《光的全反射》探究式教學(xué)設(shè)計(jì)

王漫　代偉　杜倩　蔣金華

【摘要】光的全反射是幾何光學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，生活中的許多光學(xué)現(xiàn)象都與光的全反射緊密相關(guān).通過(guò)教學(xué)過(guò)程的再現(xiàn)，以解決問(wèn)題為核心、以實(shí)驗(yàn)探究為主線(xiàn)、以啟發(fā)思考為原則、以師生互動(dòng)為紐帶，在教學(xué)中充分體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理回歸社會(huì)”的教育理念，強(qiáng)調(diào)物理與生活的有機(jī)交融.

【關(guān)鍵詞】光的全反射 實(shí)驗(yàn)探究 教學(xué)設(shè)計(jì)

一、教材分析

（一）教材內(nèi)容的地位和作用

《光的全反射》是教育科學(xué)出版社高中物理選修3～4第四章第3節(jié)的內(nèi)容.

從內(nèi)容上來(lái)看，本節(jié)內(nèi)容是學(xué)生在學(xué)習(xí)光的反射與折射后又一種新的光學(xué)現(xiàn)象，本節(jié)內(nèi)容主要研究的是光的全反射現(xiàn)象、全反射產(chǎn)生的條件、臨界角以及全反射的應(yīng)用.

從教材編寫(xiě)的角度來(lái)說(shuō)，教材先介紹光疏、光密介質(zhì)，再根據(jù)觀察思考的實(shí)驗(yàn)得出全反射的現(xiàn)象以及全反射產(chǎn)生的條件，運(yùn)用折射定律推導(dǎo)臨界角與折射率的關(guān)系，最后簡(jiǎn)單介紹光纖原理.

從情感上來(lái)說(shuō)，本節(jié)內(nèi)容理論與實(shí)驗(yàn)聯(lián)系十分緊密，充分體現(xiàn)了科學(xué)探究的課程理念.

（二）教學(xué)目標(biāo)

根據(jù)新課程標(biāo)準(zhǔn)，確定如下三維目標(biāo)：

1.知識(shí)與技能目標(biāo)

（1）認(rèn)識(shí)光的全反射現(xiàn)象并理解光的全反射條件；

（2）理解臨界角的概念并能計(jì)算臨界角；

（3）了解光導(dǎo)纖維的工作原理和光纖在生活中的應(yīng)用.

2.過(guò)程與方法目標(biāo)

（1）通過(guò)參與科學(xué)探究活動(dòng)，觀察光的全反射現(xiàn)象，得到光的全反射條件，從而培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、歸納概括能力；

（2）通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作、交流討論的能力.

3.情感態(tài)度與價(jià)值觀目標(biāo)

引導(dǎo)學(xué)生加深臨界現(xiàn)象中量變引起質(zhì)變的認(rèn)知，從中領(lǐng)略物理之美，樹(shù)立物理知識(shí)在實(shí)際生活中的蘊(yùn)涵理念.

二、學(xué)情分析

（一）知識(shí)層面

通過(guò)之前的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了光的反射定律和折射定律以及基本平面幾何知識(shí).

（二）能力層面

經(jīng)過(guò)之前的學(xué)習(xí)，具有一定的抽象思維和分析概括能力，能基本實(shí)現(xiàn)由現(xiàn)象到規(guī)律的歸納總結(jié)，但是部分學(xué)生的抽象思維和空間想象能力還比較低，對(duì)臨界的概念還比較模糊.

（三）心理層面

1.重點(diǎn)難點(diǎn)

確定依據(jù)：全反射現(xiàn)象在生活中十分廣泛，但學(xué)生卻不易察覺(jué)，因此，認(rèn)識(shí)光的全反射現(xiàn)象以及全反射產(chǎn)生的條件是本節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)，而臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現(xiàn)象是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn).

教學(xué)重點(diǎn)：通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的觀察認(rèn)識(shí)全反射現(xiàn)象以及探究全反射產(chǎn)生的條件.

