創(chuàng)新《七色光》教學(xué)

董宇

《七色光》是蘇教版五年級(jí)科學(xué)教材“光與色彩”單元中的內(nèi)容，屬于物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)概念，小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容是“太陽(yáng)光包含不同顏色的光”，教學(xué)目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)光是可以分解與合成的，從而引發(fā)學(xué)生對(duì)于光本質(zhì)的思考和初步認(rèn)識(shí)。

一、原實(shí)驗(yàn)的不足

為了達(dá)到上述教學(xué)目標(biāo)，教材中安排了一些實(shí)驗(yàn)，來(lái)進(jìn)行光的分解與合成。光的分解實(shí)驗(yàn)，主要是通過(guò)制造彩虹來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括水鏡、噴霧器、三棱鏡三種方法。采用這些方法都能夠?qū)⑻?yáng)光或者來(lái)自燈泡等其他光源的白光分解為七色光，讓學(xué)生直觀感受到光是可以被分解的。但是另一方面，光的合成實(shí)驗(yàn)受到教學(xué)器材和教室教學(xué)環(huán)境的限制，難以進(jìn)行多色光到白光的直接合成。

因此，教材中提供了間接的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)演示白光合成。第一種方法是先用玻璃紙濾出紅、綠、藍(lán)三原色的光，再將三色光交叉到光屏上的同一點(diǎn)來(lái)合成白光;第二種方法是通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂有三原色或者七色色塊的圓盤，利用人眼的“視覺(jué)暫留”效應(yīng)來(lái)“合成”白光。這些方法能夠完成白光合成的展示，并且引入三原色的概念，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到通過(guò)三原色就能夠合成白光乃至任意顏色。但是由于是間接合成，并不能完全解決學(xué)生的疑問(wèn)，授課過(guò)程中往往有意猶未盡的感覺(jué)。第一種方法只是讓三束光在光屏處完成白光的合成，并沒(méi)有像太陽(yáng)光一樣真正合成一束白光;而第二種方法借助了“視覺(jué)暫留”效應(yīng)，與真正的白光合成有本質(zhì)區(qū)別。另一個(gè)問(wèn)題在于，光的分解和合成本來(lái)就是相反的兩個(gè)顏色控制過(guò)程，但是卻要通過(guò)完全不同的實(shí)驗(yàn)向?qū)W生展示，不能很好地體現(xiàn)它們之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。

其實(shí)，早在17世紀(jì)，牛頓就已經(jīng)利用三棱鏡實(shí)現(xiàn)了白光的分解和合成，教材中也詳細(xì)介紹了他的實(shí)驗(yàn)方法，遺憾的是，小學(xué)課堂環(huán)境難以支持這個(gè)實(shí)驗(yàn)。牛頓實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)在于，對(duì)光的指向性提出了很高的要求。他成功的關(guān)鍵在于，利用太陽(yáng)作為光源，并且利用小孔進(jìn)行方向的選擇，在暗室中降低了背景光對(duì)于觀測(cè)的影響，從而能夠同時(shí)清楚地看到白光的分解與合成。這是由于太陽(yáng)光是最強(qiáng)的白光光源，即便在方向選擇后，仍然有足夠的亮度。但是，上述實(shí)驗(yàn)條件顯然難以在小學(xué)課堂上得到滿足，而且，手電筒等常規(guī)光源也不具備像太陽(yáng)光那樣較強(qiáng)的方向性。

和常規(guī)光源相比，激光具有更強(qiáng)的方向性。因此，筆者創(chuàng)新了實(shí)驗(yàn)教具，采用三原色激光來(lái)直接合成白色激光。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，本課教學(xué)獲得了良好的教學(xué)效果，讓學(xué)生無(wú)須暗室等特殊條件，就可以體驗(yàn)與牛頓實(shí)驗(yàn)相同的直觀感受，并與教材中玻璃紙濾光和旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)中引入的三原色概念形成呼應(yīng)，構(gòu)成教學(xué)體系。

二、創(chuàng)新教具

（一）整體設(shè)計(jì)原理

本實(shí)驗(yàn)的核心器材是一個(gè)自制可開(kāi)合的白光激光光源暗箱，暗箱中包含了紅、綠、藍(lán)三原色激光器，可以發(fā)出紅、綠、藍(lán)三束激光，經(jīng)過(guò)三棱鏡后合成一束白色激光，從暗箱中輸出。該暗箱采用一體化設(shè)計(jì)，三色激光的方向可以精密調(diào)節(jié)并且保持穩(wěn)定，確保合成白光中的各種色光在不同位置都能準(zhǔn)確重合;紅、綠、藍(lán)三色激光的亮度可以通過(guò)內(nèi)置的控制器獨(dú)立調(diào)節(jié)，確保配比準(zhǔn)確且能夠?qū)崿F(xiàn)任意色光的合成。

