“实验微课程”的构建——以“光的偏振”单元主题为例

桑蕊蕊 张皓晶 张 雄 刘 俊 王碧鸿 李 肖

(1. 云南师范大学物理与电子信息学院,云南 昆明 650500； 2. 云南师范大学实验中学，云南 昆明 650500)

构建中学物理“实验微课程”,即以微型教学视频为主要载体,利用较短的时间(不超过10min),针对某一中学物理实验知识点(如重点、难点、疑点、考点)或实验教学环节(如学习活动、主题、实验、任务等)而设计开发的情景化、支持多种学习方式的新型在线网络视频课程.[1]其表现为一种新的信息类课程资源开发形式.“实验微课程”的设计形式符合网络时代学习者的注意力模式以及碎片化学习习惯,满足学生个性差异化学习以及自主学习的需求,且其利用网络传媒进行传播,满足网络时代中学生的移动化学习要求.其强调学生在学习过程中的主体性,关注学生对于知识的自主构建,更加注重学生对于知识的看法.这样的学习过程有利于学生明确学习目标,提升物理思维能力,使学习过程完全由学生主动推进.中学物理“实验微课程”不仅可以作为课前学习资源、课中补充资料以及课后复习资料,亦可作为学生的自测评价系统,识别当前中学生的前概念和思维水平,使其思维向更加精熟化的方向发展.

1 中学物理“实验微课程”构建原则

为了实现中学生最大化的“在学习”以及“真学习”,笔者以华东师范大学崔允漷教授提出的学历案(即:一种“微课程”方案)作为物理“实验微课程”的构建原则.崔教授指出:[2]学历案是关于学习经历或过程的方案,是教师在班级教学情景下,围绕某一具体学习单位的主题、课文或单元,从期望学会什么出发,设计并展示中学生何以学会的过程,以便学生自主建构或社会建构经验、知识的专业方案.“学历案”(实验微课程方案)主要由6个方面构成:[3](1) 确定学习的主题单元; (2) 确定学习目标; (3) 进行评价任务; (4) 确定学习过程; (5) 对学生的学习效果进行检测以及布置作业; (6) 学后反思.其是对泰勒目标模式的发展,强调目标在学习过程中的中心地位以及评价在教学过程中的作用.同时又是对泰勒模式的改变,强调学生在课程学习过程中的主体性,并且使得评价贯穿于整个学习活动中,体现学习进阶的思想,符合核心素养对培养中学生思维能力的要求.

基于学历案的物理“实验微课程”设计主要包括两种类型:自学微课程(学生能够独立自主完成学习)、助学微课程(师生以及小组合作完成学习).同时在每个微课程最后引导学生进行自测,促使学生真学习.实验微课程通过视频再造教育,更直接地提升学生的学习力.其将原课程按照学生学习规律,分解成为一系列具有目标、任务、方法、资源、作业、互动与反思等在内的主题学习元,从而构成微课程体系.利用Camtasia studio等录屏软件进行微课程录制,保证powerpoint、音频以及实验录像的同步展现.实验微课程对学生而言,可以有一个自定进度的学习,即按照自己的步骤、节奏学习,可以暂停、倒退、重播,有利于根据个人情况完成学习,夯实基础,有助于学生自主构建知识,实现真学习的目标.

同时将实验微课程引入课堂,使得学习知识在课堂,内化知识在课外的传统学习模式转变为学习知识在课外,内化知识在课堂的新型翻转学习模式.并且使得物理实验更加清晰化、直观化,避免演示实验的失败导致学生错误前概念的形成.教师不再独自演完剧本,而是从期望学会什么出发,设计任务单—准备“实验微课程”—设计课堂学习形式—解答迷惑.学生有更多的时间,在课前按照自己喜欢的学习方式,根据微课程的任务要求完成部分探究过程,课堂上则围绕核心问题在互动基础上,进行剩余的较为深刻的探究活动.[4]

