“玻璃碎片的折射率測量”的STEM課程嘗試

顧 琦

(無錫市第一中學，江蘇 無錫 214000)

一直以來，物理課大多是以“客觀規(guī)律學習→實驗驗證或測量→習題應用(顯性的習題練習)”，或者是“實驗探究下規(guī)律的學習→實例應用(隱形的習題練習)”的面貌出現(xiàn)在教師和學生面前的.是否還可以做些新的嘗試呢？

1 高中物理核心素養(yǎng)對學生認識科技的應用提出了要求

利用玻璃磚“測定玻璃的折射率”，是學生在學習了折射定律后開展的實驗.常規(guī)教材中的安排就屬于“客觀規(guī)律學習→實驗驗證或測量”這一類型.

無論是學生實驗中采用的插針法，還是教師課堂演示實驗中激光束的顯示，都是為了獲得光路，之后確定界面和法線，就可以找到折射角和入射角，然后運用折射定律求出折射率.

那么，在實際生產(chǎn)生活中，折射率真的都是這樣測定的嗎？高中物理核心素養(yǎng)的提出，比以往更關注了物理規(guī)律在實際生產(chǎn)、生活中的應用.那么這個問題也就值得深究了.

2 STEM課程為學生認識“從‘學科規(guī)律’到 ‘科學技術(shù)’的轉(zhuǎn)化”提供了可能

STEM課程《福爾摩斯探案之玻璃碎片的折射率分析》以一起兇殺案為背景，從法醫(yī)鑒定的角度出發(fā)，研究兇案現(xiàn)場的玻璃碎片與嫌疑車輛破碎大燈玻璃之間的關系，從而確定或者排除嫌疑車輛.基于學生的學科基礎，以比對玻璃折射率為手段進行研究.

“可以直接運用折射定律來測定碎玻璃的折射率嗎?”當筆者把這個問題拋給學生時，學生立刻提出了反對意見：“碎片太小”、“不易找到平整的兩個表面”、“即使玻璃片有平整表面，但厚度太小”.

的確，學生提出的情形，以及測量精度不高，都是實際測量中會遇到的不理想情況.

畢竟學科規(guī)律并不等同于科學技術(shù)，兩者之間還有很大的一步跨度.STEM課程將“科學、技術(shù)、工程、數(shù)學”等學科綜合應用，所以，STEM課程就是讓學生來認識“學科規(guī)律→科學技術(shù)”這樣一個大跨度“橋梁”的.

3 跨學科的STEM課程也向教師打開了學習之窗

STEM課程《福爾摩斯探案之玻璃碎片的折射率分析》提供的是觀察貝克線的方法.

什么是貝克線，其中有什么規(guī)律，物理原理又是什么，還有如何讓學生來理解其中的轉(zhuǎn)化過程？這門STEM課程，從一入手就體現(xiàn)出了不低的要求：物理教師自己先要身體力行的踐行“發(fā)現(xiàn)問題、分析問題，解決問題”的過程.

經(jīng)過網(wǎng)絡檢索和資料查閱，筆者發(fā)現(xiàn)：“貝克線”由德國學者貝克最早發(fā)現(xiàn)，主要運用在礦物、巖石、礦床及地球化學等專業(yè)的研究中.在顯微鏡下，升降物臺或鏡筒，貝克線會相對邊緣平行移動.具體為：下降物臺(或提升鏡筒)，貝克線相對邊緣向折射率大的介質(zhì)一方移動；提升物臺(或下降鏡筒)，貝克線相對邊緣向折射率小的介質(zhì)一方移動.

測量方法是這樣的：在顯微鏡下觀察特定液體中玻璃粉末邊緣貝克線的移動情況，就可以判斷玻璃與該液體折射率的大小關系，更換不同折射率的液體(在實際玻璃折射率測量系統(tǒng)中則是通過改變液體溫度來調(diào)整液體折射率)，從而不斷逼近玻璃折射率的準確值.當玻璃折射率與液體折射率相同時，貝克線就會消失.根據(jù)資料說明，該方法在白光下靈敏度可達0.001，單色光下可高達0.0005.精確度遠高于平時課堂中玻璃磚的測量結(jié)果??！

圖1 顯微鏡下的玻璃碎片

不過，光看這些結(jié)論和書籍上的分析，都只能是紙上談兵，從理解內(nèi)容到能據(jù)此合理組織課堂教學還是存在不小的差距，所以還得親自動手實踐.借來顯微鏡，在載玻片上用牙簽挑少許材料包里“已知車輛的前照燈”的玻璃粉末、再滴上折射率為1.45的液體、蓋好蓋玻片制成玻片標本，放到載物臺上，選擇10倍物鏡，粗調(diào)、微調(diào)，在視野中找到一個比較明顯的玻璃碎片，如圖1.碎片邊緣的亮線就是“貝克線”，而邊緣上的黑線就是“邊界”，此時合焦，兩者幾乎重合了.提升、下降鏡筒果然看到亮線會移動：當鏡筒上升時，如圖2可以看到亮線(貝克線)往玻璃碎片內(nèi)側(cè)移動(出現(xiàn)失焦模糊也是正常情況)；而鏡筒下降時，貝克線會往玻璃碎片外側(cè)方向移動，甚至移動到了邊界黑線外側(cè)，如圖3所示.

