設(shè)計(jì)進(jìn)階實(shí)驗(yàn) 引發(fā)認(rèn)知沖突

高嵩 邢宏光

摘 要：本文充分利用學(xué)生的“認(rèn)知沖突”，通過采用符合學(xué)生認(rèn)識(shí)水平的課堂引入，激發(fā)其探究問題的興趣；通過設(shè)計(jì)讓學(xué)生具體可感的進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，克服了教材中實(shí)驗(yàn)過渡性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的邏輯性；通過對(duì)實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)現(xiàn)臨界角的定量計(jì)算，有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)重點(diǎn)內(nèi)容，豐富了學(xué)生的直觀體驗(yàn)。最后，讓學(xué)生解決了上課之初的“認(rèn)知沖突”，實(shí)現(xiàn)了完整的課堂教學(xué)。

關(guān)鍵詞：認(rèn)知沖突；進(jìn)階實(shí)驗(yàn)；全反射

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）10-0032-3

《論語(yǔ)》有言：不憤不啟，不悱不發(fā)。意思是在教學(xué)中，不到學(xué)生努力想明白而不得的時(shí)候不要開導(dǎo)他；不到他心里明白卻不能完善表達(dá)出來的程度不要啟發(fā)他。而如何讓學(xué)生“憤”，讓學(xué)生主觀上想要解決這個(gè)難題，可以利用學(xué)生的定式思維，在授課之初誘發(fā)其產(chǎn)生認(rèn)知沖突，可以激發(fā)學(xué)生的探究欲望，產(chǎn)生學(xué)習(xí)的直接動(dòng)機(jī)[1]。僅僅設(shè)置“認(rèn)知沖突”的引入還不夠，還需要在隨后的課程設(shè)計(jì)下功夫。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要符合學(xué)生的認(rèn)知水平，符合學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，從現(xiàn)象到本質(zhì)、從基礎(chǔ)到核心，一步步引領(lǐng)學(xué)生突破課程的重難點(diǎn)。最后通過學(xué)生對(duì)本節(jié)課知識(shí)的理解，進(jìn)而解決上課之初的“認(rèn)知沖突”，這樣的課程設(shè)計(jì)就能夠達(dá)到提高課堂效率、改善課堂效果的目的。

1 創(chuàng)設(shè)問題情境，激發(fā)認(rèn)知沖突

認(rèn)知沖突的產(chǎn)生，可以借助學(xué)生的生活體驗(yàn)及實(shí)踐積累，使之產(chǎn)生和現(xiàn)行的現(xiàn)象相反的結(jié)論，充分抓住學(xué)生的好奇心和求知欲，帶著疑問學(xué)習(xí)新課。

“全反射”是人教版高中物理選修3-4第十三章第二節(jié)的內(nèi)容，教材對(duì)于本節(jié)課的安排是開篇給出“光疏介質(zhì)”“光密介質(zhì)”的定義，通過半圓形玻璃磚實(shí)驗(yàn)引出“全反射”現(xiàn)象以及“臨界角”的概念，隨后給出臨界角和折射率的關(guān)系式以及對(duì)應(yīng)習(xí)題，最后介紹了全反射棱鏡與光導(dǎo)纖維的應(yīng)用。這四部分內(nèi)容雖能做到循序漸進(jìn)，但這樣安排卻不能帶給學(xué)生直觀體驗(yàn)。學(xué)生不清楚“全反射”是什么，灌輸式的教學(xué)不能很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)邏輯性不夠，過渡銜接不自然。筆者將教材實(shí)驗(yàn)情境前置，通過魔術(shù)表演“水流導(dǎo)光”引入新課，顛覆學(xué)生“先入為主”的認(rèn)知模式，再輔助實(shí)驗(yàn)演示，加以嚴(yán)密的邏輯推理，一步步帶領(lǐng)學(xué)生感受“全反射”的魅力。

1.1 “水流導(dǎo)光”魔術(shù)引入

如圖1所示，在一個(gè)盛滿水的瓶子側(cè)壁扎一個(gè)小孔，水從小孔流出，用一束激光水平照射小孔，發(fā)現(xiàn)光沿著“曲線”的水流軌跡進(jìn)行傳導(dǎo)。學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)過“光在同種均勻介質(zhì)中沿直線傳播”，“水流導(dǎo)光”使學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突，帶著疑問學(xué)習(xí)新課。

