以提高科学素养为目标的探究式物理实验教学设计

　　原创 段秀铭 易志军 等 物理与工程

　　摘 要

　　科学素养主要涵盖科学知识、科学的研究过程和方法、科学品质三个方面，提升大学生科学素养是大学教育的重要任务之一。以金属线膨胀系数测定实验为例的探究式课堂教学设计紧紧围绕科学素养的三个方面，以引导式问题驱动为主，对“实验项目的引入，实验方案设计，仪器调试，实验现象的理论猜想”等环节添加情境设计，通过设问和猜想，激发了学生学习兴趣，诱发学生思考，有效提升了学生的科学素养。其他学科类实验，均可以以此实验教学设计思路为借鉴，打造有特色的自主研究式实验课堂，培养学生的科学思维能力及提高科学素养。

　　关键词 科学素养；金属线膨胀系数；探究式；问题驱动

　　Abstract Scientific literacy mainly includes three aspects: scientific knowledge, scientific research process and methods, and scientific quality. Improving college students' scientific literacy is one of the important tasks for the university education. Taking an example of the measurement of metal linear expansion coefficient, the corresponding inquiry classroom instruction design is centered on the three aspects of scientific literacy. The students' scientific literacy can be effectively improved by mainly using the heuristic problem driven, adding scene design to the process of “the introduction of the experiment project, experiment design, equipment debugging, theoretical conjecture of experiment phenomenon”, and stimulating the students' learning interest and actively thinking through the rhetorical questions and guess. Experiments in other disciplines can use this experimental teaching design as a reference to create a characteristic independent research experimental class, foster students' scientific thinking ability, and improve scientific literacy.

　　综合国内外学者机构的探讨，可以将科学素养概括为科学知识、科学的研究过程和方法和科学品质三个方面[1]。提升全民科学素养是创新型社会发展的必然要求，提升大学生科学素养是大学教育的核心目标[2]。物理实验课是培养学生科学思维和创新意识、提高学生分析与创新能力的课程[3-10]，通过启发、引导，实现探究过程，可以有效提高学生的科学素养。

　　传统的物理实验课教学模式，主要以教师讲解演示为主，学生缺少对实验方法的思考和探索过程，课堂沉闷，学生被动接受成分较重。学生在传统实验课堂的表现有如下问题：思维懈怠，缺乏主动学习兴趣，经常有学生将仪器螺丝松动问题报告为仪器故障，偶尔会想当然的编造实验数据，而实际数据并非想象。对于实验为什么那样设计没有深入理解，是一种被灌输学习状态，导致后续学习过程中，不善于用学过的知识分析问题解决问题。灌输式教学对学生科学素养的培养提高收效甚微，无益于对学生创新能力的培养。

　　金属线膨胀系数测定实验是大学物理实验中的一个比较基础的实验，教学目的主要是教授给学生一种测量微小物理量的实验方法——光杠杆放大，通过此方法，进而测得金属的线膨胀系数。实验操作过程中，对光杠杆的调节是实验的难点。如果该实验完全通过老师从原理到操作讲述给学生，将是很枯燥的一堂课。围绕上述教学目的，基于对学生科学素养的培养和提高，我们将该实验教学合理设计，以问题驱动推动探究式学习进程，将课堂打造成一堂以学生为中心的探究课。

　　1 金属线膨胀系数测定实验原理

　　1.1 线膨胀系数定义

　　膨胀系数是表征物体热膨胀性质的物理量，即表征物体受热时其长度、面积、体积增大程度的物理量。膨胀系数分为线膨胀系数、面膨胀系数、体膨胀系数三种。线膨胀系数描述的是物体在温度发生变化时其长度变化与温度变化之间关系的物理量。

　　不同材料随温度变化呈现不同的膨胀变化趋势，大部分材料会呈现随温度上升而膨胀的正向变化，但也有材料会出现随温度上升而收缩的负向变化，比如铁电化合物 PbTiO3，甚至有材料会出现零变化，比如 Mn3 Cu0.5 Ge0.5 N。现以正向变化为例给出如图 1 的示意图。图中温度 t1℃时金属棒长度为 L1，当温度增加到 t ℃，金属棒伸长到 L。实验中发现，棒的伸长量 ΔL 与原长 L1、温差 t - t1 ( Δt ) 有如下关系

　　其中，α 为线膨胀系数。α 大小不仅与材料相关，也与温度有关。当 Δt→0 时，

　　，称 α 为温度 t1 时的线膨胀系数；当 Δt 相对较大时，

　　，其含义为温度变化 1℃时，棒长度的相对变化量，此时称 α 为某材料在 t - t1 温度区间内的平均线膨胀系数，工程上计算一般只需要某温度区间的线膨胀系数。实验中将探讨测量铜管某一温度区间的线膨胀系数。

　　

