光的偏振性教學(xué)設(shè)計

李小芳

(中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院 山西 晉中 030600)

目前，大部分高校在《大學(xué)物理》課程的教學(xué)中仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方式，而且由于學(xué)時的限制，教學(xué)中關(guān)于物理知識的實際應(yīng)用涉及很少，導(dǎo)致大部分學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)物理沒有用處，普遍缺乏學(xué)習(xí)興趣.針對上述現(xiàn)狀，本文以“光的偏振性”為例[1～4]，嘗試尋求一種更加有效的教學(xué)方法，從偏振現(xiàn)象的實際應(yīng)用出發(fā)，將理論知識講授與實驗驗證相結(jié)合，利用各種信息資源和信息技術(shù)支持學(xué)習(xí)，以期達到良好的教學(xué)效果.教學(xué)中強調(diào)對學(xué)習(xí)過程的評價，將是否積極參與教學(xué)活動，是否能應(yīng)用所學(xué)知識來解決實際問題作為考核標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在的學(xué)習(xí)動力.

1 教學(xué)背景分析

1.1 教學(xué)任務(wù)分析

參考教材:《物理學(xué)》(馬文蔚，高等教育出版社，第六版).

授課內(nèi)容：第十一章第九節(jié)“光的偏振性 馬呂斯定律”.

授課對象：本科二年級第一學(xué)期非物理專業(yè)學(xué)生.

授課學(xué)時：45 min.

1.2 先修課程分析

學(xué)生在學(xué)習(xí)本教學(xué)內(nèi)容之前，已經(jīng)初步掌握了機械波，光的干涉及光的衍射的相關(guān)內(nèi)容，且在初中的時候也已經(jīng)接觸過偏振的基本概念，為本節(jié)課的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ).

1.3 授課學(xué)生分析

獨立學(xué)院學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊，有的學(xué)生物理基礎(chǔ)較好，而且接觸過偏振片等光學(xué)儀器，授課之前已經(jīng)對課程有一些理解；有些學(xué)生高等數(shù)學(xué)基礎(chǔ)薄弱，對微積分不熟悉，將微積分知識應(yīng)用到物理中后，學(xué)習(xí)起來感覺吃力；有些學(xué)生光學(xué)基礎(chǔ)薄弱，對光的理解不足；有些學(xué)生思維活躍，對實用性課程很感興趣，但是注意力依賴于教師的授課方式.

2 教學(xué)目標(biāo)

2.1 知識目標(biāo)

(1)理解光的偏振現(xiàn)象；

(2)掌握自然光、偏振光、部分偏振光的表示方法和區(qū)別；

(3)掌握馬呂斯定律以及利用偏振片辨別自然光、偏振光、部分偏振光的方法；

(4)理解相機濾光及3D電影的原理；了解沙蟻導(dǎo)航定位原理.

2.2 能力目標(biāo)

(1)通過本課的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方法以及合作學(xué)習(xí)的能力；

(2)引導(dǎo)學(xué)生用已學(xué)的偏振原理來解釋一些實際問題的應(yīng)用，提高學(xué)生靈活運用物理知識解決實際問題的能力.

2.3 素質(zhì)目標(biāo)

(1)通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生具有一個合理的、開放的物理知識結(jié)構(gòu)和背景，并能以此為基礎(chǔ)，去接受、理解當(dāng)代科技的新概念、新技術(shù)；

(2)學(xué)生可以運用本節(jié)內(nèi)容中學(xué)到的科學(xué)思維方法，來解決以后學(xué)習(xí)、工作和生活中遇到的相關(guān)問題.

2.4 教學(xué)重難點

(1)教學(xué)重點

掌握偏振光辨別方法以及馬呂斯定律；能夠利用所學(xué)偏振知識解釋相關(guān)的實際應(yīng)用.

(2)教學(xué)難點

關(guān)于自然光分解為兩個相互垂直的光振動的理解；運用所學(xué)的偏振原理去正確地解釋大家所熟悉的生活現(xiàn)象.

3 教學(xué)資源設(shè)計

教學(xué)資源的媒體類型、簡介、來源以及使用方式如表1所示.

