大单元教学下的探究实验教学

【摘要】大单元教学的重点在于促进不同知识领域之间的联系.新课标着重培养学生在真实情境中解决实际问题的能力，培养学生的核心素养.本文以“用双缝干涉测光的波长”为例，通过实验设计与操作步骤，分析实验结果和学生反馈，探讨大单元下探究式教学对学生的学科素养、实验技能和科学思维能力的培养作用.

【关键词】高中物理；实验教学；探究式教学

大单元教学是当前落实学科核心素养的课程改革研究热点，是有效构建高中物理核心素养之“物理观念”的新途径[1]ADDINNE.Ref.{B88124E7-BA95-4BAF-B150-CDEADFC951ED}.物理学科核心素养是学生科学素养的重要构成，学生在接受物理教育的过程中逐渐内化，通过物理学习逐步形成适应个人终生发展和社会发展需求的必备品格和关键能力[2]ADDINNE.Ref.{7546E0AC-9112-444D-A503-6F66760203C5}.在大单元教学理论指导下，引导学生探究学习实验相关知识，并结合“真实情境”应用和探索，能够更加有效地提升学生对知识的内化，对“真实情境”问题的解决，从而更有效地提升学生的核心素养.在大单元教学理念的指引下，通过引导学生探究学习实验相关知识，并结合“真实情境”的应用和探索，可以更有效地促进学生对知识的内化和增强解决“真实情境”问题的能力，从而提升学生的核心素养.

1 基于大单元的教学分析

1.1 教材分析

本次课程主要是学习光的波动特性，在杨氏双缝干涉实验的基础上如何应用所学知识分析干涉条纹间距的特点，计算光的波长.在这一课的学习中可以增强对光波动性的理解.

双缝干涉实验可以帮助学生更好地理解物质的波动性质，是物理学教育中物质观的重要实践之一.该实验主要利用光的干涉现象来测量光的波长.学生可以通过此实验更深入地了解光波产生稳定干涉现象的条件.观察白光和单色光的干涉图案，测定单色光的波长.通过设计实验，培养科学设计实验方案的能力.

1.2 基于进阶的学情分析

2 基于真实情境，探究式教学设计思路

（1）因明显的干涉现象在生活中较难观察，笔者设计教师组织学生进行简易实验，采用激光作为光源观察激光的干涉图样并总结规律，深化对公式的理解.

（2）为更好地掌握各仪器的作用，在实验中需要说明凸透镜、滤光片、单缝、双缝、毛玻璃片、遮光仪器的作用.特别注意单缝的作用是得到一束振动情况相同的线光源，由于单缝到双缝的距离相等、完全对称，可以认为双缝对应的两个子波来自同一个波面，是两个相干光源.

（3）在测定单色光波长的实验中，许多学生往往得不到清晰的干涉图样，传统的实验仪器只适用于单人观察，多人不易同时观察，难以组织学生讨论交流.本课设计通过手机和希沃同屏的形式，将学生的视野实时展现，针对不同的问题组织课堂讨论，提升课堂效率.通过探究实验的误差原因，引导学生对实验原理进行深度学习.

3 课堂问题实录

3.1 实验1 用自制实验验证公式Δx=Ldλ

（1）教师提出问题：如何设计实验验证公式：Δx=Ldλ？

（2）学生组内讨论，提出方案，各组相互评价.各组同学的实验方案都大同小异，以设计最好的某一组的同学的实验方案为例：制作双缝，并用单色光的激光笔去照射双缝，将光投射至黑板用刻度尺测量其Δx，L，d，因单色光的波长易查询，从而论证公式Δx=Ldλ的准确性.

根据学生设计的方案，进行现场实验并论证公式.其实验过程需注意以下几点：

（1）为了实验效果更加明显，应选取波长较长的红光，条纹间距较大，实验现象比较明显.

（2）测量黑板上的条纹时发现用刻度尺读数误差较大，需要更精密的仪器测量.

（3）自制双缝不能太大，否则不易观察到明暗相间的条纹.

3.2 实验2 用双缝干涉测量光的波长

3.2.1 观察干涉条纹

教学任务：让学生体会激光光源与白炽灯光源的区别，进而介绍托马斯·杨的双缝实验装置，着重让学生领会“一分为二”的思想方法.

问题1 探究将白炽灯光源直接照在双缝上，能否得到明显的干涉图样？

学生设计实验并进行实验操作得到结论：不能得到干涉图样.学生通过小组讨论易得白炽灯光源不具有相干性，所以不能观测到明显的干涉图样.

问题2 线光源具有什么特点？请相互讨论并得出结论.

学生讨论易得：单缝极细，可认为这束线光源各点的振动情况相同.

问题3 线光源照亮双缝，根据惠更斯原理，双缝可看为两个新光源，这两个新光源有什么特点？请相互讨论并得出结论.

学生回答：既然都是来自同一光源，频率、相位、振动方向相同，可看为两个相干光源.

问题4 直接用眼睛观察可以看到干涉条纹吗？

学生设计实验并进行实验操作易得：不可以，可通过实验得出此结论.

问题5 采用光具座上的白屏可以看到干涉条纹吗？

学生设计实验并进行实验操作得到结论：因白屏不透光，无法观测.

教师活动：介绍毛玻璃装置，毛玻璃又称磨砂玻璃，一面粗糙，一面光滑，光打在粗糙面发生漫反射，同时由于玻璃透光，可以透过玻璃看到干涉条纹.

问题6 理论上来说，我们可以看到什么样的干涉图样？

学生根据所学知识推测可知得到彩色的条纹.

