“光的偏振”課堂設(shè)計(jì)的改進(jìn)

王旭 李俊鵬

摘 ? 要：基于物理核心素養(yǎng)，以“光的偏振”為例，在教學(xué)設(shè)計(jì)中突出對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力、實(shí)驗(yàn)探究能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng);光的偏振;實(shí)驗(yàn)探究;科學(xué)思維;社會(huì)責(zé)任感

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）5-0028-4

物理概念教學(xué)是物理教學(xué)中關(guān)鍵的一環(huán)，但為了追求課堂效率，不少教師習(xí)慣于運(yùn)用“告訴”的方式來(lái)推進(jìn)教學(xué)，忽略了對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)是基礎(chǔ)教育物理課程育人功能的集中體現(xiàn)，是當(dāng)前深化我國(guó)物理課程改革的方向。在新課標(biāo)的引導(dǎo)下，高中物理課堂的終極目標(biāo)并不是停留于知識(shí)，而是引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，會(huì)使用科學(xué)研究方法，養(yǎng)成科學(xué)思維習(xí)慣，將物理回歸生活、回歸社會(huì)，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，形成科學(xué)態(tài)度、科學(xué)世界觀和價(jià)值觀，為做有責(zé)任感的未來(lái)社會(huì)公民奠定基礎(chǔ)[1]。

本文以高中物理選修3-4第十三章第六節(jié)“光的偏振”課堂設(shè)計(jì)的改進(jìn)過(guò)程為例，從物理課堂的趣味性、發(fā)展性、自主性和探究性及實(shí)踐性四個(gè)方面，探討如何在物理課堂教學(xué)中落實(shí)科學(xué)探究和實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 ? ?物理課堂要有趣味性，要能夠激起學(xué)生學(xué)習(xí)的原動(dòng)力

課堂引入環(huán)節(jié)的作用有兩點(diǎn)。其一，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生的注意力快速集中到課堂中，并對(duì)整堂課充滿期待。其二，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，讓學(xué)生帶著疑問(wèn)開(kāi)始課程的學(xué)習(xí)和探究。因此，一個(gè)簡(jiǎn)短、有趣的實(shí)驗(yàn)是必不可少的。

1.1 ? ?方案設(shè)計(jì)——“小球穿墻”演示實(shí)驗(yàn)

如圖1，以“小球穿墻”演示實(shí)驗(yàn)作為引入。該實(shí)驗(yàn)儀器是由一口徑為6 cm（略大于乒乓球直徑）的透明玻璃管和兩個(gè)偏振片構(gòu)成。將一個(gè)偏振片沿著透振方向卷成圓柱， 另一個(gè)則垂直透振方向卷成圓柱，再將兩底面對(duì)接起來(lái)，中間就會(huì)出現(xiàn)一面不透光的“黑墻”。

教師演示小球穿墻而過(guò)：將乒乓球放入管內(nèi)，傾斜玻璃管，乒乓球會(huì)從一端滑下穿過(guò)“黑墻”，滑到另一端。這一現(xiàn)象成功引起了學(xué)生的興趣。此時(shí)，教師將筒口朝向?qū)W生，讓學(xué)生觀察到變換視角后“墻”的消失。在學(xué)生震驚于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的時(shí)候，教師提問(wèn)“這面忽隱忽現(xiàn)的‘墻到底是由什么光學(xué)現(xiàn)象產(chǎn)生的？”引導(dǎo)學(xué)生帶著問(wèn)題開(kāi)始課堂學(xué)習(xí)。

1.2 ? ?方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

所設(shè)計(jì)的學(xué)生活動(dòng)確實(shí)調(diào)動(dòng)了學(xué)生的熱情，使學(xué)生產(chǎn)生了疑問(wèn)，但學(xué)生參與性不強(qiáng)。教師不斷提問(wèn)，引導(dǎo)學(xué)生生成問(wèn)題的方法雖有效，但不利于學(xué)生思維的發(fā)展和思維習(xí)慣的養(yǎng)成。

