高小燕

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

隨著我國課程改革的深化，課程目標在不斷變化，從最初的“雙基”到后來的“三維目標”再到現(xiàn)在的“核心素養(yǎng)”.核心素養(yǎng)是學生成長與發(fā)展必須具備的品格和關鍵能力.培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，要求教師能夠立足于學生的長遠發(fā)展需求，并充分考慮到社會發(fā)展對學生的要求.在實際物理教學尤其是實驗教學中，教師需要以物理基礎知識和學生思維模式為基礎，培養(yǎng)學生的科學探究能力、物理思維能力等，促進學生關鍵能力的提升，為學生今后的生活、職業(yè)發(fā)展等都打下堅實的基礎.如今，廣大教育工作者已經意識到物理實驗教學在培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)方面扮演著重要角色，因此越來越重視通過實驗教學來培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)和提高學生的物理思維能力.但如何將核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿其中，這是值得我們不斷實踐和探索的.本文以“光的干涉”實驗為例就該問題進行了討論.

1 物理核心素養(yǎng)的內涵及物理實驗教學的重要性

核心素養(yǎng)，主要是指學生應具備的，能夠適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關鍵，是為提升學生解決問題、創(chuàng)新意識等關鍵能力而提出的教育理念，強調現(xiàn)代教育應當由“知識”傳授向“能力”培養(yǎng)轉變[1].就高中物理學科而言，核心素養(yǎng)則細化為認識與理解、分析與綜合、實驗操作、數(shù)理應用等十二個維度.在實際教學中，物理核心素養(yǎng)內容則主要體現(xiàn)在以下4個方面[2]：第一，物理觀念，包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念；第二，科學思維，包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創(chuàng)新；第三，科學探究，包括問題、證據、解釋、交流；第四，科學態(tài)度和責任，包括科學本質、科學態(tài)度、社會責任.

物理是一門以實驗為主的學科.物理實驗是物理教學的重要組成部分，在高中物理教學中對實驗進行改進和創(chuàng)新，不僅能顯著提高物理教學的高效性和應用性，還能有效培養(yǎng)學生的物理思維能力及實驗探究能力，最終使學生的物理核心素養(yǎng)得到不斷提升.但在實際的物理教學過程中，實驗教學并沒有達到理想的教學效果，視頻代替演示實驗或者演示實驗代替操作實驗的現(xiàn)象比比皆是，并沒有發(fā)揮出實驗教學在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面應有的作用.

2 物理實驗教學實例——“光的干涉”

“光的干涉”是人教版《物理·選修3-4》(第十三章第3節(jié))的內容，是光學的重點內容之一，它跟幾何光學完全不同，學生在認知上存在困難.另外，傳統(tǒng)的演示實驗不易使學生理解光的干涉現(xiàn)象及原理.筆者將“光的干涉”實驗分成定性探究和定量驗證兩個環(huán)節(jié)，從實驗器材選取到實驗過程設計、實施方面都進行了優(yōu)化與改進，在使學生掌握光的干涉這一物理現(xiàn)象和規(guī)律的同時，將物理核心素養(yǎng)和物理思維的培養(yǎng)融入到各個環(huán)節(jié)之中，達到了潤物細無聲的效果.

2.1 定性探究

分組實驗：認識光的干涉現(xiàn)象，定性探究光的干涉圖樣的影響因素.

本環(huán)節(jié)，我們的實驗目的是認識光的干涉現(xiàn)象，定性探究光的干涉圖樣的影響因素.對此，我們采取分組實驗的方式.分組實驗可以讓學生近距離體驗感知光的干涉現(xiàn)象的發(fā)生過程和條件，加深對光的干涉現(xiàn)象的認識，同時還可以鍛煉學生的實驗操作能力，加強學生的合作與交流意識.

課堂上使用的光的干涉實驗儀器通常是“激光干涉演示儀”，該儀器不足之處是學生不能很好地觀察實驗現(xiàn)象.學生常會因為對實驗設備陌生而產生畏難心理，相反地，常見實驗器材則會無形中拉近待研究物理現(xiàn)象與學生的心理認知距離，還能激發(fā)學生的好奇心.所以，我們盡可能地選取一些生活中的常見器材，比如我們選擇激光筆作為實驗光源.實驗儀器具體如下：紅、綠激光筆各1支，白紙1張，不同縫間距的狹窄雙縫3個(雙縫間距分別為0.2 mm，0.3 mm，0.45 mm)，如圖1所示.