1.2 列舉生活實(shí)例再次激疑

啟發(fā)學(xué)生思考，圖2所示的彩色噴泉、圖3所示的光導(dǎo)纖維等生活中常見的事物，似乎都說明，光能沿著“曲線”傳播，這與學(xué)生之前所學(xué)的光的直線傳播現(xiàn)象相違背，引發(fā)認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生探索的積極性。

2 設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，便于概念理解

此前學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了光的反射和折射，了解了幾何光學(xué)基本的研究方法和相關(guān)概念，在此基礎(chǔ)上，學(xué)生要進(jìn)行全反射的學(xué)習(xí)，它是前面一節(jié)知識(shí)的深化和應(yīng)用。同時(shí)，作為幾何光學(xué)的最后一部分內(nèi)容，本節(jié)課對(duì)學(xué)生構(gòu)建完整的幾何光學(xué)學(xué)習(xí)體系具有重要作用。如何讓學(xué)生從“反射”“折射”過渡到“全反射”現(xiàn)象是本節(jié)的重點(diǎn)內(nèi)容，讓學(xué)生掌握發(fā)生全反射的條件，這也是需要課堂設(shè)計(jì)者下功夫的地方。

如圖4所示，玻璃缸中上層是空氣層，下層是水，用一束激光從空氣層射入水層中，引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象，無論怎樣變化入射角，折射光線始終存在；然而，再將激光從水層射入空氣層中時(shí)，如圖5所示，逐漸增大入射角，學(xué)生會(huì)觀察到折射角逐漸增大，并且光的強(qiáng)度在減弱，并會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)最終折射光線竟然全部消失，入射光被全部反射，此時(shí)發(fā)生了全反射現(xiàn)象。直觀的實(shí)驗(yàn)演示再一次產(chǎn)生了認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。所以，清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是引發(fā)認(rèn)知沖突的關(guān)鍵，為了使現(xiàn)象更加明顯，可以采用噴水霧的方式，將光路可視化，便于教學(xué)活動(dòng)的開展。

教師引導(dǎo)學(xué)生思考水層和空氣層兩種不同物質(zhì)的差異，水層的折射率大，空氣層的折射率小，進(jìn)而引出“光密介質(zhì)”“光疏介質(zhì)”的概念。進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考，光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，沒有發(fā)生全反射，光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，發(fā)生了全反射，引出全發(fā)射發(fā)生的一個(gè)條件：光須從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，形象直觀地引出光密介質(zhì)、光疏介質(zhì)的概念；通過觀察明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，使學(xué)生對(duì)全反射有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，便于學(xué)生理解和接受。接下來，讓學(xué)生觀察當(dāng)激光以較小的入射角從水入射到空氣中，并不能發(fā)生全反射，繼續(xù)增大入射角仍然不能發(fā)生，只有當(dāng)入射角增大到某一角度才能發(fā)生全反射，從而引出發(fā)生全反射的另一個(gè)條件：入射角要達(dá)到某一角度。這樣的實(shí)驗(yàn)安排，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，條理清晰，由淺入深地引出接下來探究“臨界角”的實(shí)驗(yàn)。

3 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，深入探究問題

將一束激光以一較小的角度射入半圓形玻璃磚，如圖6（a），引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以看到反射光線和折射光線。繼續(xù)增大入射角，引導(dǎo)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可以看到隨著入射角的增大，折射角變大，折射光線越來越弱，反射光線越來越強(qiáng)，如圖6（b）。啟發(fā)學(xué)生思考，是否會(huì)存在某一時(shí)刻，當(dāng)入射角增大到某一角度時(shí)，折射角增大到90°，折射光線完全消失，入射光被全部反射。教師用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6（c），并解釋說明，折射角等于90°時(shí)對(duì)應(yīng)的入射角，叫做臨界角，用C表示。進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)全反射的理解和認(rèn)識(shí)：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角逐漸增大到某一角度，折射角達(dá)到90°，折射光消失，只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。繼續(xù)增大入射角，如圖6（d），引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)仍然會(huì)發(fā)生全反射現(xiàn)象。從而引出發(fā)生全反射的另一個(gè)條件：入射角等于或大于臨界角。