1.3 ? ?方案改進(jìn)——“穿墻取物”魔術(shù)

“古有嶗山道士穿墻之術(shù)，今有物理老師穿墻取物”，教師借助風(fēng)趣的語(yǔ)言描述，隨機(jī)選取學(xué)生，由學(xué)生進(jìn)行“穿墻取物”魔術(shù)的演示（圖2），并由學(xué)生向大家展示沿著筒方向觀察“墻”消失的現(xiàn)象。在此過(guò)程，學(xué)生情緒立即升向高潮，同時(shí)對(duì)未知現(xiàn)象充滿好奇，激起學(xué)生對(duì)此部分知識(shí)進(jìn)行探究的動(dòng)力。

1.4 ? ?設(shè)計(jì)意圖

利用“自然光不能通過(guò)透振方向相互垂直的兩個(gè)偏振片”這一特性，做一個(gè)演示“穿墻取物”的教具，并由學(xué)生上臺(tái)演示和講解，教師配合調(diào)動(dòng)氣氛，利用視覺(jué)沖突吸引學(xué)生的注意力，引發(fā)學(xué)生思考，從而使學(xué)生進(jìn)入本節(jié)課的學(xué)習(xí)狀態(tài)。

2 ? ?物理課堂要有發(fā)展性，要能夠承上啟下，推進(jìn)學(xué)生通過(guò)類比從舊知識(shí)生成新知識(shí)

回顧舊知識(shí)生成新知識(shí)，借助已有機(jī)械波中橫波、縱波的概念，分析橫波偏振的特點(diǎn)，展開(kāi)本節(jié)課內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

2.1 ? ?方案設(shè)計(jì)——問(wèn)題設(shè)置，類比說(shuō)明

教師引領(lǐng)學(xué)生回顧機(jī)械波中橫波、縱波概念。展示“腰橫別扁擔(dān)進(jìn)不了城”圖片（圖3），并提問(wèn)：怎么才能通過(guò)城門(mén)呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行類比，同時(shí)展示一組窄縫對(duì)波傳播影響情況的對(duì)比圖，教師引導(dǎo)：當(dāng)窄縫的方向與振動(dòng)方向一致時(shí)，波能否透過(guò)窄縫？若窄縫方向與振動(dòng)方向垂直時(shí)，波能否透過(guò)窄縫？

學(xué)生回答，教師概括：這種現(xiàn)象就是橫波的偏振現(xiàn)象，也是橫波的特性。

2.2 ? ?方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

學(xué)生已經(jīng)知道橫波、縱波的概念和特性。通過(guò)教師的問(wèn)題引導(dǎo)和舉例類比，能夠引導(dǎo)學(xué)生建立偏振的概念。但此過(guò)程是教師引導(dǎo)為主，不利于學(xué)生思維能力的培養(yǎng)。同時(shí)，該方案盡管可以做到“承上”，但沒(méi)有能夠很好地發(fā)揮該環(huán)節(jié)“啟下”的作用，不利于本節(jié)課后續(xù)知識(shí)的生成。

2.3 ? ?方案改進(jìn)——“橫波偏振”演示實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)演示：打點(diǎn)計(jì)時(shí)器作為波源，在打點(diǎn)計(jì)時(shí)器振針與鐵架臺(tái)間連接一緊繃的彈性繩，適當(dāng)調(diào)節(jié)彈性繩的長(zhǎng)度，打開(kāi)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，彈性繩形成穩(wěn)定駐波。演示窄縫與繩波振動(dòng)方向相同和相互垂直時(shí)，對(duì)繩波傳播的影響（圖4）。

學(xué)生：窄縫與振動(dòng)方向一致時(shí)，繩波可以透過(guò)窄縫繼續(xù)傳播;窄縫與振動(dòng)方向垂直時(shí)，繩波無(wú)法透過(guò)窄縫。

