創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 促進(jìn)深度學(xué)習(xí)
——以“光的偏振”為例

周志揚(yáng)

(浙江省諸暨市第二高級中學(xué),浙江 紹興 311800)

“深度學(xué)習(xí)”是指在教師的引導(dǎo)下,學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題,全身心積極參與課堂、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程．筆者試圖在 “光的偏振”一課中通過實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)設(shè)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“深度學(xué)習(xí)”,起到拋磚引玉的作用．

1 優(yōu)化“模擬實(shí)驗(yàn)”,促進(jìn)舊經(jīng)驗(yàn)向新知識深度轉(zhuǎn)化

教材通過繩波穿過垂直和平行 “狹縫”的兩幅模擬圖片,給教師提供了一個(gè)進(jìn)行偏振現(xiàn)象教學(xué)的形象的思路．但是教師在教學(xué)過程中,往往沒有調(diào)查學(xué)生是否具有繩波穿過“狹縫”的正確經(jīng)驗(yàn),機(jī)械地照搬課本圖片進(jìn)行教學(xué),絕大部分學(xué)生根據(jù)日常經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌蝾I(lǐng)悟繩波能夠穿過與振動(dòng)方向平行“狹縫”的情景．但是部分學(xué)生對振動(dòng)方向與“狹縫”垂直時(shí)繩波不能穿過“狹縫”這種說法還是心存疑慮的,認(rèn)為有可能穿過“狹縫”,只不過振幅減小了而已．

為了解決該問題,筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)繩波演示實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生探究橫波的特點(diǎn)．實(shí)驗(yàn)器材如圖1所示:學(xué)生電源、電磁打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、水晶彈力線一根(直徑為1 mm,太粗或太細(xì)振幅不明顯),水晶彈力線的彈性較好,振幅比較明顯,實(shí)驗(yàn)時(shí)形成的繩波最寬處達(dá)4 cm左右,并且選取淡顏色,以黑板為背景,能夠使最后排的學(xué)生也能觀察到比較明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象．自制“狹縫”一件(可以挑選兩個(gè)茶葉罐的蓋子,兩個(gè)蓋子背對疊放,在兩蓋子間邊緣夾一條厚度為3 mm左右長條紙板,并用膠布把蓋子邊緣固定住,制作成“狹縫”一件),水晶彈力線一端拴住打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的振針,讓學(xué)生拉直彈力線另一端后打開電源,由于振片的振動(dòng)在彈力線上會(huì)形成一列繩波,讓“狹縫”分別沿平行和垂直方向套住繩子來進(jìn)行探究．

師:如果一個(gè)同學(xué)拿著“狹縫”,讓其分別沿平行繩波振動(dòng)方向和垂直振動(dòng)方向套住繩子,各會(huì)觀察到什么現(xiàn)象?

圖1

學(xué)生討論總結(jié)后回答．

生:平行時(shí)繩波應(yīng)該能通過“狹縫”,但在垂直時(shí)不確定,或許能通過只不過振幅減弱,也有可能完全通不過．

該處教師不做直接回答,通過學(xué)生的討論總結(jié),讓學(xué)生陳述自己的思維和想法,使學(xué)習(xí)過程中的問題外顯,有利于對學(xué)生原來的知識結(jié)構(gòu)進(jìn)行打破和重構(gòu)．

教師讓3位學(xué)生上臺(tái)操作演示實(shí)驗(yàn),其余學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)平行時(shí)繩波能穿過“狹縫”,如圖2,而當(dāng)“狹縫”轉(zhuǎn)動(dòng)到與繩波垂直時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)繩波被“狹縫”完全阻擋,一點(diǎn)也通不過,如圖3所示．

圖2

圖3

師:大家通過剛才實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“狹縫”和繩波平行時(shí)繩波傳播不受影響,垂直時(shí)繩波完全被阻擋,但是剛才在“狹縫”從平行轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直的中間過程大家發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象(可以再次演示一遍),為什么?

