光的偏振性教学设计

李 慧 曲亮生 王玉良 吴世永

(海军航空工程学院基础部,山东 烟台 264001)



光的偏振性教学设计

李 慧 曲亮生 王玉良 吴世永

(海军航空工程学院基础部,山东 烟台 264001)

文章针对“光的偏振性”这次课进行了教学设计，包括教学任务分析、教学目标、教学内容与时间分配、教学策略选择与设计、教学评价、教学反思6个方面。主要采取教员课堂讲授、学员分组讨论的形式。教员按照“提出偏振光的概念、偏振光的产生、偏振光的检验、偏振光的应用”这条主线进行讲解，在讲解的过程中，注重教学内容与现代教学手段的有机结合；通过学员的分组讨论，发挥每一位学员的主观能动性，营造出良好的课堂氛围。希望各位老师借鉴、探讨。

教学目标；教学评价；教学反思；方法与手段

本次课按照“以教员为主导、学员为主体”的教学原则，主要采取教员课堂讲授、学员分组讨论的形式。教员按照“提出偏振光的概念、偏振光的产生、偏振光的检验、偏振光的应用”这条主线进行讲解，使教学过程符合学员的认知规律。在讲解的过程中，注重教学内容与现代教学手段的有机结合；不断利用问题启动学员思维，通过学员的分组讨论，发挥每一位学员的主观能动性。通过讲解偏振光在日常生活中以及军事上的实际应用，使学员了解物理知识的重要性，培养学员的探索精神、创新意识。

1 教学任务分析

1.1 教学内容特点

光的偏振性属于大学物理的波动光学部分。通过之前大学物理的学习，学员已经掌握了机械波等相关知识，并了解“光是一种电磁波”。光的干涉与衍射现象说明光具有波动性，但不能由此判断光是纵波还是横波，因为不论纵波还是横波都能产生干涉与衍射。只有观察到偏振现象才能确定光是横波，光的偏振性是波动光学部分的重点内容之一。

本次课的内容具有两大特点，一是教学内容方便课堂演示，只要携带两块偏振片，就能清楚地演示出实验现象，操作简单，现象明显，有利于学员的理解掌握；二是实用性强，偏振光在日常生活、工程技术上有着广泛的应用，是航海、航空等领域的必要物理知识。

参考教材：《物理学》第6版(马文蔚主编，高等教育出版社)，11-10、11-11。

计划学时： 2。

1.2 学员特征

本次课的教学对象为本科二年级第一学期的飞行学员。飞行学员的招生对象是符合飞行员条件的地方应届高中毕业生(文、理皆可)。由于对飞行学员身体素质的要求比较高，他们的录取分数线与其他合训学员相比，要相对低一些。相比于其他合训学员，飞行学员有其独特的方面。为了与其他合训学员作比较，更好地总结出飞行学员的特点，笔者对14级194名合训学员和14级58名飞行学员进行了关于学习动力、学习状态等方面的调查问卷(调查问卷结果见附表)。通过对飞行学员的生源、高考成绩、调查问卷结果的分析，可以总结出我院的飞行学员主要有以下几个特点：

(1) 飞行学员的学习动力较弱，主要体现在学习的努力程度和自觉性还不够强。

在学习努力程度的调查中，只有12.1%的飞行学员认为自己学习很努力，22.4%的学员认为自己不够努力，这个数值远远大于其他合训学员7.2%的比例。我认为，学习动力不足的一个很重要原因是飞行学员对所学课程的兴趣不大，只有12.1%的飞行学员对目前所学的课程很感兴趣，81%的学员感到一般。而对于不感兴越的课程，只有34.5%的飞行学员会选择继续努力，17.2%的学员则完全没有劲头，65.5%的飞行学员有在课堂上涂鸦或看与上课无关的书籍的情形。

