互动物理实验在大学物理教学中的应用

吴建海,段雪松,孔祥明,安 莉,叶文江

(河北工业大学 理学院,天津 300401)

大学物理和大学物理实验是理工科学生的公共必修基础课,是学生学习后续专业基础课、专业课的必备基础,具有承上启下的作用. 然而,2门课程在内容上存在严重不同步的问题,学生在理论课上学到的知识无法及时利用实验进行验证. 大学物理的授课计划是课程统一安排且按教学进度顺序进行,而大学物理实验课是循环进行. 例比如大学物理课程从运动学开始,但大学物理实验不是都从运动学开始,因为实验课严重依赖实验仪器,若跟随理论课将对仪器的台套数有巨大的挑战,同时其他实验仪器将处于严重闲置状态,即使台套数能满足要求,每节课更换实验仪器的工作也将是极其艰巨的任务.

另外,大学物理课程缺乏学生可以深度参与的课堂实验[1]. 具体表现为:a.现有演示实验仅由教师单方面展示,学生作为观众被动观看[2];b.有的学校建设了演示实验、探索实验室和走廊实验[3],学生可以动手操作,但仅限在实验室进行,且一般都缺乏教师现场指导,学生虽然参与但无法深入理解物理原理;c.有的学校针对大学物理实验开发了居家实验[4]或宿舍实验[5],这种模式鼓励学生利用手边材料或实验室发放的材料进行简单的实验,可脱离实验室进行实验,虽然能锻炼学生的动手能力,但这些实验并不是针对大学物理课程内容开发的,所以缺乏针对性.

互动被认为是增进了解、加强共识的有效方式,该观点在教学上的应用得到了重视[6-10],例如2022年张萍等人就大学物理课堂互动教学模式进行了研究[6];2022年中国科学院科学传播中心就中国科学传播现状进行了分析,认为互动作为大众最喜闻乐见的科学传播形式应该得到加强[7],但将互动应用在理论课堂的实验内容还鲜见报道.

本文提出了具有互动性质的新实验教学模式,在理论课课堂进行了试点应用并逐步推广到全校,并对其教学效果进行了研究.

1 互动物理实验

为解决传统教学中缺少互动的问题,提出了互动物理实验新模式,学生可以通过手中的学具、量具等参与到教师的演示实验中,而不是被动地观看教师的演示. 该模式使学生的课堂参与度更深、积极性更强.

1.1 开发实验项目

开发了互动物理实验项目,以增加课程的吸引力,同时弥补理论课和实验课不同步的缺陷. 目前,针对光栅光谱、偏振开发了6个课堂实验项目,如表1所示.

表1 课堂实验项目

1.2 开发学具

为互动物理实验开发学具,以满足学生端对互动的要求,分别是光栅卡片(二维正交平面透射式光栅,光栅常量为360 mm-1)和偏振卡片(线偏振片),如图1所示.

(a)光栅卡片 (b)偏振卡片图1 学具卡片

在课前,每名学生将得到学具,并按照学案中的要求完成预习. 课堂上,学生利用学具参与课堂实验. 课后,学生可以利用学具完成作业,学具则不再收回. 这种获得感是其他教学形式无法满足的.

1.3 开发教具

为互动物理实验开发相应的实验仪器,以满足教师端对互动教学的要求.

1.3.1 发射谱(元素灯)

磁吸式钠灯、磁吸式汞灯、各种磁吸式稀有气体灯,点亮钠灯的观测效果如图2所示.

图2 用光栅卡片观察钠灯

教师将磁吸式钠灯吸在黑板上,以黑板为背景,学生通过光栅卡片能清楚地看到钠光谱的主要成分为黄色,同时还有蓝紫色和比较淡的绿色(图3).

图3 钠光谱

点亮汞灯的观测效果如图4所示,学生可以明显观察到汞光谱的主要成分为黄、绿、蓝、紫(图5).

图4 用光栅卡片观察汞灯

图5 汞光谱

教师可向学生简单介绍“同色异谱”现象,即汞灯虽然看起来发白,但由于其光谱中红、橙等部分较少,色调上偏冷,所以选衣服看颜色时在这样光源下的视觉效果与阳光下不同. 进而解释了为什么在印刷、染色等与颜色有关的行业需要使用标准光源.

通过以上实验观察发射谱,学生明白了“谱”的概念即为不同波长在横向上的展开,和枯燥的理论与单纯的讲授相比,学生通过亲自观察实验,能够对知识的理解将更具体、更深刻.

1.3.2 连续谱、吸收谱(氙灯、氙灯+红宝石滤镜、氙灯+红玻璃滤镜)

氙灯可提供连续谱(图6),是科学测量中的常用光源.

图6 用光栅卡片观察氙灯

在氙灯前加装红玻璃滤镜将使光谱中黄绿以后的颜色消失,即为红玻璃的吸收谱,呈现低阻[图7(a)];换成红宝石滤镜后,多了蓝紫等颜色,呈现带阻[图7(b)]. 通过观察吸收谱中颜色的成分就可以区分红宝石和红玻璃.

(a)红玻璃滤镜 (b)红宝石滤镜图7 用光栅卡片观察加装滤镜的氙灯

1.3.3 色度学(黄LED灯、氙灯+查尔斯滤镜)

色度学在物理、生理、心理等领域具有广泛应用. 实验中,先让学生直接观察黄LED和加装了查尔斯滤镜(用于宝石鉴定的特殊滤镜,只能透过红色和部分黄绿色的光)的氙灯,两者呈现相似的黄色(LED是明黄色,查尔斯滤镜是土黄色). 透过光栅卡片再观察会发现,LED中虽然包含了较淡的红色和绿色,但主要是黄色[图8(a)];而加装了查尔斯滤镜的氙灯中却只有红色和绿色,并没有黄色[图8(b)]. 以上现象可以解释为什么光的三原色只有红、绿、蓝,是因为视网膜上只有这3种感光细胞,眼睛看到其他颜色是大脑合成的. 所以用肉眼无法准确判断颜色成分,需要使用光栅或三棱镜等分光元件将复合光分解为单色光才能判断.