　　1.2 光杠杆放大测微小量

　　实验中铜管因热膨胀产生的长度变化量是很微小的，故采用光杠杆放大法测量。图 2 为平面镜和线膨胀仪放置关系图，平面镜下有三个支撑足尖（b1、b2、b3），其中 b3 与铜管上端接触，另外两足尖置于线膨胀仪盖板上。图 3 为光杠杆原理图，图中 M 代表平面镜，在温度 t1 时，通过望远镜所见平面镜中标尺像读数为 l1，将铜管加热到 t2，铜管长度变化 ΔL，则平面镜 M 将转过 θ 角度到 M′ 位置，对应的望远镜中标尺读数为 l2，由图中几何关系可以近似得到

　　则

　　其中，b 为 b3 与 b1b2 所在直线的垂直距离；D 为镜面到标尺的距离。

　　

　　

　　2 教学环节设计

　　首先明确科学素养的内涵，然后建立与之相对应的教学设计规划，如表 1 所示。根据对应关系，对教学环节进行加工，确保课程设计的系统性。

　　

　　2.1 实验项目的引入设计

　　实验研究的意义，应该是和生产生活息息相关。生产生活中的一些和所研究的实验项目相关的现象是很好的课程切入点。

　　线胀系数是源于热胀冷缩影响而衍生出来的物理量。在该实验中，对学生就生活中的现象进行提问：为什么桥上的路面会留有缝隙？为什么我们在坐普通的绿皮火车的时候，几乎每隔一定时间都会出现“咣当”声？

　　部分学生可能知道上述问题的原因，源于热胀冷缩而预留的缝隙。

　　继续设问：在铺设铁轨的时候，预留的缝隙要留多少？有没有计算标准？

　　问题诱发了学生的深入思考，引起学生的学习兴趣，学生思维以开放状态对待实验课堂。这一过程中，教师很自然地引出膨胀系数的概念，同时让学生了解到有线膨胀系数、体膨胀系数、面膨胀系数三种不同概念，并给出线膨胀系数的定义及公式。

　　此环节以生活中的现象作为导入设计，以问题驱动的方式使得学生了解到相关科学概念，并了解了生产生活中与之相关的应用。

　　2.2 探究公式中相关物理量测量方法的教学引导设计

　　在前述的实验项目引入环节，学生了解到线胀系数的概念以及定义公式，引导学生以表 2 形式研究公式中各参量。学生在探讨中发现温差 Δt 及物体原长 L1 可通过常规仪器实现测量。

　　

　　接下来展示给学生一张常见材料的线胀系数表格（如表 3 所示）。

　　

　　设问：通过表中给定的线胀系数值，请同学们推算 1 米的铜管在温度变化 1℃的时候，长度变化量大约是多少？

　　学生算完发现，1 米长度的铜管在温度变化 1℃的情况下，长度改变量大约只有 0.017mm，完全超出常规测量工具如米尺、千分尺的测量精度范围。

　　以此设问：公式中的微小形变量 ΔL 该如何测量？

　　此部分教学设计的主旨在于培养学生科学分析的能力，把问题逐一列出，逐一解决。

　　2.3 实验方案的教学引导设计

　　上述环节中探讨得出公式中存在微小形变量，不易用常规仪器测量。接下来给学生展示一种现象（教师拿实验中的平面镜进行演示）：将平面镜放在实验平台上，拿激光笔照到镜面上，并使得反射光照到墙上（或其他接收屏上）。请同学注意，初次观察到的反射光在墙上的高度位置，接下来教师略微擎起平面镜下的金属杆的足尖(如图 2 中的 b3)，使得平面镜镜面倾角变化，再次观察反射光在接收屏上的高度位置。保证擎起的足尖高度不变，调整接收屏到平面镜的距离，则反射光在接收屏上的高度有何变化？调整金属杆的长度，再以同样的高度擎起足尖，则反射光高度有何不同？

　　以上过程诱导学生关注：足尖的微小高度变化即引起了接收屏上反射光高度位置的明显变化，这个现象给了我们怎样的提示？如何把实验中的微小形变量和这种现象关联起来实现放大测量？如果接收屏上放的是刻度尺，则足尖高度变化和反射光高度位置差之间有何关系？放大倍数和哪些参量有关？引导学生推导出光杠杆放大后的 ΔL 公式。

　　在该过程中，通过激光笔和平面镜的配合演示，学生有了直观的印象，加深了对实验原理以及操作（以往经常有学生忽视了是 ΔL 导致了平面镜倾角的变化这一关键环节，把平面镜很随意放置在平台上，足尖没有和铜管接触，导致加热过程中看不到标尺读数变化）的理解。

　　该部分的教学设计旨在于培养学生观察生活，能通过生活经验寻求解决问题的办法，即科学分析问题解决问题的能力。

　　2.4 实验操作过程的教学引导设计

　　实验难点在于对光杠杆镜尺组(平面镜和标尺、望远镜组合)的调节。以往把这一调节过程演示给学生，效果并不十分理想，现打破以往教学方案，演示一些实验现象去引导学生自己摸索经验。

　　先让学生思考关于人在镜子前面看到镜子中的影像情况。比如，图 4 中，A、B 两个人在镜子前面如何站位，才能保证彼此能看见镜子中的对方？引导学生意识到，只有 A 和 B 在镜子中的像 B′ 的连线与镜面有交点时候，才能保证看到镜子中的对方。

