代 芮 陳 開(kāi) 閆愛(ài)民

(上海師范大學(xué)數(shù)理學(xué)院 上海 200234)

1 引言

作為高中物理課程的重要板塊之一，實(shí)驗(yàn)課是培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的優(yōu)質(zhì)載體.提升高中物理實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量、注重實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的啟發(fā)性、加強(qiáng)理論知識(shí)與實(shí)際生活的聯(lián)系是值得教育者關(guān)注的問(wèn)題.然而由于課程負(fù)擔(dān)、學(xué)業(yè)壓力等多方面因素，傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)以原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，課堂上通常采用教師演示、學(xué)生觀察的灌輸式模式教學(xué)，作為學(xué)習(xí)主體的學(xué)生仿佛游離于實(shí)驗(yàn)之外，參與度大打折扣，不利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新思維.PBL(Problem-based learning)教學(xué)模式就是“以問(wèn)題為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)”，它最早誕生于北美各大學(xué)醫(yī)學(xué)院的教學(xué)模式改革.1980年，美國(guó)的巴羅斯和泰姆萊恩在他們出版的《問(wèn)題式學(xué)習(xí)——一種醫(yī)學(xué)教學(xué)方式》一書(shū)中闡述了PBL教學(xué)模式的主要思想，它是一種以問(wèn)題為基礎(chǔ)，以學(xué)生為主體，以教師為導(dǎo)向的小組討論式的教學(xué)方法，精髓在于發(fā)揮問(wèn)題對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程的指導(dǎo)作用，進(jìn)而達(dá)到學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)、解決問(wèn)題、完成預(yù)定目標(biāo)的目的[1].PBL教學(xué)法目前廣泛應(yīng)用在各種不同的學(xué)習(xí)情境之中，得到了諸多領(lǐng)域的認(rèn)可[2～9].

文獻(xiàn)[4]對(duì)翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)價(jià)，認(rèn)為翻轉(zhuǎn)課堂結(jié)合PBL教學(xué)法從根本上改變了教學(xué)實(shí)踐，優(yōu)化了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，提高了學(xué)習(xí)效率.文獻(xiàn)[6]通過(guò)教學(xué)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，PBL教學(xué)模式對(duì)學(xué)生在物理學(xué)習(xí)興趣、提問(wèn)意識(shí)、回答和解決問(wèn)題的準(zhǔn)確度以及公開(kāi)發(fā)表個(gè)人見(jiàn)解4個(gè)維度的能力都有不同程度的促進(jìn)作用.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，文獻(xiàn)[7]針對(duì)傳統(tǒng)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式對(duì)學(xué)生自主探究精神和創(chuàng)造力培養(yǎng)的欠缺，提出了一套把PBL與大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)條件相結(jié)合的教學(xué)方法.文獻(xiàn)[8]將PBL教學(xué)模式遷移到物理課程中，提出了PPBL(Physics problem based learning)教學(xué)方法，主要研究的是光學(xué)課程中應(yīng)用的PPBL教學(xué)模式，針對(duì)物理專(zhuān)業(yè)本科教育中傳統(tǒng)的“知識(shí)講授型”教學(xué)模式所導(dǎo)致學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新能力不足的根本問(wèn)題，提出了解決方案.

本文以建構(gòu)主義為理論依據(jù)，運(yùn)用PBL教學(xué)法進(jìn)行了有關(guān)LED光源特征參數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，主要針對(duì)在學(xué)習(xí)光學(xué)以及光譜相關(guān)知識(shí)的高中生或者大學(xué)生，希望把難度較高的物理科學(xué)知識(shí)通過(guò)結(jié)合生活實(shí)際、科學(xué)問(wèn)題導(dǎo)引、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、課后反思等教學(xué)手段化難為易，讓學(xué)生在掌握科學(xué)知識(shí)的同時(shí)開(kāi)拓眼界，激發(fā)對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，從而提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)背景

建構(gòu)主義是在行為主義、認(rèn)知主義后的又一學(xué)習(xí)理論，其代表人物布魯納認(rèn)為學(xué)生在學(xué)習(xí)中的發(fā)現(xiàn)可以對(duì)學(xué)生產(chǎn)生影響.根據(jù)建構(gòu)主義的觀點(diǎn)，學(xué)生的學(xué)習(xí)屬于主體對(duì)客觀事物的主動(dòng)建構(gòu)過(guò)程，是以已有的經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)與外界的相互作用來(lái)構(gòu)成新的理解.在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，教育模式逐漸革新.PBL教學(xué)模式也是受建構(gòu)主義思潮影響而發(fā)展起來(lái)的.

