《光的折射定律》教學(xué)設(shè)計與創(chuàng)新研究

張巖

一、主要教學(xué)設(shè)計

1.設(shè)計思想：（1）通過空氣與水界面的折射實驗，培養(yǎng)學(xué)生觀察能力，發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的能力。（2）通過對光線、角度的研究，培養(yǎng)學(xué)生分析解決問題的能力，創(chuàng)新方法的能力。

2、教學(xué)流程：“叉魚”實驗——觀察光路——分析角度——創(chuàng)新方法——反思“叉魚”

3.教學(xué)重點：（1）知識與技能：折射定律；應(yīng)用折射定律解釋生活現(xiàn)象。（2）過程與方法：數(shù)據(jù)采集、處理、分析的過程；創(chuàng)新實驗方法的能力。（3）情感、態(tài)度與價值觀：面對科學(xué)研究的踏實、穩(wěn)重、細(xì)致、求實、創(chuàng)新的態(tài)度。

二、特色教學(xué)過程

1.“叉魚”實驗

實驗儀器：燒杯（帶刻度、盛水）、橡皮泥、塑料管、油筆芯。在燒杯中盛適量的清水，用橡皮泥搓成個小球（作為“魚”），放在杯底邊緣；把塑料管斜靠在燒杯的邊緣，并置于橡皮泥的正對面，塑料管下端不要插入水中；通過塑料管上端尋找橡皮泥，能看到橡皮泥時，說明橡皮泥的虛像在塑料管的軸線上；拿穩(wěn)塑料管，把油筆芯從塑料管上端放下去，觀察油筆芯尖插入水中后落在燒杯對面內(nèi)壁上的位置。

該實驗方法的優(yōu)點：（1）可操作性強(qiáng)。（2）可觀察性強(qiáng)。（3）引導(dǎo)性強(qiáng)。通過該實驗，學(xué)生在實驗前的預(yù)想和實驗后的結(jié)果會造成思想反差，思想反差是最能引起學(xué)習(xí)興趣的動力，促使學(xué)生產(chǎn)生繼續(xù)學(xué)習(xí)的欲望。

2.觀察光路

實驗儀器：坐標(biāo)紙、半圓形玻璃磚、激光筆（兩只）、鉛筆、刻度尺。把半圓形玻璃磚放在坐標(biāo)紙上，平直界面壓著坐標(biāo)紙的一條粗坐標(biāo)線，作為界面。在平直界面中央垂直于界面做一垂線（法線）。用激光筆發(fā)出的紅色光線，在空氣和玻璃的平直界面上進(jìn)行折射實驗。引導(dǎo)學(xué)生觀察以下五點：（1）入射光線垂直界面入射，光路不偏折。（2）入射光線傾斜入射，激光筆向紙外離開紙面，觀察光線。（3）入射光線傾斜入射，光路偏折。（4）轉(zhuǎn)動入射光線，折射光線隨之轉(zhuǎn)動。（5）用兩個激光筆從平直界面和圓弧界面同時發(fā)射入射光線，交替開關(guān)電源。

該實驗方法的優(yōu)點：（1）這些操作可以增強(qiáng)學(xué)生的直觀感性認(rèn)識，必定直觀感性認(rèn)識是理性理解的基礎(chǔ)。（2）這些過程可以在初、高中知識銜接上，有助于學(xué)生對新知識的學(xué)習(xí)和理解。（3）培養(yǎng)學(xué)生踏實、穩(wěn)重、細(xì)致、求實的科學(xué)作風(fēng)和科學(xué)素養(yǎng)。

3.分析角度

實驗儀器：鉛筆、刻度尺、量角器、Office Excel軟件。指導(dǎo)學(xué)生采集數(shù)據(jù)，應(yīng)用Office Excel軟件的圖表功能，對折射角、入射角的關(guān)系進(jìn)行探究。