表1 教學(xué)資源

4 教學(xué)方式與方法

根據(jù)學(xué)生的學(xué)情特點和心理特點，對教學(xué)內(nèi)容進行適當(dāng)取舍和設(shè)計.從偏振的實際應(yīng)用出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；利用多媒體、圖片、視頻、動畫、藍墨云班課App等信息資源和信息技術(shù)，使學(xué)生能夠生動具體地理解知識，從而突破教學(xué)重難點；將理論知識講授與實驗驗證相結(jié)合，創(chuàng)設(shè)實驗情境，增強學(xué)生的感性認(rèn)識；最后引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)的偏振知識去解釋生活中的實際應(yīng)用，既可以活躍課堂氣氛，又加深了學(xué)生對概念的理解，讓學(xué)生明白“生活處處有物理”.

5 教學(xué)過程設(shè)計

5.1 教學(xué)流程圖及時間安排

圖1所示為教學(xué)流程圖及時間安排.

圖1 教學(xué)流程圖及時間安排

5.2 教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計

5.2.1 新課導(dǎo)入

播放科幻電影《蟻人2》中的片段：主人公找不到實驗樓，螞蟻軍團為其導(dǎo)航.進而向?qū)W生介紹：螞蟻有超強的定位導(dǎo)航功能，即使在沙漠這種既無參照物，又無氣味可循的環(huán)境中螞蟻也可以做到準(zhǔn)確定位.介紹完畢后向?qū)W生提問：“螞蟻為什么能夠做到超強定位？生物的這種導(dǎo)航原理是否可以用在現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)中？”從而引出新課.

設(shè)計意圖：播放視頻，提出問題，引起學(xué)生思考，且仿生的偏振導(dǎo)航是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，實用性很強.將此作為導(dǎo)入能夠吸引學(xué)生的注意，起到良好的引入效果.

5.2.2新課教學(xué)

利用繩子產(chǎn)生的機械波和一條狹縫介紹偏振的定義，引導(dǎo)學(xué)生理解偏振是橫波固有的，光是橫波，因此光有偏振現(xiàn)象.

教師向?qū)W生提問：“太陽光、手機屏幕發(fā)出的光、鏡面反射的光有什么不同？”從而過渡到光具有不同偏振態(tài)，引出自然光、偏振光、部分偏振光的概念及表示方法.再使用圖示分解法讓學(xué)生明白自然光和部分偏振光的各個光矢量可以分解到兩個相互垂直的方向上，且自然光沒有優(yōu)勢方向，而部分偏振光有優(yōu)勢方向.

設(shè)計意圖：從生活中常見的光出發(fā)，給他們提供一個似乎跟自己認(rèn)知相沖突的知識，吸引學(xué)生注意力，為后面的知識做鋪墊.

5.2.3 理論解析

(1)偏振片:起偏與檢偏

教師向?qū)W生提問：“如何利用自然光獲得線偏振光呢？獲得偏振光之后又如何檢測它呢？”引出起偏器和檢偏器.介紹偏振片，并將實驗器材偏振片發(fā)給學(xué)生進行傳閱.接下來教師進行提問:“偏振片的獲得方式？”，在回答該問題時，偏振片傳遞到哪位同學(xué)手里，哪位同學(xué)進行解答.通過讓學(xué)生觀察器材，引導(dǎo)其答出偏振片的獲得方式，并能夠指出偏振片上標(biāo)記的偏振化方向.

了解偏振片后，分析自然光通過偏振片的透射光光強及偏振態(tài)，提出問題：“線偏振光通過偏振片后，透射光是什么偏振態(tài)，光強大小為多少？”從而引出馬呂斯定律.

設(shè)計意圖：傳閱提問可以提高學(xué)生的注意力，活躍課堂氣氛.在學(xué)生了解偏振片之后，循序漸進，引出馬呂斯定律，使課程每個知識點之間聯(lián)系更緊密.

(2)馬呂斯定律

設(shè)計意圖：使用信息化教學(xué)平臺藍墨云班課App來輔助教學(xué)，對搶答的學(xué)生都給予相應(yīng)的經(jīng)驗值獎勵，大大調(diào)動了學(xué)生的積極性.Flash動畫的播放加深了學(xué)生對馬呂斯定律的理解.

5.2.4 理論深化：偏振光的檢測

(1)播放視頻：臺燈發(fā)出的光經(jīng)過偏振片，偏振片旋轉(zhuǎn)一周光強不變.