PBL教學(xué)模式具有問(wèn)題性、探究性、自主性、合作性的特征[1～3].從活動(dòng)結(jié)構(gòu)上看，目前實(shí)踐者們公認(rèn)的是由巴羅斯系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和過(guò)程.后來(lái)隨著實(shí)踐的不斷推進(jìn)與深化，麥羅·希爾把問(wèn)題式學(xué)習(xí)歸納為七步驟組成的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，第一步是教師向?qū)W生展示問(wèn)題情境，然后學(xué)生在問(wèn)題情境中鑒別事實(shí)、提出問(wèn)題、進(jìn)行分析.在學(xué)生把問(wèn)題理解透徹之后，就順其自然地提出關(guān)于問(wèn)題的假設(shè)，這時(shí)學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)自己目前的知識(shí)不足以解決問(wèn)題，于是步入自主學(xué)習(xí)階段.經(jīng)過(guò)自主學(xué)習(xí)后，學(xué)生運(yùn)用獲得的新知識(shí)對(duì)他們之前確立的假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，這就是解決問(wèn)題的過(guò)程.最后，學(xué)生對(duì)他們?cè)谡麄€(gè)過(guò)程中獲得的知識(shí)進(jìn)行概括和總結(jié).

我們發(fā)現(xiàn)在PBL教學(xué)活動(dòng)結(jié)構(gòu)中，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀察，根據(jù)已有的資料和工具進(jìn)行學(xué)習(xí)、探索，對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論與思考、假設(shè)和驗(yàn)證，也就是進(jìn)行意義的建構(gòu).這和目前高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)期望的學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程不謀而合.因此本文以建構(gòu)主義思想為理論指導(dǎo)，進(jìn)行PBL教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

3 PBL教學(xué)模式下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)

3.1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

發(fā)光二極管，簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)ED，是一種常用的發(fā)光器件.它通過(guò)電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光，可高效地將電能轉(zhuǎn)化為光能，在現(xiàn)代社會(huì)具有廣泛的用途，如照明、平板顯示、醫(yī)療器件等.LED的光學(xué)參數(shù)主要有光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、波長(zhǎng)等，尤其是發(fā)光強(qiáng)度的空間分布和光譜分布是實(shí)際應(yīng)用中人們普遍關(guān)心的參數(shù).因此，本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生了解LED的發(fā)光原理，掌握測(cè)量LED發(fā)光強(qiáng)度空間分布特性的方法，鍛煉學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ囵B(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維.

3.2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方案

基于PBL教學(xué)法的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)流程，如圖1所示，包括3個(gè)環(huán)節(jié): 課前、課中和課后.

(1)設(shè)置情境，提出問(wèn)題

教師在課前需要預(yù)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，這是對(duì)實(shí)驗(yàn)的類(lèi)別、目的、操作步驟和結(jié)果進(jìn)行預(yù)先估計(jì)的過(guò)程.常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)類(lèi)別有驗(yàn)證類(lèi)實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、儀器使用訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)等.本文采用的實(shí)驗(yàn)屬于具有一定科普性質(zhì)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)測(cè)量LED燈珠的發(fā)光角特性測(cè)量，并用光譜測(cè)試儀測(cè)出LED光源的光譜，即光源的顏色進(jìn)行精確判斷，進(jìn)而讓學(xué)生對(duì)LED的光學(xué)性質(zhì)有更加深入的了解，在此基礎(chǔ)上教師可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖灾髟O(shè)計(jì)和探究.

LED燈珠屬于常見(jiàn)光源，學(xué)生在日常生活中對(duì)LED并不陌生.確定實(shí)驗(yàn)類(lèi)別和實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮?，教師在課前要向?qū)W生進(jìn)行“預(yù)告”，讓學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)的方式對(duì)實(shí)驗(yàn)涉及的未知概念進(jìn)行調(diào)研.教師可以利用漸進(jìn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和控制變量的思想，讓學(xué)生能由淺入深、由易到難、系統(tǒng)地歸納LED的發(fā)光特性.基于PBL教學(xué)模式提倡以問(wèn)題為核心的思想，教師應(yīng)為實(shí)驗(yàn)設(shè)置相關(guān)的情境和具有探究可行度的問(wèn)題.

