“光的全反射”實驗探究式教學設計

實驗探究式教學就是在教師的指導下，以實驗為基礎，以學生的認知規(guī)律為主線，學生通過實驗操作、觀察分析來認識物理現(xiàn)象，了解物理過程，探究物理規(guī)律，從而獲得物理知識，形成技能，發(fā)展智力的一種教學方法。本文以一堂公開課為例，進行實驗探究式教學的探索。授課時首先設置三個會導致“悖論”的物理情境，引起學生的認知沖突，提出要探究的課題；然后設計五個探究性實驗，分別從實驗和理論兩個方面對全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件進行探究；最后設計兩個體驗性實驗，進一步讓學生感受光的全反射現(xiàn)象，并引導其利用所學的規(guī)律對現(xiàn)象進行解釋；給學生布置的作業(yè)也屬課外探究性實驗。具體教學設計如下： 

1 創(chuàng)設情境，提出課題

教學事件1 提出以下問題讓學生解答:光從某種介質(zhì)射入空氣，當入射角θ1=30°時，折射角θ2=60°，則該介質(zhì)的折射率n為多少？當入射角θ1=60°，折射角θ2是多少？

教學事件2 演示彎曲的光導纖維管，用激光從其一端射入，發(fā)現(xiàn)光從另一端射出，無論怎樣彎曲纖維管，激光總能從另一端射出。

教學事件3 (1) 取兩支相同的試管，一個容量較大的燒杯，清水500ml。試管的長度稍高于燒杯的高度，一支試管內(nèi)裝水，另一支試管是空的，同時放入燒杯中，然后盛水至燒杯中，達到燒杯的4/5處。放在講臺下方備用。(2) 告訴學生，有兩支試管，其中一支經(jīng)“銀鏡反應”被鍍上了銀(其實沒有)，另一支是干凈的，請同學把“鍍銀”的一支找出來，然后從講臺下方端出演示器材。(3) 讓學生選擇后，取出試管發(fā)現(xiàn)是一支正常的試管；再讓另一位同學選擇，他想肯定是另外一支，結果取出之后仍是一支正常的試管。至此，仍有很多同學沒有發(fā)現(xiàn)兩支試管中一支是裝水的，另一支是空的。

設計說明 探究始于問題，問題源于質(zhì)疑，質(zhì)疑往往出現(xiàn)在新舊認知發(fā)生沖突之時。在事件1中學生求出n=3，sinθ2= 1.5＞1，出現(xiàn)了和數(shù)學常識相悖的情況；事件2中的實驗結果則與學生已形成的光沿直線傳播的生活經(jīng)驗相悖；事件3中學生的感覺與事實發(fā)生了偏差。這些都讓學生大為不解，引發(fā)了認知沖突，激起了學生的探究欲，教師則因勢利導提出本節(jié)要研究的課題：光的全反射。

2 指導方法，引導探究

教學事件4 學生分組實驗Ⅰ：如圖1所示，讓一束激光射到半圓形玻璃磚的弧面并沿半徑射到MN界面上的O點，使入射光線的方向不變，逆時針旋轉(zhuǎn)玻璃磚，入射角則逐漸增加，引導學生觀察并描述光在界面MN上發(fā)生的現(xiàn)象，并讓學生思考該現(xiàn)象體現(xiàn)了哲學中的什么原理。

教學事件5 學生分組實驗Ⅱ：如圖2所示，讓一束激光射到半圓形玻璃磚的界面MN上的O點，使入射光線的方向不變，逆時針旋轉(zhuǎn)玻璃磚，入射角則逐漸增加，引導學生觀察并描述光在界面MN上發(fā)生的現(xiàn)象。

設計說明 (1) 通過對事件4的觀察和分析可以使學生初步建立全反射的概念和發(fā)生條件：折射角應大于入射角以及入射角應大于某一臨界角。再引導學生聯(lián)想哲學中量變與質(zhì)變的關系，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，事件1中的“悖論”也得到了解決。(2) 事件5則提供了一個反面的對比性實驗，加強了對全反射現(xiàn)象發(fā)生條件的理解。 

3 辨難解疑，得出規(guī)律

教學事件6 如圖3所示，演示“水流導光”實驗，讓學生分析原因。通過對激光在彎曲水流中光路圖的定性分析，從而揭開事件2的奧妙，也為學生理解事件7打下基礎。

教學事件7 出示如圖4(a)所示的彎曲玻璃棒（在化學實驗室用酒精噴燈自制），用激光從其一端射入，觀察到光從玻璃棒的另一端射出。請同學大致畫出光在玻璃棒內(nèi)傳播的光路圖。

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教學事件8 如圖4(b)所示，把圖4(a)中的彎曲玻璃棒放入盛有縫紉機油(油脂店購買)的水槽內(nèi)，再用激光從一端射入，觀察到油里充滿了紅色的激光，玻璃棒的另一端沒有光或光線很暗。引導學生分析事件8發(fā)生的原因， 學生猜測可能是因為光從玻璃射入油中時入射角比折射角大，因而不能發(fā)生全反射以至于光從彎曲玻璃棒的側面折射了出去。

教學事件9 已知玻璃的折射率n1大約是1.5，縫紉機油的折射率n2大約是2.25。請同學通過計算比較光從玻璃射入縫紉機油時入射角與折射角間的大小關系。

因為sinisinδ=v1v2=C/n1C/n2=n2n1>1，所以i>δ，即折射角小于入射角，在入射角增大過程中入射角先達到90°，故光從玻璃到縫紉機油中不可能發(fā)生全反射。

