合教材内容要求，又具有开放性，需要学生利用已有的机械波中干涉的知识，查阅“光的干涉”有什么不同，自制实验研究“相关现象”并解释，用研究的方式找到相关参量是如何影响干涉条纹间距的。

（1）题目解读，找关键词（用下画线表示）

两束光相遇时可能产生光的干涉现象，研究这一现象并解释相关参量是如何影响干涉条纹间距的。

（2）理论分析

① 光的干涉现象：两束振动情况完全相同的光在空间相互叠加，在有一些地方相互加强，在另一些地方相互削弱的现象。

② 相干光源：两束振动情况完全相同的光。

③ 干涉条纹间距：相邻两条亮纹中心的间距。

（3）预实验

SYPT 的研究一般需要进行预实验确定方向，需要学生发散思维寻找多种可能，再用聚合性思维从多种可能中确定一个或几个方向。创造力的培养和逻辑思维的训练需要一个长期的积累过程，可以在平时的科学探究中落实。因此，“光的干涉”一课的实验器材可以提前准备好，重在实验技能上的指导，也就是如何用提供的器材寻找到两束光使它们相遇时一定能产生干涉现象。

英国物理学家托马斯·杨（Thomas Young）在进行研究的时候，让一束光投到一个有孔的屏上，这个小孔就成了一个点光源，光从小孔出来之后，射到第二个屏的两个小孔上，这两个小孔离得很近（约0.1mm），而且与前一个孔的距离相等，如图1 所示。

图1

在正式的实验中，托马斯·杨又用狭缝代替小孔进行实验，如图2 所示。我们可以先明确一下实验装置中左、中、右三个部分的目的，最左边的装置是为了得到线光源，中间的光屏是为了得到相干光源，右边的光屏是为了接收实验现象。托马斯·杨的实验在光屏上产生了明暗相间的彩色条纹。根据以上资料，教师组织学生讨论分析实验要研究的相关参数。

图2

（4）实验论证

① 实验目的：利用自制的双缝，观察光的干涉现象。观察光的干涉条纹的间距随双缝间的距离、光屏到缝的距离的变化情况。

② 实验器材：激光、自制双缝屏和光屏（为了安全起见，学生分投前、后、左、右四面白墙，教师演示投在前面白墙上）。

③ 实验原理：当激光通过双缝时，被分为振动情况相同的两束光，照射到光屏上产生叠加形成光的干涉现象。

④ 实验步骤。

（a）自制双缝屏。玻璃板上均匀涂上墨汁，用两个刀片夹纸片，如图3 所示，然后在玻璃上划两个缝隙，如图4 所示。改变双缝的距离画两次，便于进行对比实验。画好的缝隙如图5 所示。

（b）让激光束通过自制的双缝，观察在光屏上出现的现象，如图6 所示。

图6 显示的现象为光屏上出现带颜色的条纹，中间是等宽、等亮的，隔一段距离的旁边是逐渐变暗的条纹，旁边的部分是光的衍射现象，并不是这节课研究的重点。

（c）用控制变量法展开研究：保持双缝的间隙不变，记录干涉条纹的间距随光屏到缝的距离的变化；保持光屏到缝的距离不变，记录干涉条纹的间距随双缝间隙的变化。

图3

图4

图5

图6

（d）实验结论（见表2）：干涉条纹分布为等宽等亮、明暗相间。

表2 实验现象记录

（e）实验展望。由于时间的限制，我们只进行了2 组控制变量的研究，并且停留在实验的现象差异上，后期还可以进行以下实验研究。

●用红色激光光源和绿色激光光源对比。

●用单色光激光光源和白光光源对比。

●双缝一个用红色滤光片遮住，另一个用绿色滤光片遮住。

●遮闭双缝中的一个缝。

三、教学反思

（一）重视基础课堂

好的教育最终都应该回归到基础课的课堂，要面向全体学生，让所有的学生在不同程度上受益。尤其是物理作为以实验为基础的学科，教师要培养学生的创新精神、挖掘学生的实践能力，就要多关注与实验相关的教学手段是否能引进课堂。

（二）尝试科研教学

SYPT 的研究方法如何引入基础课堂，让不同层次的学生都能接触并且有所收获，需要进行适当的研究。“光的干涉”这一内容的教学方法有很多种，大家比较能接受的好的教学方法是设置教学环节，学生经历“光的干涉”这一内容中实验的研究过程。那么怎样设计教学环节才能让学生在经历的过程中收获更多，这就需要教师的个性化处理，取决于教师的知识积累、技能掌握、创造精神以及教师个人的智慧等。

（三）指导学生联系生活展开研究

教材中“光的干涉”内容是1 课时。如果用SYPT 的研究方法上这节课，笔者预设了1.5课时。在实际教学中，由于寻找相干光源是个难点，学生的操作技能不够熟练，在实验环节的时间比预设多，本节课实际为2 课时。由此可见SYPT 的研究方法虽然好，但如果要在基础课上尝试，既要选择合适的课题，又因为课时的限制不可能有很多的课采用这种方式进行教学。解决这一难题的方法就是引导学生利用业余时间进行研究。现在学生的综合素质评价中都需要完成一个课题，而这节课的教学就是对如何进行课题研究的一个有益的尝试。在这节课后，学生进行了“生活中堆的形成”“控制人流密度，加强安全引导”“生活中的气球汽笛”等课题研究，都是他们利用课上学到的方法，在平时进行实验研究的。将SYPT 的研究方法带给所有学生就是“授之以渔”。物理源自生活，与生活现象密切联系。教师应该鼓励学生联系生活，选择自己感兴趣的课题展开独立研究，教师只是在学生需要的时候加以指导。