　　

　　提示性实验现象设计：把激光笔夹靠在望远镜上，使得激光照向平面镜镜面，调整平面镜左右倾角，请学生注意观察反射光线的走向变化，反射激光束是否照到了钢尺上？是出现在尺的左边还是右边？要朝哪个方向调整能让反射光束回到标尺上？向左或右平动平面镜，注意何种情况下反射光线消失？同样办法改变平面镜上下方向倾角，注意反射光线走向（尤其关注反射到标尺平面位置时的高度）变化，怎样调节镜面才能让反射激光束照到标尺上？

　　以上实验现象的设计目的在于，使得学生意识到标尺、望远镜、平面镜三者的位置关系对最终能否从望远镜视场里观察到标尺像起决定性作用。标尺和望远镜应关于平面镜左右对称，且平面镜镜面应基本平行于标尺，其平行于标尺包含了需要调节镜面上下倾角和左右倾角两个关键步骤。通过以上现象的演示，引导学生对调节步骤做出总结，并就可能出现的现象的处理办法做出提问。比如，当视场中看不到标尺，仅仅能看到标尺左侧物体的像，该调整哪里？或者仅仅能看到标尺下方的物体的像，又该调节哪里？上述问题都是调节过程中经常出现的现象，以预先提问的方式请学生通过前述演示的实验现象进行理论思考，其很容易就找到解决问题的办法，从本源上理解了调节要领，而不是盲目模仿。

　　关于温度数据采集的时间节点，教师不是直接陈述给学生何时采集（待采集温度一出现就马上读数），而是诱导式暗示。比如先让学生关注数显屏上温度的精度情况，然后补充提示，加热和温度变化都是连续的过程，然后提问学生，为了保证温差的等间隔测量，应该在什么时候采集数据？经过前面的暗示，学生会想到只有温度跳变的瞬间记录，才能尽可能保证温差的等间隔测量。在这一过程中，训练了学生耐心细致、认真严谨的科学态度。

　　除了以上调节过程中的教学设计，我们针对仪器的结构特点也会做提前介绍，然后对相关可能出现的实验现象原因做铺垫，让学生猜想可能出现的实验数据。比如，我们会提前告知学生以下一些信息：线胀系数仪加热过程是靠热辐射给铜管加热，所以温度显示有一定的滞后性。然后请同学猜测：升温过程中 50℃和降温过程中的 50℃对应的标尺读数是否会相同（在估读误差范围内）？如果认为不相同，那升温和降温过程中哪个标尺读数大？实验结束后看看实验结果和你的猜测是否一致？实验现象的原因是什么？

　　学生带着这样的猜测，兴致盎然的开始了实验操作，实验过程也不再枯燥。在实验过程中，学生会发现，升温和降温过程中同一温度所采集到的标尺读数是不一样的（多数情况下，学生会下意识的认为应该是一样的，偶尔有学生编造实验数据时候就编造成降温和升温数据一致）。这一过程潜在地提醒同学，要一丝不苟地对待科学工作，不可想当然的编造数据，要尊重实验数据，要努力寻求数据产生的根源，以不怕困难的精神对待科学工作，树立良好的科学品质。

　　2.5 相关实验方法设计的拓展性教学引导

　　该实验是通过光放大实现了对微小形变量的测量。在基础物理实验项目中，还有其他一些方法可以实现对微小位移的测量。这个时候可以引导学生对以往学过的实验进行综合思考，比如迈克尔逊干涉实验，劈尖干涉实验等等，以上是否可以和金属线胀系数测量实验综合设计。

　　这一环节的设计，可以拓宽学生的思维，锻炼学生综合运用知识的能力，通过把知识综合运用，又可以更好地接收新的科学知识，了解更多科学研究的方法。

　　3 结语

　　对一些相对简单的基础物理实验进行合理设计，将实验课堂打造成学生自主设计思考的驱动式课堂，对实验现象进行预测，然后通过实验现象事实证实自己的猜想，可以获得自我价值的肯定，获得自信，促进后续学习的主动思考，形成学习的良性循环，并有效提升科学素养。其他学科类实验，也可以以此实验教学设计思路为借鉴，打造有特色的自主研究式实验课堂，培养学生的科学思维，提升科学素养。

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　　基金项目：全国高等学校教学研究项目 (DWJZW202123hd)；中国矿业大学教改项目(2020YB62;2021YB65)。

　　作者简介：段秀铭，女，中国矿业大学实验师，主要从事物理实验教学及管理工作，xiumingd@163.com。

　　引文格式: 段秀铭, 易志军, 唐军. 以提高科学素养为目标的探究式物理实验教学设计——以金属线膨胀系数测定实验为例[J]. 物理与工程, 2022, 32(4): 106-110.

　　Cite this article: DUAN X M, YI Z J, TANG J. Independent inquiry physics experiment teaching design aiming at improving scientific literacy—Taking an Example of the measurement of metal linear expansion coefficient[J]. Physics and Engineering, 2022, 32(4): 106-110. (in Chinese)

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