設計說明 把事件7和事件8進行對比，再通過事件9的計算，一方面可以幫助學生理解“光密介質(zhì)”和“光疏介質(zhì)”兩個概念，另一方面也為學生準確、全面地總結全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件打下了實驗和理論基礎。

由事件(7)(8)(9)可以得出:

全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件：（1）光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)；（2）入射角等于或大于某一角（臨界角C）。

教學事件10 為簡單起見，我們只討論光從不同的介質(zhì)射向空氣（看作真空）時所發(fā)生的全反射現(xiàn)象。不同的介質(zhì)，由于折射率不同，在空氣中發(fā)生全反射的臨界角也不同。請同學們計算折射率為n的某種介質(zhì)在空氣中發(fā)生全反射時的臨界角。

設計說明 教學環(huán)節(jié)3是對教學環(huán)節(jié)2的延伸和拓展。環(huán)節(jié)2中學生通過實驗、觀察、討論等學習活動后得出的結論是初步的，3中教師再次設計對比性實驗，引導學生與老師進一步辨別全反射發(fā)生的條件，從而得出全面的結論。這一環(huán)節(jié)主要是為了糾正學生由于認識能力的局限性而得出表面的、片面的甚至錯誤的結論。應當指出，“辨難解疑、得出規(guī)律”中的“辨”是教師指導下學生的辨論，結論的得出應當是水道渠成的，而不是教師強加的，從辨析到得出結論的過程雖然與人類一般的認識深化過程基本一致，但也不能離開教師的引導和指導。

4 鞏固應用，深化理解

教學事件11 學生分組實驗Ⅲ:把事件3中的演示實驗改成學生分組實驗。如圖5（a），把兩只試管同時放入燒杯中，讓學生比較兩只試管的亮度，再要求學生從不同的角度進行觀察，找出哪些角度能看到試管“鍍銀”現(xiàn)象，通過畫光路圖進行分析；如圖5（b），在空試管內(nèi)插入一根筷子后再觀察，發(fā)現(xiàn)水面以下部分的筷子“消失”了。



教學事件12 學生分組實驗Ⅳ:將光亮的鐵球夾在試管夾上，放在點燃的蠟燭火焰上全部熏黑，然后將其浸沒在盛有清水的燒杯中，發(fā)現(xiàn)放在水中的鐵球比在陽光下更亮，試分析其原因。 

設計說明 教學環(huán)節(jié)4主要是教師組織學生應用環(huán)節(jié)3中得出的正確結論解決一些具體問題，從而鞏固所學的物理概念和規(guī)律，深刻認識所學知識的適用范圍，進而產(chǎn)生進一步學習和探索的欲望。應當指出，這一環(huán)節(jié)中解決的一些具體問題并不僅僅是練習題，還應包括一些小實驗、小制作和小論文等。

5 反思總結，布置作業(yè)

5.1 反思總結

教學事件13 教師引導，學生從以下3個方面對本節(jié)課進行反思總結:

(1) 這節(jié)課你學到了哪些概念和規(guī)律，這些概念和規(guī)律是如何得到的?

(2) 這節(jié)課學到了哪些物理研究方法?在本節(jié)中是如何應用這些方法的?

(3) 通過本節(jié)課的學習，你對物理學科有什么新的認識和理解?

5.2 布置作業(yè)

完成下列實踐性作業(yè)，并對相關現(xiàn)象進行分析，可以選做，也可以在較長時間內(nèi)完成。

（1）網(wǎng)上瀏覽光纖通訊的發(fā)展和現(xiàn)狀。

（2）在水下某一深度S處放一個防水的點光源，在水面上撒一些鋸末，這時在水面上方可看到一個圓形光斑。若用一個大小和形狀均與光斑相同的不透光的薄板蓋住該光斑，則在各個方向均看不到水下的點光源。

（3）在可樂瓶中注入半瓶清水，旋緊瓶蓋后橫放在桌面子邊緣，瓶下壓一張報紙，觀察者從瓶側面較瓶內(nèi)水平面稍低處，斜向上看，看到原來透明的水面好像鍍銀的鏡面，并且可以看到鏡中所印現(xiàn)的是瓶另一側報紙上的字的像。

（4）消失的硬幣:將1元硬幣放入裝有水的臉盆中。將玻璃杯微微傾斜，蓋在硬幣上，這時，你可以清楚地看到杯中的硬幣；將杯中水倒掉，然后再以垂直的方式蓋下去，此時，我們無法再看見硬幣的蹤影了。

（5）觀察自行車尾燈的結構，用本節(jié)的知識加以解釋。

教學設計總結

本設計采用三條線索來組織教學：一是知識線索，即沿著“全反射現(xiàn)象→全反射發(fā)生的條件→臨界角的求解→規(guī)律的應用”設計教學，這條線索著重解決“學什么”的問題；二是認知線索，即沿著“引發(fā)質(zhì)疑→提出問題→分析探究→問題解決→得出規(guī)律→應用規(guī)律”設計教學，這條線索著重解決“怎么學”的問題；三是邏輯線索，即沿著“創(chuàng)設情境、提出課題→指導方法、引導探究→辨難解疑、得出規(guī)律→鞏固應用、深化理解→反思總結、布置作業(yè)”設計教學，這條線索著重解決“怎么教”的問題。這其中“學什么”決定了“怎么學”，而“怎么學”又決定了“怎么教”。

參考文獻：

［1］朱建廉.教學設計中應把握的兩種結構.物理教師，2008（4）.

(欄目編輯趙保鋼)