2 “光的偏振”实验微课程一体化构建

“光的偏振”是人教版高中物理教材选修3-4的一节课程,授课对象主要为高三理科生,它是建立在中学生了解光的反射、折射、散射以及衍射原理的基础上对光的性质的进一步探索.高中物理实验室没有光的偏振演示仪,学生很难理解偏振现象,而通过物理实验微课程对偏振现象进行动态展示,能够更好地促进学生对知识的理解.学生已经对光的波动性有了初步的认识,并且具备科学探究的基本能力.因此本实验课程的目的不仅是对光的性质的进一步探索,还是对光的基本性质的复习巩固,以形成完整的物理知识框架以及完善的思维方式.基于学情、目标以及主题单元内容分析,本主题共设置两个学习元“微课程”,学习元1(自学微课程):以3D偏振电影为基础解释偏振现象;学习元2(助学微课程):用偏振片验证伪全息实验.具体课程目标(课程任务单): (1) 知道光波是横波,掌握自然光、偏振光的概念; (2) 知道反射光是部分偏振光; (3) 知道3D偏振电影的制作和观看原理; (4) 掌握偏振片的作用、偏振以及全息技术的原理; (5) 了解光的偏振现象在生活和科学技术中的重要应用,通过“光的偏振现象”的实验探究,培养严谨的物理思维能力,体会科学知识的使用价值; (6) 学会实验探究的思维过程.整个课程开发基于对中学生学情的分析以及最近发展区的把握,六个课程目标环环紧扣,任务驱动,导学一体,从而实现中学生核心素养的提高和物理思维能力的发展.

2.1 学习元1:以3D偏振电影为基础解释偏振原理

通过物理知识来培养学生的思维能力,使物理思维与生活实际相联系,就要使学生意识到物理知识在生活中的用途.这就要求在课堂中渗透科普知识,加强物理知识与现代技术和社会现象的联系.本学习元微课程为自学微课程,学生自主学习完成,主要以“3D偏振电影”为基础解释偏振原理.

图1 3D视频重影展示

首先,视频展示没有佩戴偏振眼镜的情况下,观看3D偏振电影,只能观看到模糊不清的两个重影(如图1所示),而展示佩戴偏振眼镜时,能看到清晰的3D电影,引起学生思考3D电影制作原理.

图2 双眼立体视觉原理

其次,视频动画展示3D电影是根据双眼立体视觉原理所制作的成品.由于两只眼睛有一定的距离,因此在观看物体时,两只眼睛观看到的物体会有细微的差别,人脑就会区分出物体的前后、远近,从而辨别出物体的深度和维度,在大脑中产生立体的效果(如图2所示).[5]微课程展示在拍摄3D电影时,两台摄像机相当于人的两只眼睛,拍摄到有细微差别的两条电影影片.放映时,两条影片分别放入两台放映机中,放映机前放置偏振轴互成90°的两片偏振镜,佩戴相同偏振方向的偏振眼镜即可看到3D影片效果(如图3所示).放映机发出的光(横波)通过某一偏振方向的偏振片(作为起偏器)后,即变成沿单一方向振动的偏振光,其能通过与起偏器偏振方向一致的偏振眼镜(作为检偏器),但不能通过与起偏器偏振方向垂直的偏振眼镜(如图4所示,注:图4为视频动画的截图).偏振眼镜由两片偏振轴互相垂直的偏振片制作而成,因此佩戴偏振眼镜时,左右眼分别只能观看到一个放映机所放出来的影片.左眼和右眼看到不同的画面,而这两个不同的画面是模拟现实中左右眼应该看到的相应的画面,因此观看者会有看3D场景的感觉.

图3 3D偏振电影放映示意图

最后,引导学生进行评价,评价的本质应是基于学生思维发展的问题的提出和解决.[6]通过学习元1的学习,学生能够更直观形象地认识偏振电影的制作原理,同时利用动画效果展现偏振光分别通过偏振轴互相垂直的两偏振片后的传播状态,使学生形成正确的概念理解.引导学生通过“出声思维”的方式检验完成任务后是否实现“光的偏振”单元主题所要求达到的目标,并指出整个学习过程经历到了什么,以及对于哪方面的思考还有所欠缺.以此加深中学生物理思维的深度,培养学生的批判性思维.