(2) 飞行学员的自我意识普遍较强。

在“对学习态度影响最大的因素”的选择中，飞行学员选择“自主决断”的占到43.1%，这个比例远远大于其他合训学员。39.7%的飞行学员“阶段学习目标”是“自定目标”，在对“最好的教学形式”的选择上，只有25.9%的飞行学员选择“教员讲授”、50%的学员选择“互相讨论”、24.1%的学员选择“自学”。

(3) 相比于学习成绩，飞行学员更看重的是专业能力的培养、体能的训练。

48.2%的飞行学员的阶段学习目标是“全面发展”，而想在学习上获得好成绩的只占12.1%，远远小于其他合训学员50.2%的比例。飞行学员的就业前景相比于其他合训学员更加明确，他们最关注的是与以后飞行工作联系紧密的实操训练，而对于基础理论课的学习大都采取“随大流”的态度。从这份调查结果中也可以看出，对于每个问题的回答，一般选择的中间项的飞行学员最多，选择两头的相对较少。比如问题“你的作业，通常”，飞行学员选择“当天完成”的有17.2%，“2～3天内完成”的有47.2%，选择“拖着等催再完成”的有8.6%；其他合训学员选择的比例依次是49.5%、40.2%、19.3%。这就说明，大部分飞行学员对学习采取中庸之道，只要能顺利毕业即可。调查结果也显示，43.1%的飞行学员在学习中经常考虑前途，70.7%的飞行学员毕业时只想获得学位证，只有10.3%的飞行学员想继续深造。

2 教学目标

2.1 知识掌握方面

(1) 能够理解自然光、偏振光、部分偏振光的概念；能阐述“偏振”的意义；会用符号表示自然光、偏振光、部分偏振光。

(2) 了解偏振光的两种产生方法：一是由反射和折射获得偏振光；二是由晶体的二向色性产生偏振光。掌握布儒斯特定律，会用其分析玻璃片堆获得偏振光的方法和外腔式气体激光器的原理。

(3) 了解二向色性的概念，能阐述利用偏振片获得偏振光的原理；能够利用旋转的偏振片区分自然光、偏振光、部分偏振光；掌握马吕斯定律，了解立体电影的原理。

2.2 能力培养方面

(1) 会利用布儒斯特定律、马吕斯定律解决具体题目，加深学员对基本概念、基本定律的理解。

(2) 会利用本节所学知识分析飞机、轮船上偏振窗的原理、照相过程中如何拍出理想的照片以及偏振光在定向导航技术中的运用，使学员了解偏振光知识在现代科技以及军事上的应用，能综合运用所学知识和技能解决一些实际问题。

(3) 通过开放式题目“光污染”，培养学员从实际出发提出问题、分析问题和解决问题的能力。

2.3 情感态度方面

通过将本节课的基本理论知识应用于实际应用的过程，培养学员的探索精神、创新意识。

2.4 教学重点和难点

(1) 教学重点：布儒斯特定律、马吕斯定律及其应用。

(2) 教学难点：偏振光的检验方法。

3 教学内容与时间分配

主要内容时间分配问题引入3分钟3个基本概念:自然光、偏振光、部分偏振光10分钟“偏振”的概念7分钟由反射和折射获得偏振光———布儒斯特定律及其应用15分钟偏振光的检验———仿真实验(教员引导、学员分组讨论)10分钟课间休息马吕斯定律及其应用10分钟问题:如何用一块偏振片发现偏振光(学员分组讨论)注10分钟偏振光的应用:立体电影、摄影技术、定向导航12分钟偏振窗的设计与改进(教员引导、学员分组讨论)10分钟归纳总结,布置作业3分钟

