军队院校“大学物理实验”问题驱动式教学案例设计——以声速测量实验为例

周晓云，周 梦，景素华

（武警警官学院 基础部，四川 成都 610213）

“大学物理实验”是军队院校生长军（警）官本科教育科学文化共同课程之一，作为一门实践课程，其不仅能帮助学员深入理解物理概念和规律，还在培养和提高学员动手能力、观察能力、理论联系实际能力等方面比理论课程更具课程优势。同时也为学员的主动学习能力、科学思维能力、实践创新能力等综合科学素质的培养提供最直接的途径。因此，“大学物理实验”课程在科学文化课程中具有不可替代的作用。为提高“大学物理实验”课堂的教学效果，笔者从军队院校学员学习现状出发，遵循课堂教学内容逻辑，以声速测量实验为例，尝试问题驱动式的教学模式，突出实验思想、方法与技术，提高学员的综合科学素质。

一、“大学物理实验”课程教学现状

“大学物理实验”课程共56课时，分为两学期授课，即每学期28课时，课时量仅是学员一学期总课时的6%左右，加之军队院校学员的任职需求，军事基本技能和军事体育训练占据了大部分的空余时间，学员本身也对实验课程有一定的畏难排斥心理。因此，不论是主观因素还是客观因素，学员对实验课程的重视程度都比较低，体现在预习环节不能仔细研究教学资料形成初步的思维逻辑，课堂依赖教员讲授与实验演示，对操作中出现的问题不能够独立思考并尝试解决，课后完成实验报告时存在应付心理，不能够积极地将所学知识运用到课外实践中。此外，在传统实验讲授模式中，教员不仅将原本教材上就有的实验目的、实验原理以及实验注意事项告诉学员，还要详细地讲解实验原理、方法、步骤、仪器使用、数据记录、数据处理等，甚至还要在学员做实验之前从头到尾地演示实验，让学员看得清清楚楚、明明白白，可以说是手把手地教，缺少让学员自主思考、探索和创新的环节［1］。

二、基于教学现状的问题驱动式教学思路

问题驱动式教学法的关键是以学员为主体、以问题为核心规划教学内容，通过解决问题使学员掌握核心知识与技能，即教师在课上引入与知识点相关的问题，以问题为牵引，通过师生互动，加深学员对知识点的了解，培养学员的逻辑思维能力。问题驱动的实施包括提出问题及解决问题两个阶段，在解决问题的过程中又会产生新的问题，从而形成提出问题—解决问题—产生问题—解决问题的循环，实现持续的深入学习和教育进程［2］。

基于上述思想，笔者在声速测量教学中实施问题驱动式教学，主要思路是在充分分析学员学情的基础下，对实验的教学内容进行庖丁解牛，厘清哪些内容是预习过程中学员能够大致了解的，哪些内容是课堂教学中教员应该总结归纳的，哪些内容是可以通过问题进行研讨的，哪些内容可以留在课后由学员自行实践，即梳理出实验的各个阶段需要学员调查、讨论、剖析的问题，并合理设置问题的难度，让学员“跳一跳能够得着”，还要做好学员提出新问题的准备并加以引导，使问题沿着课堂主线进行，做好课堂研讨时间的预估，合理把握课堂进度。

三、声速测量问题驱动式教学设计

（一）教学内容梳理

声速测量实验是一个综合型实验，知识内容涉及3个概念——声波、驻波、声压，2个物理量的测量——共振频率、声波波长，1个实验常用技术——压电陶瓷换能器，2种实验方法——共振干涉法、李萨如图形法。整理声速测量思维导图，见图1，可以在课前向学员呈现，促进学员对本实验逻辑脉络的清晰了解［3］。在理论课中，学员对声波、驻波的有关理论已经有了一定的理解，知道驻波的形成条件以及波节、波腹等概念，但并未学习过声压、声驻波的概念，也未涉及压电效应这一声电转换技术，这是在原理讲授中要着重解析的概念。本实验学习的重点是两种实验方法测量声波波长，关键实验思想是如何利用波动特性将不可见的波长转化为看得见的实验图像并进行测量，这是帮助学员形成实验思维，培养学员将理论知识应用于实践的能力的关键步骤。学习的难点是在共振干涉法中判断驻波的形成，判断波节点的位置，这里涉及声电转换的关键技术——压电效应，即声压作用在换能器上形成电信号的过程。

图1 声速测量思维导图

（二）实验项目的引入设计

在课堂引入设计方面，作为军校教员不仅要考虑实验研究对生产生活的意义，还要使课堂同战场衔接紧密，突出军味。对于声速测量实验而言，我们在引入时通过播放超声速战斗机轰声视频，引起学员的学习兴趣，并提出问题：轰声是如何产生的？轰声的产生对于飞机的飞行有何影响？大部分学员能够给出一个笼统的答案，即飞行超过声速时会产生轰声，轰声可能引起飞机的解体。可以继续引导设问，使学员联系物理基本原理：回想一下多普勒效应，飞机在飞行过程中会引起空气振动，即产生声波向四周传播，这个速度是声速，如果飞机飞行速度趋近声速或者是超过声速会怎样？对空气的影响是什么？学员进行深入分析可以得出答案：刚发出的声波会越来越接近之前发出的声波，声波会压缩空气，当飞机穿透被压缩空气时就会像刺破气球一样产生轰声。基于以上内容的引入，可以引导学员科学认识轰声的产生，增强科学知识，又可引出实验的目的：声速是军事科技中的一个重要基本概念，探究实验中如何准确地测量声速。