教師：這種現(xiàn)象就叫做“偏振”?？v波有沒(méi)有偏振現(xiàn)象？

學(xué)生：僅橫波具有偏振現(xiàn)象。因此，可以通過(guò)探究波是否具有偏振現(xiàn)象來(lái)區(qū)分橫波和縱波。

教師：結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，你能否設(shè)計(jì)出探究光波是否是橫波的實(shí)驗(yàn)？

學(xué)生：剛才實(shí)驗(yàn)中繩波僅能通過(guò)一定方向的窄縫，旋轉(zhuǎn)窄縫，讓繩波通過(guò)，觀察窄縫后振動(dòng)的強(qiáng)弱，判定繩波有無(wú)偏振現(xiàn)象。關(guān)于光波是橫波的驗(yàn)證，我們需要光源和一個(gè)僅允許光波在一定振動(dòng)方向透過(guò)的“特殊窄縫”，旋轉(zhuǎn)“窄縫”，觀察有無(wú)明暗變化。

2.4 ? ?設(shè)計(jì)意圖

“橫波偏振”演示實(shí)驗(yàn)在本節(jié)課中起到了承上啟下的作用。在實(shí)驗(yàn)展示和現(xiàn)象解釋的過(guò)程中，引領(lǐng)學(xué)生回顧了機(jī)械波的相關(guān)知識(shí)，并進(jìn)一步推動(dòng)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行加工，生成新知識(shí)。同時(shí)，此演示實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生自主設(shè)計(jì)光偏振探究實(shí)驗(yàn)的重要類比對(duì)象。以“橫波偏振”演示實(shí)驗(yàn)作為整堂課的過(guò)渡環(huán)節(jié)，既能很好地體現(xiàn)物理知識(shí)的發(fā)展性，又能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主思考的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

3 ? ?物理課堂要有自主性和探究性，要能夠激勵(lì)學(xué)生自主思考

實(shí)驗(yàn)探究和概念生成的過(guò)程作為課堂的核心部分，要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主能動(dòng)性，教師應(yīng)化為課堂的導(dǎo)師，激勵(lì)學(xué)生自主思考。在生成知識(shí)的同時(shí)，注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維能力、實(shí)驗(yàn)探究能力以及利用科學(xué)術(shù)語(yǔ)與他人溝通交流能力的培養(yǎng)。因此，教師有效、簡(jiǎn)短的引導(dǎo)，學(xué)生獨(dú)立、自主的思考和探究，是課堂中對(duì)學(xué)生物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，可謂是一堂課的強(qiáng)心劑。

3.1 ? ?方案設(shè)計(jì)——構(gòu)建問(wèn)題鏈，引導(dǎo)知識(shí)生成

此教學(xué)環(huán)節(jié)包含光偏振的實(shí)驗(yàn)探究、自然光和偏振光概念的生成，是本節(jié)課的重要部分。教師通過(guò)建立問(wèn)題鏈，引導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，生成物理概念和規(guī)律。

在介紹了光偏振的探究實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生展開(kāi)實(shí)驗(yàn)并陳述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教師進(jìn)行總結(jié)，生成“光偏振”的概念，證明光是橫波。進(jìn)一步探究光波振動(dòng)的特點(diǎn)，教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并提問(wèn)：

“僅有一個(gè)偏振片時(shí)，光能通過(guò)但會(huì)變暗，說(shuō)明什么？”

“旋轉(zhuǎn)偏振片，亮度不變又說(shuō)明什么？”