學(xué)生討論后回答．

生:觀察到狹縫后面繩波振幅從大到小直至消失,應(yīng)該是垂直分量被阻擋了,而平行分量能夠通過．

師:這位同學(xué)回答得很正確,剛才的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)了橫波傳播的特點(diǎn),我們可以利用類似的實(shí)驗(yàn)來判斷光是橫波還是縱波．

個(gè)體經(jīng)驗(yàn)與人類知識在深度學(xué)習(xí)當(dāng)中不是無關(guān)痛癢的,而是相輔相成的,學(xué)生來到課堂,也不是一片空白,而是帶著已有的各種各樣的經(jīng)驗(yàn)來的,需要教師加以喚醒和改造,使之能夠自覺參與到學(xué)習(xí)當(dāng)中．由于機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波本身是一種比較復(fù)雜的運(yùn)動(dòng),而且學(xué)生在日常生活中較少接觸類似于繩波穿過“狹縫”這樣的事例,部分學(xué)生對繩波穿過“狹縫”后的經(jīng)驗(yàn)是片面和錯(cuò)誤的,而教師在教學(xué)當(dāng)中引入“繩波實(shí)驗(yàn)”,讓片面的經(jīng)驗(yàn)變得全面,錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn)變得正確．教學(xué)活動(dòng)中通過對經(jīng)驗(yàn)和知識進(jìn)行聯(lián)系、整合,學(xué)生學(xué)習(xí)的偏振概念就不再是碎片化的知識,也不再是簡單的知識組合,而是有血有肉的結(jié)構(gòu)化的知識．經(jīng)驗(yàn)變成了學(xué)習(xí)過程中有意義的內(nèi)容,成為了溝通學(xué)生學(xué)習(xí)和人類認(rèn)知的橋梁,在這一過程中同時(shí)也發(fā)展了學(xué)生的理解、關(guān)聯(lián)和科學(xué)思維能力．

2 加工“演示實(shí)驗(yàn)”,把握知識的本質(zhì)與變式

在教學(xué)活動(dòng)中教師在做“演示實(shí)驗(yàn)”時(shí),往往通過大角度(比如轉(zhuǎn)動(dòng)180°)的快速轉(zhuǎn)動(dòng)讓學(xué)生來觀察屏幕上透射光的變化,學(xué)生也能辨別出變暗或變亮．但是當(dāng)檢偏器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),再次讓學(xué)生來觀察光的偏振現(xiàn)象,學(xué)生會(huì)產(chǎn)生如下困惑:在轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)是不是有部分角度區(qū)間透射光強(qiáng)度沒有變化,到底是變亮還是變暗了?

如果想讓學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)中把握偏振現(xiàn)象的本質(zhì),就需要去除非本質(zhì)因素的干擾．但是從周圍環(huán)境的角度看教室內(nèi)原本就有很多日光燈、窗戶等外部光源,對屏幕上的透射光產(chǎn)生了干擾．其次從透射光本身的角度看,如果檢偏器轉(zhuǎn)動(dòng)比較小的角度,透射光的強(qiáng)度變化本身就不明顯,從而使學(xué)生難以比較．最后從觀察者的角度看,學(xué)生對透射光強(qiáng)度的對比是通過當(dāng)前透射光強(qiáng)度與記憶中的強(qiáng)度對比,而人眼看到的影像消失后,一般只能夠繼續(xù)保留影像0.1-0.4s,學(xué)術(shù)上稱之為“視覺暫留”,隨著時(shí)間的推移先前記憶中的影像會(huì)變得越來越模糊,因此在轉(zhuǎn)動(dòng)比較慢時(shí)就產(chǎn)生了對比上的困難．

首先教師拿出一組偏振裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)演示,將光線通過偏振片透射到黑板上后從夾角為0°開始快速轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器讓學(xué)生觀察．

師:在轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器時(shí)同學(xué)們發(fā)現(xiàn)了什么現(xiàn)象?

生:發(fā)現(xiàn)隨著夾角變化黑板上的亮度由亮變暗再變亮．

師:什么時(shí)候最亮,什么時(shí)候最暗,遵循什么規(guī)律呢?

學(xué)生再一次觀察后討論回答．

生:應(yīng)該是兩偏振片夾角為0°的時(shí)候最亮,90°的時(shí)候最暗,從0°到90°逐漸變暗．

師:剛才我把檢偏器快速轉(zhuǎn)動(dòng),如果我緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)檢偏器,大家再次仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)什么現(xiàn)象?

生:在慢速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,很難判斷光強(qiáng)是否連續(xù)變化,感覺部分區(qū)域光強(qiáng)幾乎不變．

師:我這里有4組偏振實(shí)驗(yàn)器材,手電、偏振片、電池等都是相同型號的,大家能否根據(jù)所給的材料設(shè)計(jì)出一個(gè)更好的實(shí)驗(yàn)?