圖2 貝克線向玻璃片內(nèi)側(cè)移動

圖3 貝克線向玻璃碎片外側(cè)移動

比對所用材料的參數(shù)：液體的折射率為1.45， “車輛前照燈”玻璃的折射率參考值在1.47-1.49.的確玻璃粉末的折射率大于液體折射率，鏡筒上移，貝克線會向玻璃碎片內(nèi)側(cè)移動；鏡筒下移，貝克線會向液體方向移動，規(guī)律驗證得很好.

4 學生在規(guī)律的尋找中感受學科原理的價值

STEM課程不只是讓學生來體驗操作技術(shù)的，所以上述規(guī)律及其成因就讓學生自己來尋找吧.

在實際課堂中，筆者和學生們一起討論了一個基本模型：這里的光學現(xiàn)象會涉及折射的相關知識；楔形是玻璃碎片(粉末)的邊緣較為常見的情況，類似于梯形玻璃磚邊緣的形狀.

考慮到學生只掌握了一側(cè)介質(zhì)為空氣的折射規(guī)律，在課堂中，筆者將課本折射定律拓展為：n1sinα1=n2sinα2，即折射率大的介質(zhì)一側(cè)，光線與法線夾角較小；折射率小的介質(zhì)一側(cè)光線與法線夾角較大.

于是，學生就利用圖4模型進行研究討論，他們有的是根據(jù)折射定律直接進行判斷的，也有的是借助梯形玻璃磚和激光筆為工具進行光路觀察和仿畫的.

圖4 玻璃碎片邊緣的兩種情況

很快，學生就確定了“n玻>n液”時的光路情形(圖5).

圖5 “n玻>n液”情況下的光路圖

如何解釋顯微鏡下觀察到的“亮線”呢？學生在圖5中發(fā)現(xiàn)，光束有的地方變得密集，有的地方變得稀疏，于是推測光線相交處看起來會比較亮.貝克線的基本成因就這么被學生找到了：密集的地方就是我們看到的貝克線的位置；稀疏的地方就是邊界的位置.

再結(jié)合顯微鏡筒升降的過程，學生不難發(fā)現(xiàn)圖6中，當顯微鏡聚焦在F1平面的時候，貝克線的位置處在A、B處，而抬高鏡筒，聚焦到F2平面時，貝克線的位置就處在A′、B′處，這就有了“n玻>n液”條件下貝克線的移動規(guī)律：隨著鏡筒抬高貝克線會向玻璃碎片內(nèi)部移動.

圖6 “n玻>n液”，聚焦平面上升，貝克線向內(nèi)收縮

有了“n玻>n液”的分析基礎，“n玻

圖7 “n玻

當然，貝克線的成因可能還會涉及全反射現(xiàn)象，基于學生的學習基礎，這里也就淡化處理了.

從第一課堂的理論分析來看，學生間的差異還是比較明顯的，有的學生已經(jīng)能夠直接通過折射定律判斷光路了，而還有部分學生是要依賴玻璃磚和激光筆進行實驗觀察的.但是，無論哪種情況，通過這個討論過程，對折射定律都會或多或少有更清晰的認識.

5 STEM課讓學生感受各個學科間的融合

第二堂課上，學生利用生物課上所學的顯微鏡操作辦法，運用觀察貝克線法，分別將“兇案現(xiàn)場的玻璃碎片”與折射率為1.45，1.47和1.49的液體進行比對，最終測定“兇案現(xiàn)場的玻璃碎片”的折射率為1.48，同時測定“嫌疑車輛破碎大燈玻璃”的折射率也為1.48.

于是，一個帶有迷惑性的疑問又拋給了學生：“是否就此可以判定兇案現(xiàn)場的玻璃碎片就來自于嫌疑車輛？”學生們結(jié)合數(shù)學上學過的充分條件和必要條件的知識做出了判斷：如果兇案現(xiàn)場的玻璃碎片來自于嫌疑車輛，那么兩者折射率一定是一樣的，但是折射率相同并不能說明兩份玻璃來自于同一車輛，也可能是同款其他車輛掉落的.

的確，邏輯判斷告訴我們：當兩者折射率相同時，只能作出“不能排除兇案現(xiàn)場的碎片來自于嫌疑車輛”的結(jié)論.因此，像玻璃碎片這類微量物證很多時候只能成為“類型證據(jù)”、還不足以成為“個體證據(jù)”.

STEM課程融合了科學、技術(shù)、工程、數(shù)學等多個科學領域的學科知識，這堂課讓學生很好地體會到各學科間不是割裂的，在實際應用中多領域的融合是更為常見的.

短短兩節(jié)課，學生們運用物理規(guī)律，找到了一種地理領域(礦物研究)常用的方法，結(jié)合生物課所學的操作手法，為物證分析找到了一種技術(shù)手段；并據(jù)此對一起兇殺案件的物證進行分析，做出邏輯判斷.課程形式很新穎，也有趣味性，學生收益頗多，老師的學習受益也不少.

當然，這堂STEM課已經(jīng)具備了素材和大部分教學材料，教師只要進行課程組織.但即使這樣，任課教師已經(jīng)跨越了幾個學科來組織融合.而若要全新開發(fā)一個STEM課題，這將對教師持久的好奇心，更廣的知識儲備，更深入的鉆研……有著更高的要求.不過，這也能讓教師不輕易被課本固化、被習題圈死；能讓學生看到學科的價值，更讓課堂教學發(fā)揮出勃勃生機.