(a)观察黄LED (b)观察氙灯+查尔斯滤镜图8 用光栅卡片观察黄LED、氙灯+查尔斯滤镜

1.3.4 显色偏振(偏振背光板+偏振画)

生活中经常使用的透明胶带具有二向色性特点,即胶带对o光和e光的折射率不相等. 图9彩虹中的不同颜色是通过粘贴不同层数的透明胶带实现的,由于不同层数的胶带对o光和e光产生的附加光程不相等,故放到2层偏振片之间时,会使某些波长的光产生相干相消,可观察到由于颜色消失而产生的补色. 同时在不同检偏角度下产生消光的波长会发生变化,所以也会观察到变色现象. 在偏振光的背光板,附上事先做好的偏振画,学生利用自己的偏振卡片观察,可以发现,只有用偏振卡片观察时才能看到图案上的颜色,转动偏振卡片时还能看到颜色的变化. 由于学生能自主控制手中的偏振卡片,所以教学过程中学生的参与意愿非常强烈. 鲜艳的色彩和神奇的现象总能引起学生的浓厚兴趣,在向学生传达物理知识的同时,也体现了物理的美.

(a) 卡片与背光板偏振化方向垂直

(b) 卡片与背光板偏振化方向平行图9 结合偏振背光板用偏振卡片观看偏振画

1.3.5 力致双折射(偏振背光板+光弹模型)

很多材料在受力时会产生双折射现象,这是由于外力导致材料对o光和e光的折射率不相等,如果光程恰好满足条件,将会使某个波长的光产生消光,就能观察到由于这种颜色消失而产生的补色. 由于材料中相同应力处会形成连续色带,不同应力处颜色及其疏密程度不同,故可以直接用肉眼观察到应力分布情况.

在生产过程中塑料尺在模具里经历了从液态到固态的过程,分子之间的状态还没来得及通过挤压变成均匀就被“冻结”了,所以通过图10彩色花纹的疏密程度可以判断塑料尺内部应力的分布情况. 比如,注塑口处花纹相对集中,意味着如果塑料尺整体受外力弯折,注塑口处将首先断裂,因为在材料所受外力基本相等的情况下,此处受到内力更大. 同时可以说明为什么各种金属铸件在使用前需要退火消应力以提高机械性能,延长使用寿命.

图10 结合偏振背光板用偏振卡片观察塑料尺

图11用光弹材料制作的扳手模型在实际受力(扳螺母)时,学生可以清楚的看到扳手上应力的分布情况,并能准确通过缺口拐角处花纹密集判断此处应力较为集中,通过比较图12理解真正的扳手在缺口处会用圆弧而不是尖角,以保证应力较为分散.

图11 结合偏振背光板用偏振卡片观察光弹模型

图12 真正的扳手

这些仪器体积小、重量轻、便于携带、现象明显,可满足了大多数教学场景的要求.

1.4 开发新媒体平台

利用新媒体平台的优势,建立了微信公众号“工大物理实验”(图13),该公众号能提供学案、知识库和工具箱,以满足预习、复习、拓展、科普等方面的需求,方便学生随时随地访问.

图13 微信公众号“工大物理实验”

2 实践效果

1)创造了“实物预习”模式,学生首次面对的不再是枯燥的理论,而是实实在在的实验现象. 在课前将学具和学案发给学生,并在QQ群布置群作业,要求学生通过拍照的方式完成学案中至少一项预习内容,并描述拍摄对象和尝试解释实验现象. 完成度接近100%,其中高质量完成比例超过20%(“高质量”的标准包括现象明显、解释详细、观测角度有创意等).

在预习作业中可以见到学生的各种创意(图14),应尽可能提供给学生动手实践的机会;更重要的是学生在预习过程中相互探讨、相互学习,探索的氛围非常浓厚,而这正是教师在教学中一直希望并乐于看到的.

图14 学生作业例

2)创造了“互动物理实验”的课堂教学模式,在充分预习的前提下,课堂上很多知识的讲解更容易理解,但限于学生的能力和活动范围,在预习时找到的观察对象通常具有随意性且不全面,所以还需要用演示实验加以辅助,并结合理论进行讲解和拓展.

尽管学生已经在预习中看到了很多现象,但在课堂上看到演示实验时还是非常惊奇. 讲台下学生兴奋的表情、发光的眼神、相互探讨后的如梦方醒过程让课堂的讲解达到了预期的效果.

根据课堂教学效果可知,互动物理实验学生参与度接近100%,相比之下,单纯的演示实验学生参与度能达到70%～80%,单纯的讲解学生参与度只有30%～50%,因此互动物理实验能提高学生的学习兴趣.

3) 学生对自己拥有一件科学工具感到兴奋,且急于向他人分享观察到神奇现象.

互动物理实验模式实现了学生的“乐”于学习,并通过向亲友讲解、拍照发朋友圈等形式客观上延长了科学传播的链条,为科学普及探索了一条新途径.

4) 教师不再为单纯讲解内容的枯燥而烦恼,课堂气氛活跃. 使用后教师纷纷感言“太好用了,还有没有别的!这种实验再多来点. ”

3 结束语

在“互动物理实验”教学模式的指导下,团队经过3年多时间分别在实验项目、学具、教具、学案、新媒体平台等方面进行了设计、尝试和优化, 应用新模式初步解决了理论课课堂实验不足的问题,效果良好,新模式为理论课上的实验教学探索了新道路.