“全反射”教學(xué)設(shè)計的新探索

田望璇 邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院,北京 100048)

1 現(xiàn)行教材編寫分析

教材首先介紹光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)的定義及其相對性,然后通過半圓形玻璃磚的演示實驗,引出全反射的定義和臨界角的概念及計算,最后,以全反射棱鏡和光導(dǎo)纖維為例,介紹全反射現(xiàn)象的應(yīng)用.

研究發(fā)現(xiàn),基于三維課程目標(biāo)的教材[1]編寫存在以下問題: (1) 雖然教材通過演示實驗展示了真實的全反射現(xiàn)象,但并未呈現(xiàn)直觀、動態(tài)的光路圖,這就在一定程度上影響了學(xué)生對于全反射現(xiàn)象的理解; (2) 教學(xué)邏輯主線不甚清晰,缺乏全反射現(xiàn)象、概念、公式間的系統(tǒng)連接; (3) 學(xué)生對知識形成過程的體驗不夠,忽視了過程展現(xiàn)對教學(xué)的重要作用.有鑒于此,本文針對以上問題,基于物理概念與規(guī)律教學(xué)的要求展開新的教學(xué)設(shè)計.

為了解決全反射教學(xué)中存在的問題,確定一條邏輯清晰的教學(xué)主線便成為本節(jié)教學(xué)設(shè)計的重中之重.筆者認(rèn)為,本節(jié)課的教學(xué)應(yīng)遵循物理概念與規(guī)律教學(xué)的要求.[2]具體而言,由生活中的全反射現(xiàn)象出發(fā),創(chuàng)設(shè)情境激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣;運(yùn)用實驗歸納法,通過直觀、動態(tài)的光路圖講解全反射的產(chǎn)生過程和條件,建立全反射概念;進(jìn)一步,詮釋全反射現(xiàn)象的本質(zhì),借助臨界法計算玻璃磚的臨界角,使全反射及臨界角的概念得以順利應(yīng)用;最后,運(yùn)用所學(xué)知識解釋生活中的光現(xiàn)象,達(dá)到學(xué)以致用的目的.顯然,依據(jù)物理概念與規(guī)律教學(xué)要求的教學(xué)設(shè)計,有助于學(xué)生體驗全反射學(xué)習(xí)的過程,從而更好地發(fā)展物理核心素養(yǎng).

2 教學(xué)設(shè)計的新探索

2.1 創(chuàng)設(shè)全反射現(xiàn)象建立的情境

物理知識源于生活.因此,教學(xué)中應(yīng)以全反射現(xiàn)象的形成過程為出發(fā)點(diǎn),引導(dǎo)學(xué)生從生活中的物理現(xiàn)象出發(fā),感受全反射產(chǎn)生的前提與動因,為抽象的物理概念注入鮮活生動的生活元素,將書本里的物理知識升華為學(xué)生對生活中的直觀感受,從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,調(diào)動學(xué)習(xí)的主觀能動性和積極性.

在日常生活中,有許多全反射現(xiàn)象.例如,清晨鳶尾花葉片上的露珠在陽光的照耀下閃閃發(fā)光;喝水時發(fā)現(xiàn)水杯中的氣泡看上去特別明亮.教師可以向?qū)W生展示露珠和氣泡的圖片,引領(lǐng)他們從生活現(xiàn)象中提煉物理情境,提出可探究的物理問題.基于教師的引導(dǎo),學(xué)生自然而然就可提出諸如為什么會發(fā)生這樣的現(xiàn)象?這個現(xiàn)象的原理是什么等問題.在此基礎(chǔ)上,教師可進(jìn)行演示實驗,如向玻璃杯中加水,原本在杯底中的硬幣就“消失不見”了;激光在彎曲的有機(jī)玻璃棒中并不沿直線傳播.通過設(shè)置認(rèn)知沖突,激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲,讓學(xué)生透過實驗現(xiàn)象去發(fā)現(xiàn)蘊(yùn)含在其中的全反射現(xiàn)象.

2.2 運(yùn)用科學(xué)方法建立全反射概念

在創(chuàng)設(shè)物理情境之后,就需要沿尋物理概念與規(guī)律獲得的邏輯路徑,運(yùn)用科學(xué)方法建立物理概念及規(guī)律.基于此,可以運(yùn)用實驗歸納法進(jìn)行研究.光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時,會同時發(fā)生反射和折射.根據(jù)折射定律,光由光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)(例如由空氣射入水)時,折射角小于入射角,如圖1所示.根據(jù)光路的可逆性,當(dāng)光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)(例如由水射入空氣)時,折射角大于入射角.當(dāng)入射角增大到一定程度,但還沒有到達(dá)90°時,折射角就會先增大到90°,此時折射光完全消失,只剩下反射光,這種現(xiàn)象就叫做全反射,此時的入射角叫臨界角,用C表示.之后,教師通過學(xué)生分組實驗探究的方式,引導(dǎo)學(xué)生歸納出發(fā)生全反射的兩個條件:光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)以及入射角等于或大于臨界角.