暗箱外的實(shí)驗(yàn)光路由一個(gè)三棱鏡構(gòu)成，當(dāng)白色激光透過(guò)它后，可以分解成紅、綠、藍(lán)三色激光。在光路中可以插入光屏1，對(duì)于白光光斑進(jìn)行觀察，光屏2用于觀察色散后的紅、綠、藍(lán)三束光斑。在白光光路中也可以插入不同顏色的濾光片，在光屏1和光屏2處分別觀察濾光片對(duì)于白光顏色的影響。

（二）創(chuàng)新點(diǎn)

用白色激光代替普通白光光源。白色激光光源由紅、綠、藍(lán)色三個(gè)激光二極管合成，與普通白光光源相比，它的方向性更好，可以避免普通白光光源色散后發(fā)散太快難以被重新合成的問(wèn)題。筆者選用的激光二極管其實(shí)是激光筆零配件，成本低，適合作為小學(xué)科學(xué)課的教具。同時(shí)，采用白光激光光源暗箱也可以避免利用太陽(yáng)光做實(shí)驗(yàn)時(shí)受到光照時(shí)間限制的問(wèn)題。

在同一套便攜式、免調(diào)試的裝置中完成光的色散、濾光與光的合成三個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以結(jié)構(gòu)性地向?qū)W生展示教材中牛頓的白光實(shí)驗(yàn)，尤其解決了光的合成難題。同時(shí)，本裝置不需要在黑暗環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠高效實(shí)現(xiàn)本節(jié)課中所有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。

在旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)驗(yàn)已經(jīng)采用三原色的基礎(chǔ)上，本實(shí)驗(yàn)僅用紅、綠、藍(lán)三色激光二極管就能合成白色激光，并完成光的色散和合成實(shí)驗(yàn)，更深入地向?qū)W生展示了其實(shí)采用三原色就可以合成任意的顏色。一方面與教材已經(jīng)引入的三原色概念形成呼應(yīng)，另一方面，可以在教學(xué)過(guò)程中可適當(dāng)提及三原色在生活中的廣泛應(yīng)用。其實(shí)目前幾乎所有的人造顯示裝置都是采用三原色合成的，如電視、電腦顯示器、手機(jī)、投影儀等等。

使用干冰升華現(xiàn)象來(lái)呈現(xiàn)光路，現(xiàn)象清晰明顯，取代了常用的“點(diǎn)香”“燒紙”等制造煙霧的方式，安全，無(wú)刺激性，適合在封閉教室環(huán)境中采用。

實(shí)驗(yàn)箱是由航空層板搭建的手提式教具，強(qiáng)度好、質(zhì)量輕，滿足合光光路1米光程的要求，殼體僅為2千克。制作工藝采用激光雕刻技術(shù)，效率高、成本低。

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，筆者設(shè)計(jì)了三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下。

（一）光的色散實(shí)驗(yàn)

暗箱中射出一束光，在光屏上出現(xiàn)一個(gè)透亮的白色光斑。在光路中加入三棱鏡，光屏上出現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)三色光斑。通過(guò)觀察此現(xiàn)象，學(xué)生知道原來(lái)白光不是單色光，它是由單色光組成的，可以分解。

（二）濾光實(shí)驗(yàn)

在白光光路中放入一片紅色濾光片，光屏1上會(huì)出現(xiàn)紅色光斑，這是怎么回事呢？移走光屏1，讓光線透過(guò)三棱鏡，在光屏2上只出現(xiàn)了紅色光斑，原有的綠色和藍(lán)色光斑被過(guò)濾掉了。通過(guò)觀察此現(xiàn)象，引導(dǎo)學(xué)生思考，原來(lái)光可以被過(guò)濾，而且用這種方式可以獲取某種單色光。

（三）光的混合實(shí)驗(yàn)

白光是哪里來(lái)的呢？打開(kāi)暗箱，原來(lái)白光是由紅、綠、藍(lán)三束激光透過(guò)三棱鏡后合成的。通過(guò)觀察此現(xiàn)象，學(xué)生知道原來(lái)白光不但可以分解，而且可以由幾種不同顏色的光合成。教師向?qū)W生滲透光的三原色概念，讓學(xué)生知道等比例的紅、綠、藍(lán)色光混合，可以合成白光。在實(shí)驗(yàn)中，遮擋其中任意一種色光，能夠觀察到不同色光的合成顏色是不同的。比如，遮擋住藍(lán)色光，紅色光和綠色光會(huì)合成黃色光。調(diào)節(jié)三色激光的亮度，還能夠合成任意顏色的光。比如，通過(guò)調(diào)節(jié)光的亮度，還能夠合成粉色、橙色等顏色的光。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00

四、教學(xué)過(guò)程

使用本教具的教學(xué)可以作為《七色光》的第二課時(shí)。在第一課時(shí)中，學(xué)生對(duì)教材中光的色散與光的合成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了學(xué)習(xí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到白光成分復(fù)雜，而色彩鮮艷的光是簡(jiǎn)單的。在這樣的認(rèn)知背景之下，帶領(lǐng)學(xué)生利用創(chuàng)新的教具還原牛頓實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)。