學(xué)生討論后回答．

生:可以設(shè)計(jì)互成一定角度的4組實(shí)驗(yàn),投影到黑板上,對亮度進(jìn)行同屏對比．

該處通過減慢偏振片的轉(zhuǎn)動(dòng),來引發(fā)學(xué)生的疑問,因?yàn)閱栴}是思維的引擎,通過問題為導(dǎo)向的教學(xué)來激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維,從而提升學(xué)生的思維水平,加強(qiáng)知識和學(xué)生的聯(lián)系．

教師把4支手電放在架子上,打開相同光源投射到黑板上讓學(xué)生比較4支手電在黑板上投影的亮度,學(xué)生不難看出亮度基本相同，如圖4,然后將4組偏振器材分別按照0°、30°、60°、90°順序排布,如圖5所示．

圖4

圖5

師:根據(jù)剛才實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,結(jié)合之前的繩波實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻贸鍪裁唇Y(jié)論?

生:光也與繩波類似,能夠產(chǎn)生偏振現(xiàn)象,偏振片能夠使振動(dòng)方向平行與偏振片透振方向的光線通過．

“深度學(xué)習(xí)”需要學(xué)生把握事物的本質(zhì)和聯(lián)系,能夠?qū)崿F(xiàn)舉一反三．通過對“演示實(shí)驗(yàn)”的深加工,在動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)不同角度偏振光強(qiáng)度的靜態(tài)對比實(shí)驗(yàn)．通過“動(dòng)”、“靜”結(jié)合使光的偏振過程演繹得更加生動(dòng),類比第一個(gè)繩波通過“狹縫”的實(shí)驗(yàn),讓學(xué)生自然而然地融入到教學(xué)情景中,從而引導(dǎo)學(xué)生去思考繩波和光波本質(zhì)聯(lián)系,去探究和歸納它們之間的共同規(guī)律．學(xué)生只有把握了偏振現(xiàn)象的本質(zhì),才能順利實(shí)現(xiàn)知識的遷移和多方面應(yīng)用.這樣的知識才是真正屬于學(xué)生自己的結(jié)構(gòu)化的知識．把握知識本質(zhì)的過程,同時(shí)也是提升學(xué)生科學(xué)思維,真正學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的過程．

3 深挖“學(xué)生活動(dòng)”,理順學(xué)習(xí)機(jī)制

筆者從網(wǎng)上購買了1張32寸的3D電視偏振膜,剪成了7對直徑為10 cm左右的圓,做成7對沒有角度標(biāo)識的偏振片,準(zhǔn)備7只相同小手電,7個(gè)長方形紙盒(泡沫條也行),7只照度計(jì),并向?qū)W生介紹照度計(jì)的原理.(可以比較精確對比光照的強(qiáng)弱,如圖6所示)

圖6

師:剛才我們4組偏振片相互隔了30°依次擺放,大家都能發(fā)現(xiàn)透射光的強(qiáng)度變化的規(guī)律,但我們?nèi)绾巫C明在更小的夾角之間也符合這個(gè)規(guī)律?

生:偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)比較小的角度(例如10°)來觀察透射光強(qiáng)度的變化．

教師從0°開始轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)比較小的角度讓學(xué)生觀察透射光強(qiáng)度的變化．

師:我把偏振片轉(zhuǎn)動(dòng)了比較小角度,大家觀察到什么現(xiàn)象．

生:發(fā)現(xiàn)光強(qiáng)變化不明顯．

師:根據(jù)老師給的器材,如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來定量測定偏振現(xiàn)象中偏振片夾角與透射光強(qiáng)度的定量關(guān)系．

生:可以在紙盒上開兩條平行狹縫,把兩片偏振片插到紙盒的狹縫上,豎直立起來然后一片不動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)另外一片偏振片,記錄偏振片夾角和透射光強(qiáng)度的數(shù)據(jù),從而來研究它們的關(guān)系．

生:老師你給我們的偏振片沒有標(biāo)上角度,實(shí)驗(yàn)中沒辦法記錄夾角．

師:你們的偏振片沒有角度標(biāo)識,因?yàn)槭俏彝ㄟ^偏振膜剪出來的,結(jié)合剛才所學(xué)的知識和所給的材料,你們有沒有辦法自己標(biāo)上角度?

學(xué)生討論并交流后回答．

生:老師你的偏振片上有角度標(biāo)識,結(jié)合您的偏振片,只要找到不透光的位置,就標(biāo)上90°,然后依次對比標(biāo)上其它角度(如圖7)．

圖7

生:有同學(xué)在旁邊走動(dòng)時(shí)也會(huì)影響照度計(jì)的讀數(shù),什么原因,怎么辦?

