“全反射”中折射出“3D物理教学”

李松

【摘要】 “发现（discover）、领悟（digest）、发展（develop）”3D教学模式首次由常州市北郊高级中学提出，并逐步建立出理论基础、实施原则、实施办法。本文将在“全反射”这样的课例中进行详细的阐述。

【关键词】 3D物理教学 全反射

【中图分类号】 G633.7 【文献标识码】 A 【文章编号】 1992-7711（2014）11-001-01

一、“3D物理教学”的理论基础

3D物理教学源于20世纪60年代初期一些教育家提出的具有改革性的理论，例如美国心理学家布鲁纳提出的“发现教学”、美国心理学家苛勒的“领悟说”和前苏联教育学家赞科夫的“发展性教学理论”，其结构可以视学生和教学内容而灵活处理，如发现问题可以在先，领悟规律在后；技能发展先行，归纳思维发展随后。学生各个方面能力的提高一般是按照发现、领悟、发展这样的顺序进行的。学生先要在教学活动中发现问题，并且每位学生发现的并不一定是同一个问题；其次，学生在发现问题后尝试解决问题，这使得学生从中领悟了一些原理，最后，这样的过程实现了学生某个方面的能力发展的结果。

二、“3D物理教学”案例——全反射

为了更好的阐述如何在课堂实施过程中实现可视化，现举例一节公开课。教学对象为常州市北郊高级中学高二（6）班，人数51人。

1. 教材分析

“全反射”是人教版高中物理选修3-4第13章第2节内容，是几何光学在高中物理的重要知识点。本节内容建立在反射和折射两种简单的几何光学现象的学习基础之上，让学生亲身体验科学家如何发现问题、设计实验、探究科学真理的科学方法和过程。本节课更适合应用3D教学模式进行设计。

2. 教学过程

（1）发现新现象——魔术：“消失”的硬币。杯底置一枚硬币，在烧杯侧面观察杯底，将烧杯内部注水，观察实验现象。问题：思考空烧杯时能看到硬币说明有什么光线从杯壁射出后入射到人眼？学生：入射到人眼的是从烧杯壁射出的折射光线。所以折射光线的有无是能否看到硬币的关键。要想解释上面的实验现象就需要学习新的知识，很自然的引入新课的学习。

（2）领悟新知识——基本概念和规律的学习。对于全反射现象中的一些基本概念，采用自主阅读和实验探究相结合的方式使学生对光疏介质和光密介质，全反射现象以及临界角的概念有深入的领悟。①光疏介质和光密介质的定义。学生阅读教材，得到光疏介质和光密介质的定义。②实验探究：当光由光密介质射入光疏介质时，会有什么不同的现象呢？

请观察实验现象完成下面的空格。

光线数目变化：光线从水入射到空气中，随着入射角逐渐变大，折射角也变大，当折射角增大到 90° 时， 折射光线 突然消失，只剩下 反射光线 。

③全反射的定义和临界角问题：试用折射定律推导临界角的大小。（学生自主推导，教师总结）④ 发生全反射的条件光从光密介质进入光疏介质并且入射角等于或大于临界角。

（3）发展新能力——魔术揭秘、自然现象解释以及全反射现象的应用。课堂教学的根本目的是使学生获得知识、技能和思维能力等各个维度的发展。有鉴于此，教师在课堂上设计了魔术解密、自然现象的解释以及全反射棱镜和光导纤维的应用等几个教学环节。①魔术解密——“消失”的硬币。问题1：尝试解释烧杯中倒入水后硬币“消失”的原因；学生思考回答：光线从烧杯侧壁入射空气时发生全反射，导致没有折射光线出射。问题2：全反射发生在烧杯内壁还是外壁 ？学生思考回答：因为水和玻璃折射率接近，所以内壁不会发生全反射，故应该是从玻璃外壁入射空气时发生全反射。②海市蜃楼的成因。视频演示：海市蜃楼新闻。请同学们结合本节课所学解释海市蜃楼的成因（提示：海面附近下层空气温度低，密度大，折射率大；上层空气温度高，密度小，折射率小）。③全反射的应用：全反射棱镜。问题：给出折射率为1.5等腰直角三角形棱镜，完成光路图，讲解全反射棱镜。活动：用全反射棱镜设计一个潜望镜。④全反射的应用：光导纤维。问题：解释实验现象——弯曲的玻璃棒导光。活动：阅读教材，归纳光纤通信的优点。

（4）灵魂的激荡——情感、态度与价值观教育。光纤通信是信息社会重要的通信手段，因发明光纤通讯技术，华人物理学家高锟于2009获得了诺贝尔物理学奖。他的获奖演说中有一句话：“目前，没有其它物质可以代替光纤。我认为，如果有，起码要一千年以后。但是，请不要相信我的话，因为我自己就从来都不相信什么专家的话。”在课堂结尾引用这句警言，希望学生能在发现新问题、领悟新知识、发展新能力之外，能够体会到科学家这种“大胆质疑、小心求证”的科学精神的震撼，以期能让学生在情感、态度、价值观方面也获得一定的发展。

3. 教学反思

本节课的教学设计体现了3D课堂的完整课型。课堂引入采用的一个光学魔术，让学生发现一个之前没有见过的现象，极大引起了学生兴趣。对知识领悟过程和能力发展过程，做了一个有机整合。主线是全反射魔术发现现象--全反射知识领悟--魔术解密和全反射应用能力发展。

但是发现、领悟和发展并不是割裂的，学生的学习活动中，领悟中伴随着发展，发展中又有新的发现，比如将课本的演示探究实验改成了学生自主探究实验，在学生协作能力、实验操作能力、观察能力发展的同时，领悟了一个新的光学知识。再比如全反射应用当中的全反射棱镜，不是直接告知学生，而是让学生完成一个光路图，通过光路分析看出全反射棱镜的功能和优点甚至使用方法都得以体现，使得这个知识的领悟和发展结合在一起，更加深入地体现了3D教学的内涵。