問(wèn)題1：“LED燈珠在各個(gè)方向上發(fā)光強(qiáng)度有區(qū)別嗎？”

問(wèn)題2：“不同LED燈珠的偏差角會(huì)有不同嗎？是否存在沒(méi)有偏差角的LED呢？”

問(wèn)題3：“生活中常見(jiàn)的LED組成的燈組都是五彩斑斕的，不同顏色的LED其光譜分布會(huì)有哪些不同呢？你能用已知的不同色光對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍預(yù)判光譜分布的形態(tài)嗎？”

問(wèn)題4：“不同電壓下的同一LED燈珠，其偏差角會(huì)有不同嗎？如何測(cè)量偏差角?”

問(wèn)題5：“環(huán)境中的雜散光是否對(duì)測(cè)量LED角度特性和光譜特性產(chǎn)生了影響呢？如何盡量減少這種影響？”

(2)合作討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)課上，學(xué)生將運(yùn)用自己已有的知識(shí)，對(duì)提出的問(wèn)題進(jìn)行分析，界定探究方向.在這一過(guò)程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)自身知識(shí)的不足.這時(shí)就需要在教師的幫助下，通過(guò)小組合作的方式自主學(xué)習(xí)，獲取新知識(shí)，然后運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決之前確定的問(wèn)題.因此，教師應(yīng)幫助學(xué)生了解儀器原理和使用方法.即在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，學(xué)生需要熟悉LED發(fā)光角度特性測(cè)試儀，知道它的各個(gè)部件如何安裝和校準(zhǔn).明確何時(shí)光軸與機(jī)械軸重合，以及怎樣測(cè)量機(jī)械軸與光軸之間存在的偏差角，并從偏差角的測(cè)量方法展開(kāi)對(duì)半發(fā)光強(qiáng)度角的測(cè)量.對(duì)于LED光譜測(cè)試儀，學(xué)生需要利用計(jì)算機(jī)軟件直接進(jìn)行光譜采集.當(dāng)更換不同顏色LED時(shí)，采集到的光譜也各有不同.峰值波長(zhǎng)和光譜帶寬等參數(shù)可以直接從軟件中獲取.

對(duì)于上文展示的5個(gè)問(wèn)題示例，教師應(yīng)允許學(xué)生自行討論和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方式.比如在進(jìn)行LED角度特性測(cè)量的時(shí)候，學(xué)生可以用同一LED燈珠在不同電壓下做幾組實(shí)驗(yàn)，對(duì)比偏差角是否有不同；對(duì)于LED光譜，學(xué)生可以在已知燈珠顏色的情況下對(duì)LED發(fā)光光譜分布進(jìn)行預(yù)判和猜想，然后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證猜想，對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和猜想的相同與差異等.本環(huán)節(jié)教師要注意開(kāi)放式討論的應(yīng)用，要利用自身的知識(shí)背景，對(duì)學(xué)生討論的方向進(jìn)行適時(shí)的引導(dǎo).教師可以對(duì)學(xué)生討論提出的科學(xué)問(wèn)題大膽拓展，而并不局限于物理問(wèn)題本身.這也是激發(fā)學(xué)生物理興趣的途徑之一.

(3)總結(jié)實(shí)驗(yàn)，聯(lián)系實(shí)際

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師指導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)科學(xué)規(guī)律.并且引導(dǎo)學(xué)生反思實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)討論得出的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是否存在可以改進(jìn)的地方等.除此之外，教師可以對(duì)LED的應(yīng)用進(jìn)行拓展，發(fā)揮本實(shí)驗(yàn)具有的科普性質(zhì)，增加理論知識(shí)與生產(chǎn)生活的聯(lián)系.

3.3 實(shí)驗(yàn)原理

LED發(fā)光強(qiáng)度的空間分布特性是指器件發(fā)射出的光強(qiáng)IV與空間方向角θ的函數(shù)關(guān)系[10]

IV=f(θ)

θ一般取為機(jī)械角，定義為器件幾何尺寸的中心線或法線為其零度角，如圖2(a)所示.在實(shí)際應(yīng)用中，由于LED封裝工藝問(wèn)題可能使LED存在發(fā)出光強(qiáng)度最大的方向與機(jī)械軸不重合，產(chǎn)生如圖2(b)所示的偏差角Δθ.