學(xué)生回答，教師總結(jié)，最終生成光波振動(dòng)特點(diǎn)以及自然光和偏振光的概念。

3.2 ? ?方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

問(wèn)題邏輯清晰，引導(dǎo)性強(qiáng)，基本能夠按照教師的預(yù)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生完成問(wèn)題，并最終生成物理規(guī)律和物理概念。但過(guò)程中教師語(yǔ)言引導(dǎo)過(guò)多，此時(shí)會(huì)存在如下問(wèn)題：其一，不能夠很好地發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力;其二，比起文字，語(yǔ)言在學(xué)生頭腦中停留時(shí)間短暫，盡管問(wèn)題邏輯性強(qiáng)，但學(xué)生很難在短暫時(shí)間內(nèi)按照問(wèn)題形成邏輯，只是機(jī)械地回答問(wèn)題，按照教師的預(yù)期去生成答案;其三，不參與問(wèn)題回答的學(xué)生在此部分參與度低。物理課堂教學(xué)不應(yīng)只重視物理知識(shí)的生成，更應(yīng)重視對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.3 ? ?方案改進(jìn)——學(xué)案輔助，小組討論，自主生成

預(yù)設(shè)任務(wù)貫穿整個(gè)課程，引導(dǎo)學(xué)生自主思考、討論，并最終生成物理概念。圖5為教學(xué)過(guò)程中的預(yù)設(shè)問(wèn)題。從光偏振現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)探究的設(shè)計(jì)，到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和記錄，再到基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象討論生成物理知識(shí)，以及關(guān)于“光波振動(dòng)特點(diǎn)”問(wèn)題的“小組討論TIME”，全程以學(xué)生為主體，以實(shí)驗(yàn)探究和小組討論為主要形式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的激情。

3.4 ? ?設(shè)計(jì)意圖

物理課堂要有思維，有實(shí)驗(yàn)探究，要能夠激勵(lì)學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)生成知識(shí)。此環(huán)節(jié)是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。高中階段的學(xué)生對(duì)物理基本思想——類比思想和科學(xué)探究有一定的認(rèn)識(shí)，有自主思考和實(shí)驗(yàn)探究的能力。在此教學(xué)環(huán)節(jié)中，依靠學(xué)案預(yù)設(shè)任務(wù)的引導(dǎo)，學(xué)生通過(guò)自主思考、探究、討論、分析、總結(jié)，最終生成物理概念和規(guī)律。通過(guò)預(yù)設(shè)任務(wù)的引導(dǎo)，既能夠有目的地完成教學(xué)任務(wù)，又能夠充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的能動(dòng)性，在新概念生成的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生利用科學(xué)術(shù)語(yǔ)與他人溝通交流的能力和科學(xué)思維能力，保持學(xué)習(xí)和研究物理的內(nèi)在動(dòng)機(jī)。

4 ? ?物理課堂要有實(shí)踐性，要能夠?qū)W以致用，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感

物理源于生活，更應(yīng)該回歸生活。物理課堂的最終目標(biāo)不是掌握知識(shí)，而是將學(xué)生培養(yǎng)成為對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)的創(chuàng)新型人才。因此，將物理知識(shí)回歸實(shí)際是一節(jié)課必不可少的部分，更是一節(jié)課的升華。

4.1 ? ?方案設(shè)計(jì)——展示材料，理解應(yīng)用

通過(guò)列舉生活中的多個(gè)實(shí)例，將教學(xué)與生活結(jié)合，體現(xiàn)物理源于生活又應(yīng)用于生活的學(xué)科特點(diǎn)。

情景1 偏振片在“照相反光”問(wèn)題中的消光作用。

展示一組照片：一張由于水面反光影響了水下景色拍照的照片，一張同一環(huán)境、同一景色卻能清晰呈現(xiàn)水下情景的照片。

提問(wèn)：能否借助本節(jié)課所學(xué)知識(shí)講述照片出現(xiàn)反光問(wèn)題的原因。玻璃上的反光是偏振光，在鏡頭前加一塊小小的偏振片后可以起到消光、弱光的作用，旋轉(zhuǎn)偏振片到合適位置就可以輕松拍出清晰的畫(huà)面。

情景2 偏振片在“夜間行車”問(wèn)題中的保護(hù)作用。

老師播放“夜間行車遠(yuǎn)光燈的危害”小視頻，并提出問(wèn)題：能否借助本節(jié)課所學(xué)知識(shí)講述解決“夜間行車”問(wèn)題的方法，從而降低危害。