圖2為臺燈發(fā)出的光經(jīng)過偏振片，偏振片旋轉(zhuǎn)一周的視頻截圖.

圖2 視頻截圖:自然光檢測

學(xué)生分組討論：產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論：

1)由于自然光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，且無優(yōu)勢方向，因此,旋轉(zhuǎn)偏振片時透射光光強不變.

2)若通過偏振片的透射光光強不變，則入射光為自然光.

(2)播放視頻：電腦屏幕發(fā)出的光經(jīng)過偏振片，偏振片旋轉(zhuǎn)一周消光兩次.

圖3為電腦屏幕發(fā)出的光視頻截圖，圖4和圖5分別為電腦屏幕發(fā)出的光經(jīng)過偏振片，偏振片旋轉(zhuǎn)一周得到的第一次消光與第二次消光視頻截圖.

圖3 視頻截圖:線偏振光檢測

圖4 視頻截圖:線偏振光檢測第一次消光

圖5 視頻截圖:線偏振光檢測第二次消光

學(xué)生分組討論：產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論：根據(jù)馬呂斯定律，若通過偏振片的透射光強變化，且有兩次消光，則入射光為線偏振光.

(3)播放視頻：天空反射的日光經(jīng)過偏振片后，偏振片旋轉(zhuǎn)一周，光強變化，無消光.圖6為天空反射的日光的視頻截圖.

圖6 視頻截圖:部分偏振光檢測

圖7為天空反射的日光經(jīng)過偏振片后，偏振片旋轉(zhuǎn)一周，光強變化但無消光的視頻截圖.

圖7 視頻截圖:部分偏振光檢測光強變化，無消光

學(xué)生分組討論：產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論：

1)由于部分偏振光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，但部分偏振光有優(yōu)勢方向，因此,旋轉(zhuǎn)偏振片時透射光光強變化，但無消光.

2)若通過偏振片的透射光強變化，但無消光，則入射光為部分偏振光.

(4)播放視頻：電腦屏幕發(fā)出的光(線偏振光)經(jīng)過兩個偏振片P1和P2，旋轉(zhuǎn)P2，觀察線偏振光通過P1后的出射光與線偏振光本身的不同.

圖8為電腦發(fā)出的光經(jīng)過兩個偏振片的視頻截圖.

圖8 視頻截圖:線偏振光經(jīng)過兩個偏振片

學(xué)生分組討論：產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因并得出結(jié)論.

得出結(jié)論：根據(jù)馬呂斯定律，線偏振光經(jīng)過偏振片P1后出射光仍為線偏振光，但振動方向與偏振片的偏振化方向相同，與入射光不一定相同.

說明：學(xué)生在課前已經(jīng)按ABBC(成績等級)的組合分好.課上教師提問時隨機挑選小組成員來回答問題，如果被挑選的成員回答不上來或者回答不充分，小組內(nèi)其他成員可進行補充.該小組成員回答完畢后，其他小組成員可進行質(zhì)疑.

最后教師總結(jié)：辨別生活中自然光、線偏振光和部分偏振光的方法.

圖9為教師總結(jié)的課件截圖.

圖9 課件截圖:偏振光的檢測方法

設(shè)計意圖：由于人眼無法區(qū)分偏振態(tài)，通過視頻可以讓學(xué)生深刻體會到光具有不同的偏振態(tài)，使知識生動具體，便于學(xué)生理解，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；教學(xué)過程中，采用分組討論，“合作、質(zhì)疑”的教學(xué)模式，不僅活躍課堂氣氛，而且培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力，深化和拓展學(xué)生的思維.回答問題時隨機挑選組員在一定程度上可以避免部分學(xué)生“搭便車”，增強學(xué)生的集體榮譽感.

5.2.5 學(xué)以致用

(1)照相機的濾光鏡和太陽鏡

圖10為照相機鏡頭前不加偏振片拍攝的有反射光干擾的櫥窗，圖11為相機鏡頭前加偏振片消除反射光干擾后拍攝的櫥窗，其中偏振片的作用是濾掉不必要的反射光.

圖10 有反射光干擾的櫥窗

圖11 相機鏡頭前加偏振片消除了反射光干擾

學(xué)生分組討論：利用偏振的知識分析相機濾光鏡的原理.