（三）声速测量实验方案的教学设计

1.声波频率的确定（声波分类见表1）。设问：表1中列出了不同频率声波的特点，根据不同类型声波的特点，实验中利用哪类声波来测量其速度比较合适呢？学员通过分析比较能够得出实验的研究对象——超声波，进而引出超声波在实验研究、生产生活中的优势：方向性好、能量易于集中，波长短不易发生衍射，还可介绍超声波在我国深潜重器“奋斗者”号声学系统和潜艇声呐中的广泛应用，激发学员科技强军之志，并引导学员讨论超声波的其他应用，提高学员对超声波的认识。

表1 声波分类

2.超声波的产生和检测。继续设问：在本实验中如何产生超声波？又如何检测？可以让学员观察并描述实验仪器的特点，引导学员注意实验仪器中的两个类似喇叭的装置，即压电陶瓷换能器，它们是实验中产生和检测超声波的关键。由于学员尚未学习过压电效应理论，在课堂中可以通过演示普通打火机的点火方式进行类比说明：压电晶体受到外力作用时，晶体结构变形，原子就会互相推挤，形成电势差，即压电效应，压电效应示意图见图2。接着提问：声波在传播过程中是如何作用在压电晶体上的？声波在传播过程中引起空气中分子振动，由此产生空气压强改变也就是声压，声压作用于压电陶瓷换能器上即可产生压电效应，于是实现了从声能到电能的转换。实际上，压电效应的应用已经十分广泛，如声呐系统、超声探头、压电驱动器等，对压电效应的研究也已经精细到纳米尺寸［4］。对学员设问：对于军校学员而言，能否利用压电效应进行发电、产热从而辅助日常的军事训练呢？通过演示、提问、拓展，对生活中常见的现象溯源，联系实验中的技术，并鼓励学员动脑将所学技术应用到与其密切相关的军事生活中，实现应用—实验—实践的完整学习链条。

图2 压电效应示意图

还可向学员提问：压电效应可以实现声转电产生超声波，有没有逆压电效应实现电转声？鼓励学员采用逆向思维分析逆压电效应，得出超声波的产生机制，利用高频电流作用在压电晶体上可产生高频的机械振动从而产生超声波，超声波的频率就是输入电信号的频率。基于以上分析，由压电陶瓷换能器（发射器）可以将电信号转换为超声波发射，并由压电陶瓷换能器（接收器）接收转化为电信号，不论是发射信号还是接收信号都可以显示在示波器中。

3.测量波长。连接实验仪器，演示转动鼓轮移动接收器位置，引导学员观察接收换能器对应的示波器波形变化，提出问题：接收器信号发生了什么变化，有什么规律？可以看出，一是电信号的强度在周期性的变化，二是电信号的相位较入射波发生了周期性的变化。总结实验规律之后，继续引导学员分析其物理原理，并和波长进行关联。

针对电信号的强度变化继续设问：超声波在接收器端面处发生反射，入射波和反射波进行叠加形成纵驻波，与弦上横驻波类比，当发射器和接收器二者之间的距离满足什么条件时会形成驻波？接收器处是波节还是波腹？对应的声压如何？在学员进行定性分析后，可给出驻波方程及声压方程进行定量分析得出测量波长的方法。

针对电信号的相位变化设问：如何直观地比较接收电信号和发射电信号的相位差？以往的示波器实验中已经接触了李萨如图形法，可由学员自行讨论在实验中利用何种图形判断二者的相位差大小及与波长的关联。

这部分教学的目的在于引导学员观察实验现象，总结实验规律，分析其物理原理，从而进行波长测量。

（四）测量过程中的教学引导

在讲授实验方法的过程中已融合了关键的操作过程，因此可由学员自行进行测量探索。但声速测量中出现的一些现象值得我们探究，比如在进行共振干涉法测量时，接收电信号的峰值为什么会随着距离增加而减小？在摇动鼓轮观察电信号强度变化时，电信号会达到一个次强峰而非最强峰，该如何辨别？同时操作时，因无法判断电信号下一步变化情况，容易错过最强峰的位置，对实验有何影响？共振干涉法和李萨如图形法哪种方式测量更准确？

（五）实验拓展的引导设计

在完成实验基本内容的基础上，可以引导学员分析实验本质，并进行拓展实验。本实验测量了空气中的声速，是否能够测量其他介质中的声速，如液体、固体等单一介质或复合介质中的声速？实验中是固定了声波频率，改变接收器位置测量声速，能否固定接收器位置，改变波源频率进行测量［5］？共振干涉法测量声速的关键技术与手段是什么？能否利用手机的传感器性能进行课外测量［6］？声压的本质是什么，可否利用声压悬浮物体？

此环节问题的设计，目的在于启发学员对实验方法与技术深入思考，举一反三，将实验知识运用到其他问题中，起到拓宽思维、提升探究能力的目的。

结语

通过学情分析、内容梳理，对声速测量实验涉及的理论知识、实验方法与技术、实验拓展等教学内容进行问题驱动式设计，使课堂内容抽丝剥茧式展开，利用难度不高但引导性强的问题，使学员成为课堂的主体，促进其在后续学习中主动思考，从而提高学员的综合科学素质，这种教学模式也可为大学物理实验其他的实验项目教学提供参考。