4.2 ? ?方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

創(chuàng)設(shè)具體情境，利用所學(xué)知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)的價(jià)值以及與生活、社會(huì)、科技的聯(lián)系。但簡(jiǎn)單的講授和討論，無(wú)法讓學(xué)生真正受到觸動(dòng)，不利于培養(yǎng)學(xué)生探究和創(chuàng)新的能力，不利于學(xué)生作為解決實(shí)際問(wèn)題的參與者，不利于保持學(xué)生學(xué)習(xí)物理的原動(dòng)力和增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。

4.3 ? ?方案改進(jìn)——分組實(shí)驗(yàn)，解決實(shí)際問(wèn)題

從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，既有實(shí)驗(yàn)探究，又要將實(shí)驗(yàn)結(jié)論應(yīng)用化。物理規(guī)律的應(yīng)用不應(yīng)該是生硬的講解，而應(yīng)該是促進(jìn)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)思維的方法，發(fā)展科學(xué)探究能力、科學(xué)思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重要契機(jī)。

教師通過(guò)播放 “夜間行車遠(yuǎn)光燈的危害”小視頻，展示“照相反光”問(wèn)題的對(duì)比照片，引導(dǎo)學(xué)生借助今天所學(xué)的知識(shí)來(lái)解決身邊的問(wèn)題。

將學(xué)生分為兩個(gè)小組，分發(fā)身邊的小工具作為實(shí)驗(yàn)儀器?！耙归g行車問(wèn)題”小組：手電筒（模擬遠(yuǎn)光燈）一個(gè)，偏振片兩個(gè)（如圖6）;“照相反光問(wèn)題”小組：一碗水，水中放置一枚硬幣（被拍照物體），以及手機(jī)（照相機(jī)），偏振片兩個(gè)（如圖7）。身邊的問(wèn)題，熟悉的實(shí)驗(yàn)儀器，全新的物理知識(shí)，極為有效地激發(fā)了學(xué)生的興趣，使學(xué)生全身心地投入到實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中。完成后，由小組代表上臺(tái)展示自己的研究成果。

4.4 ? ?設(shè)計(jì)意圖

物理來(lái)源于生活，可以利用物理知識(shí)解決生活難題，將實(shí)驗(yàn)探究所得的物理規(guī)律應(yīng)用于解決實(shí)際問(wèn)題。

生成新概念、掌握新知識(shí)是課堂的重要任務(wù)，但并不是終極任務(wù)。物理核心素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)的最終目的是將學(xué)生培養(yǎng)為社會(huì)需要的有科學(xué)探究能力、科學(xué)思維能力、自主學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的新一代人才。

本節(jié)課將身邊常見(jiàn)的物品設(shè)為實(shí)驗(yàn)器材，讓學(xué)生親自進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，解決問(wèn)題。這樣既可以顯著提升學(xué)生的興趣，激勵(lì)學(xué)生自主思考、探究，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，又能在具體情境中，啟發(fā)學(xué)生學(xué)會(huì)利用科學(xué)方法、科學(xué)思維分析研究問(wèn)題，利用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到物理學(xué)的價(jià)值以及與生活、社會(huì)、科技的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生將科學(xué)服務(wù)于社會(huì)的精神，加強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，實(shí)現(xiàn)真正的素質(zhì)教育。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)概念的認(rèn)識(shí)是否深刻、全面，幫助學(xué)生進(jìn)一步內(nèi)化、提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

5 ? ? 總 ? 結(jié)

物理課堂不應(yīng)局限于講授知識(shí)，更重要的是探究、實(shí)踐和創(chuàng)新，只有在新課標(biāo)引導(dǎo)下，滿足學(xué)生可持續(xù)發(fā)展的需求，才是物理教學(xué)的根本使命。

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）