教師總結(jié)：玻璃櫥窗反射的光為部分偏振光，部分偏振光在各個方向上都有光振動，可以看成任意兩個相互垂直的光振動的合成，且有優(yōu)勢方向.相機濾光鏡為偏振片，當(dāng)濾光片的通光方向與部分偏振光的優(yōu)勢方向垂直時，可以消除反射光的干擾.

(2) 3D電影原理

圖12為雙鏡頭攝像機.

圖12 雙鏡頭攝像機

講解前，讓學(xué)生做一個小游戲，伸出一個手指放于正前方，先只用右眼去觀測，再只用左眼去觀測，反復(fù)操作，這時學(xué)生會發(fā)現(xiàn)手指在左右跳動.學(xué)生對其感到好奇，從而引出人眼立體成像原理.

學(xué)生了解立體成像原理后，分析討論立體電影模仿人的視覺原理如何拍攝畫面，如何利用線偏振光放映，如何讓觀眾帶上偏振片眼鏡看到立體效果影像的原理.

圖13為3D電影放映與觀看方式示意圖.

圖13 3D電影放映及觀看方式

(3)沙蟻的導(dǎo)航原理及仿生偏振光導(dǎo)航

簡單講解沙蟻如何利用其復(fù)眼結(jié)構(gòu)對天空偏振光進行感知，從而確定方向.并讓學(xué)生了解一下仿生偏振光導(dǎo)航技術(shù).

設(shè)計意圖：教學(xué)過程中加入小游戲，可調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性.“學(xué)以致用”環(huán)節(jié)，采用圖片、視頻等方式呈現(xiàn)，深入淺出地進行分析講解，使物理規(guī)律貼近生活，同時也使學(xué)生印象深刻，牢固掌握.相機濾光鏡原理的講解也可以為下一節(jié)“反射光和折射光的偏振”的內(nèi)容做鋪墊，最后沙蟻的導(dǎo)航原理及仿生偏振光導(dǎo)航的介紹，不僅使得教學(xué)內(nèi)容前后呼應(yīng)，而且可以使學(xué)生了解相關(guān)的科學(xué)技術(shù).

5.2.6 課堂小結(jié)

利用思維導(dǎo)圖總結(jié)本節(jié)課知識點，如圖14所示.

圖14 課堂小結(jié)

設(shè)計意圖：采用思維導(dǎo)圖總結(jié)知識點，可圖文并茂，不僅鞏固所學(xué)，且理清了知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，構(gòu)建了知識網(wǎng)絡(luò).

5.2.7 作業(yè)布置

利用藍墨云班課App進行作業(yè)布置.

(1)知識應(yīng)用：學(xué)生使用藍墨云班課App下載視頻“照妖鏡”，利用偏振和液晶的知識解釋其中蘊含的道理.

(2)在線測試題

設(shè)計意圖：通過知識應(yīng)用和在線測試鞏固和檢驗所學(xué)知識.使用藍墨云班課App布置作業(yè)便于教師記錄及統(tǒng)計平時成績.

6 學(xué)習(xí)評價

采用能力與知識并重的多元化考核體系，加大了平時成績的比重，注重過程考核，激勵學(xué)生主動學(xué)習(xí).本節(jié)課由3部分成績評價構(gòu)成，分別為課堂表現(xiàn)(60%)、拓展應(yīng)用(30%)及課后在線測試(10%)，課堂表現(xiàn)主要包括活躍課堂氣氛、回答問題、搶答、小組討論等.

以上3項成績都使用藍墨云班課App進行記錄，保證學(xué)生隨時了解自己平時成績的動態(tài).

7 教學(xué)反思

(1)以學(xué)習(xí)者為中心 注重能力培養(yǎng)

課程引導(dǎo)學(xué)生積極主動地學(xué)習(xí)，加強了生活實踐和應(yīng)用，盡力將物理與我們的生活實踐、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展相聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

(2)充分利用各種信息資源和信息技術(shù)支持學(xué)習(xí)

信息化多媒體平臺的引入極大地豐富了課堂教學(xué)，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動力，從而提高學(xué)習(xí)效率.

(3)強調(diào)對學(xué)習(xí)過程的評價

將學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中是否積極參與教學(xué)活動，是否能應(yīng)用所學(xué)知識來解決實際問題作為考核標(biāo)準(zhǔn)，激發(fā)學(xué)生的主觀能動性.