學(xué)生討論后回答．

生:這個(gè)照度計(jì)上的光有周圍光線的影響,同學(xué)走動(dòng)時(shí)對周圍光線產(chǎn)生了影響,并不全是小燈泡通過偏振片照射過來的．

生:要求大家做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候不要走動(dòng),那么周圍的光線變化就不會(huì)明顯了,同時(shí)處理數(shù)據(jù)的時(shí)候應(yīng)該把沒有開小燈泡時(shí)的照度計(jì)上的原始讀數(shù)減掉,這樣就去掉周圍光線對實(shí)驗(yàn)的影響了．

師:有同學(xué)在做實(shí)驗(yàn)時(shí)提出手持照度計(jì)探頭時(shí)手的位置稍微變化一下,照度計(jì)的讀數(shù)就會(huì)比較明顯的變化,如何處理?

學(xué)生討論并交流后回答．

生:可以拿架子把照度計(jì)探頭固定在和燈泡、偏振片處于相同高度的位置,就不會(huì)因?yàn)樘筋^位置變化影響讀數(shù)了,如圖8所示．

圖8

師:兩片偏振片的距離是否會(huì)對偏振的效果產(chǎn)生影響,如何來探究這個(gè)問題?

生:不同小組采用不同距離, 1組采用30 cm距離,2組采用25 cm距離……,但是距離為0 cm怎么辦?

學(xué)生討論、交流后回答．

生:可以兩片偏振片緊貼的方法．

師:回憶平常實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法,可以采用哪些方法來處理我們獲得的數(shù)據(jù)?

生:表格法、圖像法、公式法．

師:那么我們分別用這幾種方法來處理數(shù)據(jù),看看各有什么優(yōu)缺點(diǎn)．

測得的其中一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別用圖像法和表格法進(jìn)行處理,如表1和圖9所示．

師:對比兩種數(shù)據(jù)處理方法,你認(rèn)為哪個(gè)方法更適合該實(shí)驗(yàn)．

生:圖像法,因?yàn)楦又庇^,容易看出光強(qiáng)的變化趨勢．

師:通過數(shù)據(jù)處理大家能否找出為什么一開始小角度緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片時(shí)光強(qiáng)變化不太明顯的原因?

表1 間距為10 cm時(shí)透射光強(qiáng)度和偏振膜夾角關(guān)系

圖9

生:圖表中能看出當(dāng)兩片偏振片的夾角處于0°-20°、70°-90°這兩個(gè)區(qū)間附近時(shí),透射光強(qiáng)有變化但確實(shí)不太明顯．

通過分組實(shí)驗(yàn)的設(shè)置,筆者分別提供了無標(biāo)識和有標(biāo)識的偏振片,讓學(xué)生作為探究活動(dòng)的主體去動(dòng)手設(shè)計(jì)和制作偏振片角度標(biāo)識,巧妙地引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的知識進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用,通過學(xué)以致用讓學(xué)生對所學(xué)的知識進(jìn)行活化．偏振知識不再是學(xué)生頭腦中一個(gè)孤立的知識點(diǎn),提升了學(xué)生的綜合運(yùn)用能力和學(xué)以致用的意識．通過討論、設(shè)計(jì)優(yōu)化探究方案,排除了周圍光線的干擾、固定了照度計(jì)探頭.這些過程都是學(xué)生自覺抓住知識的本質(zhì),排除干擾因素的過程,使學(xué)生真正學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)．通過這些“活動(dòng)和體驗(yàn)”讓學(xué)生全身心地去體驗(yàn)學(xué)習(xí)光的偏振過程中的精彩和復(fù)雜,去感受學(xué)習(xí)活動(dòng)帶來成功與喜悅和失敗的苦惱,使知識變成自己成長的養(yǎng)分,使學(xué)習(xí)的過程變成自己的成長過程．

4 綜述

傳統(tǒng)的教學(xué)中教師往往主要停留在知識的傳遞上而不是去促進(jìn)學(xué)生的健康全面發(fā)展,而是把教師、學(xué)生和知識割裂開了,偏離了教學(xué)的初心和本義．而“深度學(xué)習(xí)”需要通過教師的引導(dǎo)把知識和認(rèn)知對象在教學(xué)中轉(zhuǎn)化為學(xué)生主動(dòng)活動(dòng)的對象,從而使教師、學(xué)生、知識建立起有意義的聯(lián)系,并且通過學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)使知識真正成為自己成長的養(yǎng)分,實(shí)現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展,形成未來持續(xù)發(fā)展所需要的關(guān)鍵能力、必備品格和正確的價(jià)值觀．