該過程的作用：從一面上說，相當(dāng)一部分高中學(xué)生的數(shù)學(xué)思維能力是有限的，從采集的兩組入射角、折射角的角度數(shù)據(jù)，直接去猜想兩角的關(guān)系（包括兩角的三角函數(shù)關(guān)系），是有盲目性的。從另一面上說，我們要培養(yǎng)的是有創(chuàng)新能力的學(xué)生，他們的眼睛應(yīng)該是往前看的。筆者對“分析角度”這個過程，采取了圈定范圍的猜想。給學(xué)生圈定了角度關(guān)系、正弦關(guān)系、余弦關(guān)系、正切關(guān)系，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用Office Excel軟件的圖表功能，通過觀察圖線形狀猜想兩角關(guān)系。并給學(xué)生講科學(xué)家的猜想，對于這個環(huán)節(jié)，筆者的主要設(shè)計目的是為后面創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)做個鋪墊。

4.創(chuàng)新方法

實驗儀器：保留光線的坐標(biāo)紙、圓規(guī)。啟發(fā)學(xué)生，用留在坐標(biāo)紙上的兩組入射、折射光線，通過一個圓規(guī)，探究折射定律。用圓規(guī)以入射點為圓心，畫一個半徑適中的圓，兩組光線與圓的交點到法線的距離，構(gòu)成兩組長度數(shù)據(jù)，通過坐標(biāo)紙的刻度，即可讀出這兩組長度數(shù)據(jù)。對這兩組長度數(shù)據(jù)的意義和關(guān)系進(jìn)行分析。

該過程的優(yōu)點：（1）思維的出發(fā)點是規(guī)律的本質(zhì)。讓學(xué)生直接觀察兩組光線的空間規(guī)律，有助于培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、應(yīng)用數(shù)學(xué)知識解決物理問題的能力和對規(guī)律本質(zhì)的理解。（2）方法簡潔，直觀，體現(xiàn)數(shù)學(xué)應(yīng)用能力。（3）得到兩組長度數(shù)據(jù)的正比關(guān)系，在學(xué)生心理上，比兩組角度正弦數(shù)據(jù)的正比關(guān)系可信度更高。

5.反思“叉魚”

實驗儀器：燒杯（帶刻度、盛水）、橡皮泥、激光筆。提出問題：如果用激光當(dāng)做魚叉去叉魚，應(yīng)該如何瞄準(zhǔn)？學(xué)生討論，試驗操作。

該環(huán)節(jié)的作用：（1）教學(xué)過程的落腳點回到開始的出發(fā)點。讓學(xué)生對生活現(xiàn)象中反映的物理規(guī)律更深入的理解。（2）培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用本節(jié)課所學(xué)知識解決實際問題的能力。（3）緩解課堂疲勞。

三、教學(xué)效果與反思

1.成功：（1）“叉魚”實驗環(huán)節(jié)的效果很好，與預(yù)想一致，學(xué)生興趣濃厚，很快產(chǎn)生學(xué)習(xí)欲望。（2）觀察光路環(huán)節(jié)的作用顯著，學(xué)生對折射現(xiàn)象的感性認(rèn)識堅實，有助于后續(xù)理論學(xué)習(xí)。（3）創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)的啟發(fā)性顯著，學(xué)生得到長度正比關(guān)系后很喜悅，部分學(xué)生有豁然開朗的感覺。（4）反思“叉魚”環(huán)節(jié)具有檢測性，有助于檢測學(xué)生是否真正理解折射定律，教師及時發(fā)現(xiàn)反饋。

2.缺點與問題：（1）分析角度環(huán)節(jié)，測量角度、輸入數(shù)據(jù)、擬合圖線的過程較為繁瑣、耗時，筆者仍在考慮這個環(huán)節(jié)如何既能體現(xiàn)猜想的過程，又能精簡。（2）創(chuàng)新方法環(huán)節(jié)，由于用兩組“長度”數(shù)據(jù)代替了兩組“角度正弦”數(shù)據(jù)，以及學(xué)生畫圓的不準(zhǔn)確性，造成擬合后的圖線斜率、截距的誤差變大。