圖1 全反射的產(chǎn)生示意圖

借助圖1,可以幫助學(xué)生構(gòu)建起光的反射、折射和全反射之間的邏輯關(guān)系,從而理解全反射的產(chǎn)生過程.由于全反射現(xiàn)象的發(fā)生具有動態(tài)化、抽象化的特點(diǎn),學(xué)生理解往往會產(chǎn)生困難.因此,教學(xué)中就應(yīng)向?qū)W生展示直觀、動態(tài)的光路圖,幫助他們理解全反射的產(chǎn)生過程及條件.

2.3 理解全反射現(xiàn)象的本質(zhì)

物理教學(xué)的最終目的是以科學(xué)的方式講清楚物理知識最核心的本質(zhì),一切教學(xué)方法和教學(xué)活動都要圍繞物理本質(zhì)展開.因此,教師在介紹全反射概念的基礎(chǔ)上,還應(yīng)繼續(xù)帶領(lǐng)學(xué)生理解全反射現(xiàn)象的物理本質(zhì).

光是一種電磁波,因此,可以以電磁波為著力點(diǎn),幫助學(xué)生理解全反射現(xiàn)象的本質(zhì)及其微觀的物理圖景.事實上,在全反射現(xiàn)象發(fā)生時,入射波不是簡單地全部回到光密介質(zhì),在光疏介質(zhì)中也存在透射波.入射波從光密介質(zhì)入射到界面上,并不是從分界面上突然返回光密介質(zhì),而是繼續(xù)沿分界面?zhèn)鞑?在光疏介質(zhì)內(nèi)傳播一段距離z0,[3]這段距離約為波長數(shù)量級,然后,再從光疏介質(zhì)返回光密介質(zhì).發(fā)生全反射時,能量隨著傳播深度指數(shù)衰減,但這種衰減并不是被損耗,而是被逐漸返回原介質(zhì)而產(chǎn)生的,因此,兩介質(zhì)間是完全沒有能量交換的.[4]顯然,只有厘清全反射現(xiàn)象的本質(zhì),才能算得上是真正理解了全反射現(xiàn)象.

2.4 借助科學(xué)方法應(yīng)用全反射現(xiàn)象

研究表明,物理概念與規(guī)律唯有通過應(yīng)用,才能使學(xué)生理解得更為深刻,掌握得更為牢固.由于物理概念與規(guī)律需要經(jīng)由科學(xué)方法才能應(yīng)用,所以,為了能夠順利應(yīng)用全反射,就必須借助科學(xué)方法.

物體由一種物理過程(狀態(tài))變?yōu)榱硪环N物理過程(狀態(tài))時,通常存在一個分界狀態(tài)或轉(zhuǎn)折點(diǎn),這時物體所處狀態(tài)通常稱為臨界狀態(tài),與之相關(guān)的物理條件則稱為臨界條件,研究臨界問題的方法稱為臨界法.當(dāng)發(fā)生全反射現(xiàn)象時,是折射光剛好消失的臨界狀態(tài),教師可由此引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用全反射的概念和臨界角的定義尋找光從介質(zhì)射入空氣時,發(fā)生全反射的臨界角C與介質(zhì)的折射率n的關(guān)系,即

(1)

同時,學(xué)生也能發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的折射率越大,發(fā)生全反射的臨界角越小.比如,鉆石的折射率為2.41,臨界角為24.4°,水晶的折射率為1.52,臨界角為41.0°,由此,學(xué)生便知道鉆石比水晶看上去更加閃亮的原因.因為鉆石的臨界角小于水晶的臨界角,所以鉆石比水晶更容易發(fā)生全反射,這就是人們選擇鉆石作為戒指的原因.

2.5 運(yùn)用物理概念與規(guī)律解釋全反射現(xiàn)象

“應(yīng)用”是物理概念與規(guī)律教學(xué)的最后環(huán)節(jié).需要明確的是,這一環(huán)節(jié)不能理解為解答物理習(xí)題.只有通過解決實際物理問題,學(xué)生才能真正理解物理概念與規(guī)律.由此,教師可帶領(lǐng)學(xué)生利用所學(xué)知識解釋虹和霓的形成原因及其區(qū)別.太陽光照射到雨滴后,會在雨滴中發(fā)生全反射,形成彩色的光帶.虹的光帶紅色在外,紫色在內(nèi),是太陽光在水滴中發(fā)生一次全反射形成的,紅光的出射光與入射光的夾角α=42°.霓的光帶紫色在外,紅色在內(nèi),是發(fā)生兩次全反射形成的,紅光的出射光與入射光的夾角α=50°,如圖2所示.至此,通過霓和虹的比較,學(xué)生可以對全反射現(xiàn)象有更為深入的認(rèn)識.

圖2 霓和虹的形成示意圖

正如物理教育專家喬際平先生所說,“學(xué)習(xí)物理的首要目的不是獲得知識,而是解決生活實際中遭遇的物理問題,問題解決后自然習(xí)得相應(yīng)的物理知識”.[5]問題是學(xué)生思維的起點(diǎn),知識的獲得始于問題的提出,終于問題的解決.只有運(yùn)用所需知識解決實際問題,才能使學(xué)生真正體會到物理學(xué)的魅力所在.