教學(xué)難點(diǎn)：臨界角的理解以及解釋生活中的全反射現(xiàn)象.

2.教法學(xué)法

教法：以演示實(shí)驗(yàn)為主，觀察法為輔，結(jié)合講授法.

學(xué)法：探究學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí).

3.教學(xué)資源

自制光控音響、光導(dǎo)纖維、自制全反射水槽、激光筆、自制光的全反射演示儀、多媒體.

4.教學(xué)過(guò)程

（1）創(chuàng)設(shè)情境，引入新課。教師活動(dòng)，演示光控音響，如圖1。簡(jiǎn)單介紹光控音響的原理，將透明塑料管子一端連接光控開(kāi)關(guān)，另一端連接激光筆，打開(kāi)激光筆，音響發(fā)聲，引導(dǎo)學(xué)生思考為何管子可以導(dǎo)光？演示激光舞動(dòng)，如圖2：激光筆垂直水槽入射，水槽中的光線(xiàn)呈直線(xiàn)，逐漸傾斜激光筆，水槽中的光線(xiàn)變?yōu)槊利惖恼劬€(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生觀察并思考為何水槽中的光線(xiàn)可以變?yōu)槊利惖恼劬€(xiàn)？

學(xué)生活動(dòng)：觀察演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，思考教師所提問(wèn)題.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)引起學(xué)生的注意，激發(fā)學(xué)生的好奇心、求知欲以及學(xué)習(xí)熱情，活躍課堂氣氛與學(xué)生思維，激發(fā)學(xué)生對(duì)所學(xué)內(nèi)容的興趣.

（2）復(fù)習(xí)舊知，建構(gòu)新知

光密介質(zhì)與光疏介質(zhì).教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生回顧光的折射定律，從折射率的角度建立“光密介質(zhì)”與“光疏介質(zhì)”的概念.給出幾種介質(zhì)的折射率，如圖3.提問(wèn)學(xué)生水是光密介質(zhì)還是光疏介質(zhì)？引導(dǎo)學(xué)生思考，水相對(duì)空氣是光密介質(zhì)，相對(duì)于金剛石屬于光疏介質(zhì)，以此說(shuō)明光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)是相對(duì)的.

實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)一：探究光的全反射現(xiàn)象.

教師活動(dòng)：簡(jiǎn)單介紹自制教具——光的全反射演示儀，如圖4：運(yùn)用演示儀演示將光從光密介質(zhì)（水）射入到光疏介質(zhì)（空氣），逐漸增大入射角，引導(dǎo)學(xué)生觀察在此過(guò)程中折射角如何變化、反射光線(xiàn)以及折射光線(xiàn)的強(qiáng)度又會(huì)如何變化？

學(xué)生活動(dòng)：仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并認(rèn)真思考老師提出的問(wèn)題.

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖5：總結(jié)歸納，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)觀察并分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生觀察分析、總結(jié)歸納的能力.

（3）理論探究：探究全發(fā)射的條件

教師活動(dòng)：提問(wèn)如果光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)，是否也能發(fā)生全反射現(xiàn)象呢？引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論分析.

學(xué)生活動(dòng)：理論分析并進(jìn)行分組討論.

教師活動(dòng)：歸納得出，由于光從光疏介質(zhì)到光密介質(zhì)時(shí)，入射角是大于折射角，所以入射角會(huì)先達(dá)到90°，在入射角從0°到90°的過(guò)程中，折射光線(xiàn)不消失.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)理論探究，培養(yǎng)學(xué)生理論分析能力，通過(guò)小組討論，培養(yǎng)學(xué)生溝通交流的能力.

（4）學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)：探究全發(fā)射產(chǎn)生的第一個(gè)條件

教師活動(dòng)：引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，各小組分工合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，小組成員共同觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，討論并得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)各小組出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行指導(dǎo).

學(xué)生活動(dòng)：小組分工合作，完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，將光從光疏介質(zhì)（空氣）射入光密介質(zhì)（水），逐漸增大入射角，觀察折射角和折射光線(xiàn)的變化，自己動(dòng)手進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得到發(fā)生全反射現(xiàn)象的第一個(gè)條件：光必須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì).