图4 偏振光分别通过偏振轴互相垂直的两片偏振片

2.2 学习元2:用偏振片验证伪全息实验

培养中学生的思维能力,需要调动其思考的积极性.本学习元为助学微课程,它是在学习元1的基础上对“光的偏振”主题单元的进一步探索.通过视频,呈现利用偏振片探究伪全息现象的形成原理,引导师生进行实验假设及验证,促使中学生进行深度思考.

伪全息视频现象的呈现有很大的外界条件限制,比如需要有足够暗的光线条件,而现实的授课中,由于环境限制,不能呈现完美的伪全息视频现象.且只有在正方向观看自制教具的金字塔立体结构时,才能看到清晰的伪全息视频现象.因此,在课堂中展示时,不容易把控课堂节奏且不能调动所有人的课堂积极性,而微视频却可以完美呈现实验效果.

首先向学生展示春节晚会中李宇春在《蜀绣》中4人同唱的舞台效果,以及编辑处理过的自制“全息投影”视频动画(如图5所示).放大镜头让同学看到视频外侧的道具(如图6所示),引导学生思考“3D”视频现象的形成原理,并向学生展示自制教具.自制教具是使用4个透振方向一致的梯形偏振片组成一个金字塔形立体结构(如图7所示),用手机或者平板电脑下载“全息视频”,视频的每一帧主要由4个对称的图片组成(如图8所示),将金字塔形立体结构的上底黏贴在4个对称的图片正中央(如图9所示),播放视频即可观看到全息的效果.(如果是5寸的手机,建议梯形偏振片的上底长1cm,下底长6cm,高3.5cm;8寸-10寸的手机,建议梯形偏振片的上底长2cm,下底长12cm,高7cm.[7])

图5 “全息投影”3D视频展示

图6 “全息投影”3D呈像展示

图8 全息视频每一帧的平面图像组合

其次介绍全息投影、光的偏振原理以及偏振片的作用.全息图本身就是一张曝光和显影的照相乳剂,它用一种特殊的方式记录了被摄物体反射或者透射光波中的全部信息,包括振幅和相位,当全息图被正确照明时,观众从任何角度都可以看到一个真实的3D图像,当将全息图分割成多个部分时,每个部分都包含着整体的振幅相位信息.[8]而光的偏振即为振动方向对于传播方向的不对称,它是横波区别于纵波的明显标识.偏振片可以使自然光变成偏振光,即光在垂直于传播方向的平面上,只沿某一特定方向振动.随即对“3D”视频现象的形成原理进行假设: (1) 全息投影; (2) 光的折射; (3) 光的反射.

紧接着,进行假设检验.提示学生从全息投影的概念上来讨论假设1的正确性.引导学生以自己的思维分析解释“3D”视频现象的形成原理,由此锻炼其思维的深刻性以及批判性.由于全息投影的图像从任何一个角度都可以看到完整的图像信息,而本实验观测到的“3D”视频现象只能从前后左右4个方向观测,而且只有在正前、正后、正侧,即正对着各个梯形偏振片的方向,才能观测到“真实”的“3D”视频现象,所以推翻假设1,即所呈现的“3D”现象并非全息投影.