4 知識(shí)遷移應(yīng)用，聯(lián)系生活實(shí)際

無論是2017版的《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[2]，還是此前的課程標(biāo)準(zhǔn)[3]，對(duì)于本部分的教學(xué)都提出了這樣的要求：知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。這就要求在教學(xué)中，不僅要學(xué)習(xí)全反射的知識(shí)，更要啟發(fā)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際生活。既要講解全反射棱鏡以及光導(dǎo)纖維的原理，更應(yīng)使學(xué)生將課本知識(shí)與前沿科技相結(jié)合，認(rèn)識(shí)到物理與前沿科技的緊密關(guān)系。

結(jié)合以上所學(xué)內(nèi)容，教師講解全反射棱鏡的原理：在玻璃內(nèi)部，光射向玻璃與空氣的界面時(shí)，入射角大于臨界角，發(fā)生全反射。與平面鏡相比，它的反射率高，幾乎能達(dá)到100%，如圖7所示。教師引導(dǎo)學(xué)生思考光導(dǎo)纖維的原理：當(dāng)光在玻璃內(nèi)部傳播時(shí)，如果從玻璃射向空氣的入射角大于臨界角，光就會(huì)發(fā)生全反射。實(shí)用光導(dǎo)纖維由內(nèi)芯和外套兩層組成，內(nèi)芯的折射率比外套的大，光傳播時(shí)在內(nèi)芯和外套的界面上發(fā)生全反射，如圖8所示。向?qū)W生介紹，在當(dāng)今的信息時(shí)代，人們?cè)诮?jīng)濟(jì)活動(dòng)和科學(xué)研究中有大量的信息及數(shù)據(jù)需要加工和處理，而光纖正是傳輸信息最理想的工具。一根光導(dǎo)纖維電纜相當(dāng)于100 根傳送電話所使用的同軸電纜所傳送的信息，而且傳送時(shí)的損耗低，光纖技術(shù)為我們的生活提供了巨大的便利。

最后，類比于“光導(dǎo)纖維”的原理，教師帶領(lǐng)學(xué)生一起揭秘“水流導(dǎo)光”魔術(shù)：并不是光能夠沿“曲線”傳播，只是光沿著水流的軌跡不斷地發(fā)生著全反射。讓學(xué)生利用本節(jié)課學(xué)習(xí)到的知識(shí)解決引入的問題，妥善地解決了學(xué)生的“認(rèn)知沖突”，做到了首尾呼應(yīng)，同時(shí)也增強(qiáng)了學(xué)生運(yùn)用知識(shí)的能力，增強(qiáng)了學(xué)生的自豪感和自信心。

5 小 結(jié)

本節(jié)課運(yùn)用“水流導(dǎo)光”魔術(shù)引入，顛覆學(xué)生“先入為主”的認(rèn)知模式，使學(xué)生產(chǎn)生“認(rèn)知沖突”，激發(fā)其探究問題的興趣；設(shè)計(jì)“空氣層、水層”實(shí)驗(yàn)，利用簡(jiǎn)單的教具，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，引出發(fā)生全反射的必要條件：光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)。進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生，當(dāng)入射角較小時(shí)并不能發(fā)生全反射，從而過渡到半圓形玻璃磚實(shí)驗(yàn)，帶領(lǐng)學(xué)生探究全反射的另一條件：入射角等于或大于臨界角。通過測(cè)量臨界角的大小，利用折射率，給出臨界角的公式并通過實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)一步驗(yàn)證，加深學(xué)生的理解。最后，介紹全反射棱鏡與光導(dǎo)纖維的應(yīng)用，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到課堂知識(shí)與前沿科技的緊密聯(lián)系，讓學(xué)生解決上課之初的“認(rèn)知沖突”，從而實(shí)現(xiàn)了完整的課堂教學(xué)。

在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方面，學(xué)生能直觀感受到“全反射”是一個(gè)什么樣現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)全反射的定量計(jì)算；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的過渡性強(qiáng)，克服了實(shí)驗(yàn)之間的堆砌和羅列，采用了新穎有趣、符合學(xué)生認(rèn)識(shí)水平的課堂引入，使學(xué)生產(chǎn)生“認(rèn)知沖突”，活躍了課堂氣氛，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生的主觀能動(dòng)性得到了充分的發(fā)揮。設(shè)計(jì)出讓學(xué)生具體可感的實(shí)驗(yàn)裝置，加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的邏輯性，可以做到課堂有效推進(jìn)，學(xué)生高效吸收。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐慧.以問激疑，由疑啟思——“全反射”教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)，2017（2）：18-22.

[2]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2003.