师生活动：利用手机同屏技术观察干涉条纹.

3.2.2 测定单色光的波长

教师教学任务 现场操作测定条纹间距的具体操作过程.

教师演示实验，操作过程全程利用同屏技术实时记录.同学们观察实验并小组讨论评价该实验操作过程是否合理，对不合理的步骤提出改进方案.

在教师操作过程中学生发现以下注意事项：首先，光源、凸透镜、遮光筒三者中心线共轴安装在水平光具座上;其次，在双缝前安装单缝片，在遮光筒的右端安装测量头和目镜，调节拨杆，使单缝片与双缝片互相平行，直至通过目镜能观察到干涉图样.

学生实验 利用双缝干涉仪测定单色光的波长.

本实验需要测量的物理量是双缝到屏的距离L和相邻两条亮条纹间的距离Δx（双缝间的距离d已知）.具体操作如下：

双缝到屏的距离L可以用刻度尺测出；Δx的测量：相邻两条亮条纹间的距离Δx需用测量头测出.测量头通常都由分划板、目镜、手轮等构成.转动手轮，分划板会左右移动.测量时，应使分划板的中心刻线与条纹的中心对齐，记下此时手轮上的读数.然后转动测量头，使分划板中心刻线与另一条纹的中心对齐，再次记下手轮上的读数.两次读数之差表示这两个条纹间的距离Δx.为了减小测量误差，可测多个亮条纹间的距离，再求出相邻两个条纹间的距离.

测定单色光的波长：已知d；L和n个亮条纹间的距离a是直接测量值，由Δx＝an－1求出相邻两个亮条纹间的距离Δx.最后，根据λ＝dLΔx计算波长.

3.2.3 评价与讨论

通过希沃拍照上传，展示学生的测量结果，并组织同学讨论实验过程中出现的问题，研究改进措施并验证.总结各组发现的问题汇总：

（1）视野内漆黑一片；（2）干涉条纹与分划板中心刻度线倾斜；（3）视野半暗半亮.

3.3 演示用光传感器做双缝干涉的实验

采用光传感器，可显示双缝干涉现象，更方便.设备安放：铁架台的顶部有一束光源，中间有双缝挡板，底部安装光传感器.实验的光路是自上而下的，白色狭长矩形的小盒是光传感器，矩形的长边上分布着许多光敏单元.各种光敏单元捕获到的光照数据通过计算机处理，最终呈现在显示器上.根据干涉图像中条纹的间距可以计算出光的波长.此方式可以测量条纹间距并直观地展示亮条纹分布和测量传感器上各点的光照强度.相比传统的测量方案，使用传感器和电脑检测双缝干涉实验装置，测量范围和数据更加全面：可得到不同双缝和不同颜色光的双缝干涉条纹[3].

3.4 课堂小结，学生思考对比两种实验方案优缺点

学生们可以通过比较传统的双缝干涉实验和使用传感器和计算机观察双缝干涉实验，评价其优缺点.光传感器的优势在于：能够有效处理光源、得到更加清晰的图像并准确地处理实验数据；不足在于：得到现象及结果太直接，缺乏传统实验的直观性.

4 教学总结与反思

高中物理光学实验，学生做实验的失败率较高.学生受限于仪器的视野无法共享讨论，提出问题无法得到教师的精确指导.因此，选用希沃同屏实时共享实验视野，精确解决实验测量中的问题.需要注意的是：观察条纹时，手机必须保持稳定.通过选取合适的支架，将手机固定在望远镜上，将摄像头对准望远镜，这样不仅可观测干涉条纹，还能观察到实时变化.

本节课除了一个主实验，在课堂前期还安排了一个激光的干涉图样，这样设计的意图在于三个方面的考虑：首先，激光实验引导学生认识：利用激光进行干涉实验，能便捷地得到相干光源.生活中干涉现象并不常见，但通过使用双缝装置，学生可以更直观地观测干涉图样，以增强对该现象的体验.通过自己设计实验方案，发现条纹间距与物质直径和长度有关，可以提升学生对相关概念的理解.

高中物理实验教学对学生实验技能和科学思维培养具有重要意义.实验技能是学生掌握科学知识和应用科学方法的重要手段，对学生未来的学习和科研有积极的影响.在探究式教学中，学生通过设计实验、操作仪器、收集数据和分析结果等过程，培养实验技能和动手能力；学生通过自主探究和实践操作，培养了科学思维能力.高中实验教学在注重培养学生实验探究能力的同时，也应注重提升学生在探究学习过程中的积极性和主动性，真正让学生作为课堂主体，在实验过程中，提升动手能力，形成知识的内化，潜移默化地提升他们的物理核心素养.

5 结语

探索式实验教学有助于提高学生的参与度，让学生拥有主动学习的机会，从而促进知识的探索和内化.在大单元教学的指导下，学生可以更好地理解各个知识点之间的关联.利用相应的知识解决真实环境下的问题，并利用相关的知识探索真实场景下的生活实践.三者共同结合，有助于提升学生的核心素养.

参考文献：

[1]朱美霞.基于核心素养理念的高中物理大单元教学设计研究[J].天天爱科学（教学研究），2023（11）：40-42.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[3]何娟，冯卓宏.双缝干涉实验演示效果的优化及影响因素分析[J].湖南中学物理，2021，36（11）：53-56+59.

[4]张勇.基于高中物理学科核心素养的实验日志设计策略[J].广西物理，2023，44（03）：107-109.

[5]邹伟.学科核心素养融入高中物理实验教学的策略研究[J].数理天地（高中版），2024（04）：115-117.