實驗過程的設計原則是逐步引導學生利用上述這些常見器材觀察與探索光的干涉現(xiàn)象，運用分析與綜合的方法定性認識干涉圖樣的規(guī)律，在培養(yǎng)學生科學探究精神的同時鍛煉學生的實際操作能力，從而提煉和升華學生的物理思維方法.一般而言，一個物理現(xiàn)象通常受多個因素影響，比如光的干涉條紋特征就受波長、雙縫間距、雙縫到屏的距離等諸多因素的影響.對此，我們采用分而治之的策略，使學生體驗多參數(shù)探究物理現(xiàn)象的過程，學會研究物理現(xiàn)象和規(guī)律的科學方法，提高實驗觀察能力、科學思維能力，最終提高利用已有知識經過科學推理與論證逐步解決未知問題的能力.具體過程如下.

(1)先提供一種顏色的激光筆，引導學生研究雙縫間距以及雙縫到屏的距離這兩個因素對干涉條紋的影響.在這一環(huán)節(jié)，利用諸如拆分式提問方法引導學生學會分而治之的實驗策略(即單因子實驗法或控制變量法).同時，培養(yǎng)學生基于現(xiàn)有器材來改變實驗條件的創(chuàng)新意識，比如白紙和天花板分別充當屏以改變雙縫到屏的距離等等.

(2)保持雙縫到屏的距離和雙縫間距不變，引導學生猜想波長對干涉條紋的影響以及如何加以驗證.這個過程注重引導學生如何進行科學假設和推理，以及如何通過改變實驗條件——波長(即可以通過改變激光筆的顏色來改變)來進行實驗驗證.

(3)學生通過觀察實驗，比較各個實驗條件下干涉現(xiàn)象的異同，總結并歸納得到干涉條紋的影響因素，然后各個實驗小組之間交流實驗結果并分享心得體會等.圖2～4各展示了一組實驗結果.

圖3 波長相同和雙縫間距不變，雙縫到屏的距離不同

圖4 雙縫間距和雙縫到屏的距離不變，波長不同

需要說明的是，在本環(huán)節(jié)中各個小組之間的實驗順序不必要求一樣，重在引導學生如何基于現(xiàn)有實驗器材通過控制變量法對各個影響因素依次展開探究實驗，以及如何對其總結與歸納以加深對光的干涉這一物理現(xiàn)象的認識.

2.2 定量驗證

演示實驗：定量研究干涉條紋的影響因素，驗證條紋間距公式.

通過前面的分組實驗，學生只能定性地總結出光的干涉圖樣特征及其影響因素，尚不能直接從實驗中探究出各因素之間的定量關系.物理教學中傳統(tǒng)的做法是利用幾何近似的方法定量推導出條紋間距公式，但這種方法生澀、難懂，也不符合核心素養(yǎng)的教育理念.我們應該回歸到物理的學科特點上.那么如何基于實驗定量認識干涉條紋的影響因素，如何驗證干涉條紋間距公式？我們仍然采用分而治之的策略，即控制變量法來定量驗證各個物理參數(shù)對干涉條紋的影響(由于有了前面實驗的鋪墊，學生對這種實驗策略易于接受且對相應的實驗過程也不再陌生).

關于實驗儀器，我們仍然盡量選擇那些常見且易于開展定量研究的器材：激光發(fā)射器1個(紅色)，綠色、紫色激光筆各1支，凸透鏡3個，光強分布傳感器1個，帶鱷魚夾的鐵架臺1個，不同雙縫間距的狹縫3個(縫間距分別為0.2 mm，0.3 mm，0.45 mm).儀器及實驗裝置如圖5所示.

圖5 實驗儀器及安裝好的裝置

光強分布傳感器上有一個狹長的矩形區(qū)域，沿矩形長邊分布著許多光敏感元件，各個光敏感單元得到的光照信息經過計算機處理后會在光屏上顯示出來.在光屏上顯示的干涉圖像上移動鼠標，可以得到條紋間距，從而計算波長.這種方法除了測量條紋間距之外還能直觀地看出亮暗條紋各處的光照強度.具體實驗過程與定性探究環(huán)節(jié)類似，即通過控制變量法定量驗證條紋間距公式：

(1)保持雙縫到屏的距離、雙縫間距不變，選取某一波長的激光(紅色)，通過光強分布傳感器軟件讀出相鄰條紋間距大小，并能計算出光的波長.