3 研究啟示

3.1 彰顯教學(xué)理論的價值

長期以來,我國物理概念與規(guī)律的教學(xué)始終未能突破經(jīng)驗總結(jié),原因在于教學(xué)一直缺乏深入的理論研究.而基于科學(xué)方法中心論的物理概念與規(guī)律教學(xué)要求,在抓住概念規(guī)律教學(xué)要素的同時,兼具科學(xué)、合理、流暢的教學(xué)邏輯,展現(xiàn)了物理概念與規(guī)律教學(xué)的應(yīng)有之意,使物理概念與規(guī)律的教學(xué)得以超越經(jīng)驗而上升到理論層面,從而有效解決了教學(xué)中長期滯留的問題,為物理教學(xué)提供了堅實的理論指引.

正是在物理概念與規(guī)律教學(xué)要求的指導(dǎo)下,全反射的教學(xué)設(shè)計才顯現(xiàn)出獨(dú)特的結(jié)構(gòu)性與整體性.本節(jié)教學(xué)設(shè)計的核心是體現(xiàn)運(yùn)用科學(xué)方法建立全反射概念,理解全反射現(xiàn)象的本質(zhì),借助科學(xué)方法應(yīng)用全反射現(xiàn)象,運(yùn)用物理概念與規(guī)律解釋全反射現(xiàn)象,它們相輔相成,共同構(gòu)筑起了全反射教學(xué)的結(jié)構(gòu).這種觀點(diǎn)下的物理教學(xué)設(shè)計既相互關(guān)聯(lián)又相互依存,呈現(xiàn)出層層遞進(jìn)、逐步升華的樣態(tài).其脈絡(luò)淸晰、層次分明、目標(biāo)明確的特點(diǎn),很好的體現(xiàn)了循序漸進(jìn)的教學(xué)原則.

3.2 體現(xiàn)物理哲學(xué)的思想

量變引起質(zhì)變,是馬克思主義哲學(xué)原理的重要觀點(diǎn),也是物理學(xué)中的重要思想.量變和質(zhì)變是事物發(fā)展變化過程中兩種不同的狀態(tài),一切事物的變化一般都是從量變開始,逐漸積累起來,當(dāng)量變發(fā)展到一定程度時,就會發(fā)生跳躍式的改變而引起質(zhì)變.[6]

全反射現(xiàn)象發(fā)生的過程不僅反映出量變到質(zhì)變的哲學(xué)思想,也體現(xiàn)出量變與質(zhì)變相互交錯滲透的內(nèi)在聯(lián)系.在全反射現(xiàn)象演示實驗中,當(dāng)入射角增大到一定程度時,折射光剛好消失,此時恰好發(fā)生全反射,處于臨界狀態(tài).這時,教師可向?qū)W生強(qiáng)調(diào)臨界的觀點(diǎn)與方法,體會現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的臨界思想.教師應(yīng)當(dāng)告訴學(xué)生,臨界的觀點(diǎn)以及從量變到質(zhì)變的哲學(xué)思想與辯證規(guī)律,是全反射概念與本質(zhì)在學(xué)生頭腦中的升華,也是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ).因此,這樣的教學(xué)設(shè)計才有利于學(xué)生體會臨界的觀點(diǎn),感悟物理學(xué)中量變引起質(zhì)變的哲學(xué)思想.

3.3 超越傳統(tǒng)教材的局限

我國傳統(tǒng)物理備課的“教材分析”、“教案撰寫”強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗的繼承,強(qiáng)調(diào)對物理材料的感知和把握,但其固有的封閉性在相當(dāng)程度上造成了“閉門造車”的傾向.[7]研究發(fā)現(xiàn),很多中學(xué)物理教師在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時,主要依據(jù)的是教材,教學(xué)設(shè)計往往就是教材的細(xì)化過程.[8]這樣的教學(xué)設(shè)計過分依賴教材,缺乏教師對于物理知識的思考與創(chuàng)造,不利于學(xué)生對知識的把握.

對于全反射一節(jié),教材編寫雖然力求完備,但終究不能做到盡善盡美.傳統(tǒng)教材對于全反射現(xiàn)象、本質(zhì)與應(yīng)用等教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接存在不足,沒有使學(xué)生達(dá)成對知識形成過程的體驗.若完全依據(jù)教材進(jìn)行教學(xué)設(shè)計,就會使這些不足成為學(xué)生知識體系中的問題,阻礙學(xué)生對知識的理解與掌握.當(dāng)然,這囿于我們的基礎(chǔ)教育水平,新版課程標(biāo)準(zhǔn)已在這一方面做出了很大改變.本節(jié)全反射教學(xué)設(shè)計超越傳統(tǒng)教材的局限,遵循物理概念和規(guī)律的教學(xué)要求,力圖帶領(lǐng)學(xué)生親歷全反射現(xiàn)象形成的始末.通過厘清現(xiàn)象,揭示本質(zhì),把握邏輯,展開應(yīng)用,從而較好地體現(xiàn)了物理核心素養(yǎng)的要求.