OBE理念下的中学物理居家实验——以细丝直径测量为例

居玲玲 居 露 翁雨燕*

(1. 江苏省江都中学，江苏 扬州 225200；2. 苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006)

2016年，中国正式成为《华盛顿协议》的第18个成员国，表明我国高等教育质量得到了国际社会的认可，同时对我国高等教育提出了更高要求.[1]虽然《华盛顿协议》针对的是高等教育专业建设，但其“学生中心”、 “产出导向”、 “持续改进”的3大理念是现代教学中全学段都应该遵循的.目前大学本科阶段的理工农医各专业的学生中相当一部分物理知识严重碎片化，学习依赖被动刷题和上课听讲，缺乏自主学习和实践动手的能力.[2]物理作为一门以实验为基础的科学，如何做到产出导向(Outcome-based Education，简写为OBE)的中学物理实验教学工作，对于全面培养与提高学生科学实验能力与科学实验素养，奠定学生终生学习和继续发展起着至关重要的作用.

1 中学物理居家实验的必要性和紧迫性

有调查[3]发现，中学阶段实验教学的开展与效果都不容乐观.一方面教师虽然认为实验教学很重要，但是由于课程实施中的一些客观因素，例如实验器材和课时的不足，大大限制了实验教学的正常进行；另一方面学生在实验教学中满足于按部就班的操作，缺乏自主学习和自主探究.教与学的失配导致了实验教学目的和实验教学效果的严重脱节.

OBE理念[4]和中学教育中的核心素质[5]教育理念相同，都强调“学生中心”.《普通高中物理课程标准》(2017年版)也是这两种教育理念渗透的结果.新课标更加注重学生终生发展的需要；注重学生实验能力、自学能力等方面的培养；注重教师教学方案的按需设计；注重学生学习效果的过程化评价.[6]

2020年新冠肺炎疫情使得线上教学成为全球各个学校的教学主要途径.在此特殊时期，相对自由独立的学习环境催生了学生学习的自主性，教师在新形态下的教学研究工作也必须同步跟进，其中就包含中学物理居家实验.上世纪80年代，苏州大学朱正元教授就提出了“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的中学物理实验教学理念.通过观察学生熟悉和感兴趣的现象，用来源于生活中的“瓶瓶罐罐”让学生深度学习物理知识，学会提出问题、分析问题和解决问题的方法，达到探究实验、把握新知、学以致用的目的.[7]居家实验必将成为中学实验教学的有益尝试.

2 物理居家系列实验的具体实施

笔者在这段时间为本班学生开设了中学物理居家实验这个单元，让学生用身边最熟悉的材料做实验，[7]在巩固旧知识的基础上，发现教与学的新问题，然后导入新知识，培养学生的思维和探究能力.[8]一方面，居家实验设备不再是标准件，当学生发现结果与预期不符时，会分析自己亲手搭建好的实验装置，考虑实验中的一些系统误差；另一方面，每位学生的实验测量结果具有开放性，没有标准“答案”，激励学生独立自主的探究和判断.[9]在这一过程中教师也需要不断学习提高，从学生的“教师”变为学生的“同伴”，参与到实验设计和研究中，实现教与学的共同进步.

课程的具体实施方案见图1.第1周，根据学生现有知识水平，布置测量实验任务，要求学生多次测量，记录测量结果，并要求学生计算自己实验体系中的相对误差；第2周，汇总学生的实验方案、测量结果和相对误差，介绍相关实验方法，引导学生实验拓展；第3周，甄别拓展的实验方案，引导学生发现实验预期与实验结果的冲突，提出问题；第4周，解决问题，优化实验方案，分析各种方案的适用范围，并进行回顾和报告.

图1 基于OBE的居家实验教学实施方案

接下来，笔者将以“细丝直径的测量”为例，介绍具体教学的实施方案，见表1.

表1 细丝测量主题实验单元的周进度安排

第1周，教师布置实验题目—细丝直径测量.教师复习初中长度测量知识中的密绕法；学生在家任意选取各种各样的“细丝”，根据上述测量方法对细丝的直径进行测量，见图2.