(2)保持激光波長(激光筆顏色)、雙縫間距不變，改變雙縫到屏的距離，得到不同的條紋間距數(shù)值，并能計算出光的波長.

(3)保持雙縫到屏的距離和雙縫間距不變，改變激光波長，得出條紋間距.實驗中筆者對傳感器組件做了改進，分別使用綠色和紫色激光筆來替換原裝紅色激光發(fā)射器.但由于這兩種顏色的激光筆能量密度較高，超出光強分布傳感器的響應閾.此時，引導學生基于現(xiàn)有條件利用已有物理知識解決目前的困境，即如何調整激光強度以適應目前的傳感器.在此，我們采取了“透鏡組擴束”的方法降低激光的能量密度，使得傳感器能夠正確顯示干涉條紋圖樣，從而準確地對條紋間距公式進行定量驗證.

(4)處理、分析實驗數(shù)據，歸納光的干涉條紋間距公式.引導學生學會分析與歸納多組實驗觀測數(shù)據并最終揭示物理規(guī)律的科學研究方法.傳感器終端軟件界面如圖6所示，其中橫坐標表示光強分布傳感器沿矩形窗口長邊的位置分布(單位是mm)，縱坐標表示傳感器接收的光強大小(單位是勒克斯)，其中的波峰、波谷分別對應干涉圖樣中的亮、暗條紋.圖6～8分別展示了一組實驗結果.

圖6 紅光，雙縫間距d=0.3 mm，雙縫到屏的距離l=0.5 m，相鄰條紋間距Δx=1.1 mm

圖7 綠光，雙縫間距d=0.2 mm，雙縫到屏的距離l=0.5 m，相鄰條紋間距x=1.32 mm

圖8 紫光，雙縫間距d=0.2 mm，雙縫到屏的距離l=0.3 m，相鄰條紋間距x=0.63 mm

這一環(huán)節(jié)，除了著重引導學生學會利用控制變量法進行一一驗證外，還要重視引導學生完成從實驗數(shù)據到物理規(guī)律的數(shù)學形式的過渡，加深對光的干涉條紋間距公式的認識，同時體驗以數(shù)學作為物理學語言的魅力所在.還需要說明的是，若條件允許，該環(huán)節(jié)亦可以設計成分組實驗，以便學生能夠體驗實驗的具體操作過程，了解先進的儀器設備的具體使用方法，同時還可培養(yǎng)實驗數(shù)據處理能力[3].另外，通過以上實驗，學生了解了傳感器的使用方法以及軟件強大的數(shù)據處理能力.由此學生會逐步建立起利用現(xiàn)代信息技術進行物理實驗的理念，并將其遷移到其他物理實驗(甚至其他學科)中，這也是利用物理實驗培養(yǎng)核心素養(yǎng)的一種行之有效的方式.

3 結束語

總結起來，在進行物理實驗設計時，我們重點關注了以下兩個方面：

(1)實驗器材選取與搭建.我們沒有選擇高度集成自動化的實驗儀器(盡管具有操作簡便等優(yōu)勢，但劣勢同樣存在：學生一般對其比較陌生，學生不宜親歷物理現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展過程，缺少參與感)，而是立足現(xiàn)有常見器材；根據實驗需求對一些簡單的器材進行重組利用，重組的過程其實就是啟發(fā)物理思維，對物理現(xiàn)象和規(guī)律的認識加深的過程；靈活選用現(xiàn)代實驗設備以發(fā)揮現(xiàn)代技術接收信號、處理數(shù)據的優(yōu)勢.

(2)實驗過程與方法.靈活選取實驗方式，如分組實驗可以培養(yǎng)動手能力，加強學生的合作與交流意識等；實驗過程中靈活設問引導學生多角度探究，培養(yǎng)學生的科學推理與論證能力，學習科學的實驗方法和分析方法(如控制變量法、歸納與總結等方法)；實驗過程中積極創(chuàng)設教學情境，利用實驗過程中遇到的問題適時引導學生通過物理知識靈活解決未知問題的能力；引導學生學會實驗數(shù)據的處理與分析方法.

一言以蔽之，從器材的選取到實驗過程的設計與實施，都應將核心素養(yǎng)和物理思維的培養(yǎng)納入其中.只有這樣，才能真正發(fā)揮出物理實驗在培養(yǎng)學生核心素養(yǎng)方面的應有作用.筆者結合自己的教學體會，對高中物理實驗教學創(chuàng)新策略及具體實施過程進行了梳理，供廣大教育同行參考，借此拋磚引玉.