（一）故事導(dǎo)入，聚焦問(wèn)題

最先發(fā)現(xiàn)白光秘密的人是牛頓，他的實(shí)驗(yàn)是怎么做的呢？引導(dǎo)學(xué)生明確牛頓實(shí)驗(yàn)需要在帶小孔的暗室中開(kāi)展，教室中無(wú)法滿足。此時(shí)，教師取出帶小孔的暗箱，即“光的色散與光的混合”實(shí)驗(yàn)演示裝置，并且從暗箱內(nèi)射出一束白光，提問(wèn)：它可以分解嗎？聚焦今天所要驗(yàn)證的問(wèn)題，開(kāi)始還原實(shí)驗(yàn)。

（二）借助教具，開(kāi)展探究

光的色散實(shí)驗(yàn)。學(xué)生知道白光能分解，撤掉光屏1，看到光屏2上紅、綠、藍(lán)三個(gè)光斑后，自然想到白光通過(guò)三棱鏡后發(fā)散出了紅、綠、藍(lán)三色光，教師利用干冰來(lái)幫學(xué)生看清光路效果，學(xué)生在驚奇中感受到了光的分解。

濾光實(shí)驗(yàn)。用紅色濾光片擋在白光光路中，在光屏1上只有紅色的光斑，讓學(xué)生猜測(cè)原因。學(xué)生猜測(cè)后，通過(guò)光的分解實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證——借助三棱鏡，在光屏2上只有清晰的紅色光斑，讓學(xué)生進(jìn)一步解釋原因。再用綠色濾光片重復(fù)上述過(guò)程，再次驗(yàn)證，得出結(jié)論——單色濾光片只能讓同種顏色的光透過(guò)，其他色光都會(huì)被過(guò)濾掉。

光的混合實(shí)驗(yàn)?；氐桨迪渲邪l(fā)出的這束白光，為什么只分解到了三種色光呢？原來(lái)這束白光和牛頓使用的太陽(yáng)光不太一樣，這是教師特制的白光。讓學(xué)生猜想，這束白光是怎么制作出來(lái)的，并且打開(kāi)暗箱進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象證明，紅、綠、藍(lán)三種色光混合后可以合成白光。不同的色光混合后，呈現(xiàn)的顏色不同，通過(guò)擋住任意一種色光，其余兩束光合成的顏色都不同。同樣證明，光是可以合成的。不過(guò)，為什么紅、綠、藍(lán)三色光能合成白光呢？教師揭秘——紅、綠、藍(lán)是光的三原色，它們按照一定的比例混合，可以呈現(xiàn)所有顏色。生活中的投影儀、電視機(jī)等顯示器都是利用光的三原色來(lái)呈現(xiàn)顏色的。教師可以向?qū)W生展示，通過(guò)調(diào)節(jié)三色激光的亮度，能夠合成任意顏色的光。

五、反思與評(píng)價(jià)

（一）創(chuàng)新教具“三合一”，整合設(shè)計(jì)思路明確

光的色散實(shí)驗(yàn)、濾光實(shí)驗(yàn)與光的混合實(shí)驗(yàn)都可以在本教具中實(shí)現(xiàn)，在同一套設(shè)備中同時(shí)完成色散與混合這兩個(gè)互逆的過(guò)程，高效地實(shí)現(xiàn)本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。同時(shí)，有層次的邏輯設(shè)計(jì)使得學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，逐步發(fā)現(xiàn)光的奧秘，加深了對(duì)牛頓實(shí)驗(yàn)的理解，提升了思維能力。

（二）光源獨(dú)特，無(wú)須暗室環(huán)境，擺脫天氣影響

利用具備方向性好、亮度高特性的激光進(jìn)行光的色散與混合，同樣可以獲得像牛頓實(shí)驗(yàn)?zāi)前愕闹庇^效果，在小學(xué)課堂中的呈現(xiàn)不會(huì)受制于環(huán)境和天氣，讓本課中的理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了有效關(guān)聯(lián)。

（三）突出三原色概念，補(bǔ)充七色光的教學(xué)

本課利用紅、綠、藍(lán)三色光完成光的色散與混合實(shí)驗(yàn)，作為第二課時(shí)，它與教材中的三原色概念形成呼應(yīng)，有效地補(bǔ)充了《七色光》的教學(xué)。同時(shí)，讓學(xué)生開(kāi)始關(guān)注，生活中的顯示器，如投影儀等，也是利用了光的三原色。

（四）低功率激光出光方向固定，教學(xué)過(guò)程安全

教具中選用的激光二極管只有一毫瓦，比課堂上常用的激光筆功率更低，而且，它們的出光方向是固定的，激光沿著固定的方向行進(jìn)，不會(huì)直射人眼，保證了教學(xué)過(guò)程的安全性。62A54B3B-1A37-4B1E-8B77-8E17A9659B00