圖2 LED發(fā)光的角度分布

實(shí)驗(yàn)儀器采用LED發(fā)光角特性測(cè)試儀，如圖3所示為測(cè)量LED發(fā)光角度特性的實(shí)驗(yàn)原理圖[10]，PD為硅光電池，通過(guò)光電轉(zhuǎn)換測(cè)量光的強(qiáng)度，在儀器上顯示為電壓值.圖中的3道光欄與硅光電池構(gòu)成一個(gè)空間立體角，空間立體角的軸線是固定的，記為PD軸.LED發(fā)光管的機(jī)械軸由其外形尺寸決定，夾持器具將其機(jī)械軸與PD軸共軸.LED發(fā)出的光只有進(jìn)入到標(biāo)準(zhǔn)立體角內(nèi)的部分才能被硅光電池PD所接收.當(dāng)安裝在夾具上的LED燈發(fā)出的光沿z軸最大時(shí)表明它的光軸與機(jī)械軸重合，轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)度盤(pán)使度盤(pán)刻度為0，觀察并讀出輸出電壓值.然后再轉(zhuǎn)動(dòng)度盤(pán)，邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊讀輸出電壓，當(dāng)數(shù)字輸出電壓的示值達(dá)到極值Um時(shí)停止，記錄此時(shí)度盤(pán)的角度αm，通過(guò)計(jì)算可求得LED的光軸與機(jī)械軸的偏差角Δθ.

圖3 LED發(fā)光角度特性測(cè)量原理圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(1)LED發(fā)光強(qiáng)度的空間分布特性測(cè)量

將LED正確接入安裝底座并打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，通過(guò)電流調(diào)節(jié)旋鈕使電流不超過(guò)20 mA并不再改變，轉(zhuǎn)動(dòng)LED夾具直到電壓表讀數(shù)最大時(shí)旋緊.表格中的輸出電壓是光電探測(cè)器接收到LED發(fā)出的光后輸出的電壓值.對(duì)于偏差角Δθ的測(cè)量，先轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)度盤(pán)使度盤(pán)刻度為0，此時(shí)電壓值對(duì)應(yīng)的是機(jī)械軸處的電壓，即表中的U1；然后轉(zhuǎn)動(dòng)度盤(pán)，轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)觀察輸出電壓，當(dāng)輸出電壓達(dá)到最大值時(shí)，記錄此時(shí)輸出電壓為Umax，此時(shí)度盤(pán)對(duì)應(yīng)的角度為αm，即光軸與機(jī)械軸之間的偏差角Δθ=|αm|.本實(shí)驗(yàn)測(cè)出的偏差角為3°，如表1所示.

表1 LED發(fā)光角特性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

(2)LED光譜分布測(cè)量實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用光譜測(cè)試儀測(cè)試LED燈珠的光譜分布.首先將裝有待測(cè)LED的燈座安裝在光譜儀左側(cè)的可調(diào)狹縫前，將LED燈座電源線接入插孔，開(kāi)啟電源總開(kāi)關(guān)，使之通電，這樣就安裝好了測(cè)量系統(tǒng).

光譜測(cè)試儀是利用LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)狹縫入射到反射光柵上，經(jīng)反射分光后產(chǎn)生多色光帶光譜，再經(jīng)過(guò)凹面反射鏡匯聚到CCD上，最后將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，呈現(xiàn)譜圖[10].將計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用Origin Pro軟件作圖如圖4～6所示.

圖4 紅光LED光譜

圖5 藍(lán)光LED光譜

圖6 綠光LED光譜

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試了紅色、藍(lán)色和綠色3種LED燈珠的發(fā)光光譜.在光譜測(cè)試軟件上，通過(guò)標(biāo)注功能可獲取譜線上特定點(diǎn)的數(shù)據(jù)值，橫坐標(biāo)表示波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)表示歸一化強(qiáng)度.相對(duì)光強(qiáng)最大值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為L(zhǎng)ED發(fā)光的中心波長(zhǎng)，3個(gè)LED的中心波長(zhǎng)如表2所示.

表2 LED光譜測(cè)試儀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 總結(jié)

本文以建構(gòu)主義為理論基礎(chǔ)，結(jié)合PBL教學(xué)法進(jìn)行了LED光源角度特性參數(shù)和光譜分布的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)提出科學(xué)問(wèn)題、合作探究、總結(jié)反思等途徑，理解科學(xué)知識(shí)，擴(kuò)展思維眼界，達(dá)到理論與實(shí)際相結(jié)合、提升學(xué)生物理學(xué)科素養(yǎng)的目的.本教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容豐富，具有一定的科普價(jià)值，能充分培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和探究能力.