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、共享資源、觀察總結(jié)的科學(xué)素質(zhì).

實(shí)驗(yàn)探究二：探究全反射產(chǎn)生的第二個(gè)條件

教師活動(dòng)：教師提問(wèn)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)一定能發(fā)生全反射嗎？演示光由水射入空氣，發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有發(fā)生全反射，逐漸增大入射角，增大到某一角度，折射光線(xiàn)消失，發(fā)生了全反射，從而得出發(fā)生全反射的第二個(gè)條件.

學(xué)生活動(dòng)：認(rèn)真思考教師所提問(wèn)題，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在老師引導(dǎo)下總結(jié)得出全反射產(chǎn)生的條件之二：入射角必須等于或大于某一角度.

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生觀察、分析的能力.

5.歸納總結(jié)

教師活動(dòng)：根據(jù)之前的演示實(shí)驗(yàn)與分組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生一起總結(jié)產(chǎn)生全反射的條件，得出臨界角的概念，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用光的折射定律理論推導(dǎo)出臨界角的計(jì)算公式.

學(xué)生活動(dòng)：結(jié)合光的折射定律尋找臨界角與折射率的關(guān)系，根據(jù)已學(xué)知識(shí)進(jìn)行公式推導(dǎo).

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)公式推導(dǎo)過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生邏輯推理能力，加深學(xué)生對(duì)臨界角以及臨界角計(jì)算公式的理解.培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決問(wèn)題的能力.

（三）學(xué)以致用，鞏固新知

1.揭秘激光舞動(dòng)

教師活動(dòng)：簡(jiǎn)單介紹全反射水槽制作原理，引導(dǎo)學(xué)生思考激光筆垂直于水槽入射時(shí)以及激光筆逐漸傾斜時(shí)入射角的變化，運(yùn)用多媒體展示水槽中的光路圖，如圖5：從而揭示極光舞動(dòng)的奧妙.

設(shè)計(jì)意圖：解釋課前極光舞動(dòng)的原理，體現(xiàn)課堂完整性.

2.介紹光導(dǎo)纖維

教師活動(dòng)：以多媒體課件展示光纖以及光纖的結(jié)構(gòu)，如圖6：運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)解釋光纖的原理，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)全反射知識(shí)的應(yīng)用.

學(xué)生活動(dòng)：觀察課件展示的圖片，了解、認(rèn)識(shí)光纖的結(jié)構(gòu)以及光纖在現(xiàn)實(shí)生活中的主要應(yīng)用，理解光導(dǎo)纖維的原理.

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生了解光的全反射在生活中的應(yīng)用，感受物理的實(shí)用性，提高學(xué)生對(duì)物理的興趣.

三、設(shè)計(jì)反思

本節(jié)課通過(guò)自制水槽、光控音響的演示實(shí)驗(yàn)引入新課，使學(xué)生獲得更多的感性認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生好奇心與學(xué)習(xí)熱情.為了使學(xué)生能夠容易理解并掌握全反射以及全反射條件，本著“學(xué)生為主”的思想，借助自制教具通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)以及學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生以探索者、研究者的身份投入學(xué)習(xí)中，讓學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)全過(guò)程，極大地激發(fā)并提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.學(xué)生通過(guò)自主探究、合作學(xué)習(xí)，體驗(yàn)物理規(guī)律的認(rèn)知過(guò)程，在獲取知識(shí)的同時(shí)，也培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作、理論推導(dǎo)、分析問(wèn)題、解決問(wèn)題以及科學(xué)探究的能力.

本節(jié)課的設(shè)計(jì)注重提供學(xué)生獲取知識(shí)的方法，突出新知識(shí)的形成過(guò)程，讓學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究弄懂知識(shí)的來(lái)龍去脈，把握科學(xué)知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，有效地提高學(xué)習(xí)效率.

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基金項(xiàng)目：西華師范大學(xué)英才基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：17YC502。