再次,用4片与原来组成金字塔形立体结构的梯形偏振片大小形状相等、偏振方向相反的偏振片来验证假设2和假设3.如图10所示: (1) 将一片新拿出来的偏振片黏贴在金字塔左侧的等大偏振片上,此时上下左右4个方向都可以观察到“3D”现象,而且从左侧能观测到更清晰的“3D”现象; (2) 将第二片偏振片黏贴在金字塔右侧的等大偏振片上,此时上下左右4个方向都可以观察到“3D”现象,从左侧和右侧能观测到更清晰的“3D”现象; (3) 将第3片偏振片黏贴在金字塔后侧的等大偏振片上,此时上下左右4个方向都可以观察到“3D”现象,从左、右侧以及后侧能观测到更清晰的“3D”现象.前3个步骤完成后引导学生思考,左、右、后方都没有光透过,但前侧依然能观察到“3D”现象,因此前侧的视频现象不可能是左右侧以及后侧屏幕上小人的折射图像,推翻假设2; (4) 将第4片偏振片黏贴在金字塔前侧的等大偏振片上,此时上下左右4个方向都可以观察更加清晰的“3D”视频现象,以此证明,“3D”现象是由于光的反射所产生的图像(图11为其光路示意图),即假设3正确.

最后,师生合作重演实验并且进行评价自测.对于探究性物理实验学习元,不仅提供助学微课程,而且要引导师生在实验微课程的基础上动手进行实验操作,让学生经历学习的过程.与其直接训练思维能力与社会能力之类的素养和能力,不如优先设定有助于自发地产生思维与沟通互动的情景的设计.[9]从而深化学生对于偏振光的理解,使其能够运用偏振片的原理来解决实际问题.而评价是学生监测自我学习的一种方式,学生自主对提出假设、进行验证、推理分析的物理思维方式进行梳理,检验完成微课程以及合作探究学习后是否实现单元主题任务要求,以此提高学生思维的深刻性以及灵活性.

图10 步骤(1)、(2)、(3)、(4)的原理示意图

图11 光路示意图

图12 步骤4后的全息视频3D图像

3 总结

美国教育技术CEO论坛第3度报告明确指出:“培养21世纪的能力素养,学校必须将数字化内容与学科课程相整合”.而物理实验微课程正符合数字化教学的趋势并且提供了一种翻转课堂的教学模式.其不仅可以建构丰富的、反思性的学习情境,而且为中学生的自由探索创造机会.同时,教师成为科学探究的共同参与者,而非教学活动的设计者.[10]微课的价值和贡献一方面在于它能在短时间内高质量地传递出精华内容,另一方面也在于它能引发学习者的深度思考.[11]不仅促使学生物理观念的深化,而且有意识地培养中学生的逻辑思维能力,使学生成为课程与教学的主体,让学生获得学习的自由,使其真正地学习物理知识,经历物理活动.知识不可以生产知识,而思维却可以对知识进行新的构建,从而生成新的知识.因此,只有注重

培养中学生的思维能力,才能实现从生活走向物理,从物理走向生活的目标;才能促进中学生综合能力的提升;才能使得中学生成为独立自主的学习者,真正回答“钱学森之问”.

1 胡铁生,黄明燕,李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志,2013(4):36-42.

2 崔允漷.学历案:学生立场的教案变革[N].中国教育报,2016-06-09(006).

3 卢明,崔允漷.教案的变革:基于课程标准的学历案[M].上海:华东师范大学出版社,2016.

4 洪进步,于海波.翻转模式下的物理课堂转型:再论科学探究——以阿基米德原理为例[J].中学物理教学参考,2015,44(12):10-14.

5 张桃英.3D电影“新视界”[J].数理天地:高中版,2011(5):45-46.

6 楼卫琴.从案例教学关键环节看批判性思维培养——兼评“‘谢克特案’视角下的罗斯福新政教学设计与实施”[J].中学历史教学参考,2015(10):24-27.

8 J E Kasper，S A Feller.The Complete book of holograms:how they work and how to make them[M].New York:Dover,2001.

9 钟启泉.基于核心素养的课程发展:挑战与课题[J].全球教育展望,2016,45(1):3-25.

10 肖思汉,W A Sandova1.如何将科学探究的主体还给学生如何将科学探究的主体还给学生——基于课堂互动分析的经验研究[J].课程·教材·教法,2014,34(7):48-54.

11 吴海娜,王旗,陈肖慧,易光宇,公卫江.MOOCs浪潮中高校大学物理实验微课程的教学设计及实践研究[J].大学物理实验,2017,30(1):246-248.