(a) 为对手机充电线的测量

学生选取的主要有两类，一类为充电线，另一类为头发丝或者缝衣线.为方便比较，本文将对手机充电线和头发丝直径的测量做详细阐述.学生利用密绕法，测得手机充电线和头发丝的数据如表2所示，因此，手机充电线的直径d充电线=3.0±0.1 mm，相对误差为E充电线=3.3%；头发丝的直径d头发=0.13±0.01 mm，相对误差为E头发=7.6%.

表2 密绕法测量头发丝和充电线的测量结果

图3 阴影法测量细丝直径

学生同样对头发丝和手机充电线进行了测量，为了保证测量效果，学生通常选择晚上或者暗室进行投影测量.以手机手电筒为光源，细丝分别为充电线和头发丝，测量结果如表3所示.

表3 投影法测量头发丝和充电线的测量结果

因此，投影法测得，手机充电线的直径d充电线=3.0±0.1 mm，相对误差为E充电线=3.3%；头发丝的直径d头发=0.6±0.1 mm，相对误差为E头发=17%.可见头发丝的相对误差很大，且与我们密绕法直接测量得到的结果不符合，需要进一步分析.

第3周，投影法在头发丝测量的情况下，存在很大的误差，教师引导学生进行问题探究，让学生把手电筒这一复色光源替换为单色光源，再次重复实验，观察激光打在充电线和头发丝上的成像差别，如图4所示.

(a) 充电线

学生很容易发现这两种投影的差别，教师引入高中物理3-4衍射的内容.在传统课堂教学中，教师会向学生展示单缝衍射实验装置，让学生观察到光的衍射现象，并总结衍射现象的产生条件.而在物理居家实验中，我们引导学生通过比对书中单缝衍射和实验中头发丝的光强分布图，寻找两者相似之处，启发学生将书中的单缝衍射和看到的头发丝衍射图建立链接.

图5 衍射法测头发丝直径

表4 衍射法测头发丝直径的测量结果

然后，学生根据实验示意图，在家自行搭建衍射光路，测量头发丝的直径，衍射图像如图5(b)所示.笔者选取一套头发丝的测量结果，用逐差法对头发丝的直径进行了计算，结果如表4.通过计算，可得头发丝的直径d头发=0.129±0.002 mm，相对误差为E头发=1.6%.

第4周，教师汇总学生这3个测量方法的结果，引导学生通过测量结果和相对误差分析，引导学生自主讨论和评价各种实验方法的合理性，分析和讨论各种方法的优劣；教师最后并总结不同测量方法的适用范围，并巩固相关知识点.几种测量方法的比较结果如表5.

表5 测量方法比较

这4周的系统实验服务于细丝测量这一个实验主题，有助于初高中实验知识点的串联，并链接书中选修部分内容与具体实验，有利于学生自主学习和持续学习能力的培养.

3 “细丝测量”居家实验的教学效果

为了具体了解学生的学习效果，笔者对扬州某四星高中，高二年级理科排名前15%的100名学生在各阶段的困难表现和解决方式进行了问卷调查，具体问卷见表6.

表6 各阶段实验的困难点、解决方法和完成度调研

调研结果如表7.从完成度上，笔者发现，整个一单元的实验难度逐步增加，最后的衍射法测细丝直径确实达到了“跳一跳才能够得到”的难度，满足课程设置的挑战性和高阶性要求.

从图6可以看出，第1周，绝大部分学生都能独立完成实验，且完成效果良好，说明学生对“密绕法”掌握的较好，学生具备一定的动手能力和实验数据处理能力；第2周实验的主要困难在于居家实验要求学生自己搭建实验装置，通过师生间的反复讨论，学生们搭建出较合理的实验装置来进行实验.这个过程充分调动了学生的学习热情，提高了学生的动手能力.第3周实验的主要困难在实验原理上，学生通过对比观察，很快发现了单丝衍射现象，但是定量计算是难点.通过前两周的实验铺垫，学生在实验装置的搭建中有了一定的经验，所以大部分学生能够完成实验.第4周，学生在完成实验的基础上，对3种实验方法进行总结归纳，并巩固相关知识点.

表7 调查问卷(表6)统计结果

图6 学生困难体现(a)和问题解决路径(b)的汇总图