注： 历史上费曼在海边利用海水反射的光，根据布儒斯特定律用一块偏振片发现偏振光。我们的学院也坐落在海边，从教室的窗户就可以看到大海。

4 教学策略选择与设计

本着课堂上以教员为主导、学员为主体的教学原则，本次课主要采取教员课堂讲授、学员分组讨论的形式。

4.1 方法与手段

针对本次课的教学目标和学员情况，为了更加符合学员的认知规律，笔者调整了教材上知识点的讲解顺序，按照“提出偏振光的概念、偏振光的产生、偏振光的检验、偏振光的应用”这条主线进行讲解。在讲解的过程中，不断利用问题启动学员思维，通过学员的分组讨论，发挥每一位学员的主观能动性。首先，以学员感兴趣的身边事物展开话题，设置悬念，激发学员的学习兴趣，通过动画演示、仿真实验，突出重点，化解难点。注重物理知识在日常生活中以及军事上的实际应用，使学员了解物理学习的重要性。最后通过开放式的作业，使学员带着问题离开课堂，通过将本节课的基本理论知识应用于实际应用的过程，培养学员的探索精神、创新意识。

4.2 教学流程

(1) 引入新课

提出问题，“3D电影为什么会有立体感？我们看3D电影时为什么要戴上一副眼镜？”激发学员的兴趣，引入本节课的具体内容。

(2) 讲解3个基本概念：自然光、偏振光、部分偏振光

从自然光入手开始讲解，对自然光的理解是掌握偏振光、部分偏振光的基础，为了让学员更好地理解自然光的概念，笔者采取了动画演示的形式。本部分讲解的重点是对于“偏振”的理解，所谓“偏振”，就是光波的振动方向对传播方向的不对称性。为了更好的解释，笔者讲述了物理学史上一个真实的小故事，说明光波是横波，光矢量的振动方向对光的传播方向来说是不对称性的。(早在19世纪初，1808年，马吕斯偶然发现，把双解石晶体绕着从玻璃上反射的光线旋转时，透过晶体的光强会周期性地增强和减弱。这就说明光波是横波，它对光线方向表现了不对称性。假如光波是纵波，那么无论晶体怎么绕光线转动，透过的光强是不会发生变化的。光的偏振现象证实了光的横波性。)

(3) 由反射和折射获得偏振光的方法

本部分重点内容是解释布儒斯特定律，笔者没有按照传统的方法由公式推导出来，而是由历史上真实的实验得出布儒斯特定律，让学员把重点放在布儒斯特定律的应用上。通过一道例题，让学员明白当光以起偏角由空气进入玻璃时，它在玻璃中的折射角就是由玻璃进入空气的起偏角，由此也证实了光路的可逆性。

例1 玻璃的折射率为1.5，空气的折射率近似为1，当自然光从空气射向玻璃而反射时，起偏角为多少？而当光由玻璃进入空气时，起偏角又是多少？

根据例1的结论，讲解由玻璃片堆获得偏振光的方法(动画演示)。又通过讲解外腔式气体激光器的原理，加深学员对布儒斯特定律的理解。

(4) 偏振光的检验

首先，为了拓展学员的知识面，教员先讲解了二向色性的概念，并介绍几种具有二向色性的物质，而偏振片就是利用二向色性的原理制成的。自然光通过偏振片后，成为偏振光。如何区分自然光、偏振光、部分偏振光是本部分的重点，也是这节课的教学难点。教员采用了仿真实验的方法解决了这个问题，通过仿真实验的方式引发学员的兴趣，变静为动，揭示本质，使抽象的问题化难为简。通过分组讨论，学员们自己总结出实验规律：自然光透过旋转的偏振片后，透过的光强不会发生变化；偏振光透过旋转的偏振片后，透过的光强发生周期性变化，并出现消光现象；部分偏振光透过旋转的偏振片后，透过的光强发生周期性变化，不会出现消光现象。

偏振光通过偏振片后，偏振化方向发生了改变，那光强变成多大呢？从而引出马吕斯定律，并用例2加深对马吕斯定律的理解。为了培养学员运用所学知识解决实际问题的能力，我让学员分组讨论，“如何用一块偏振片来发现偏振光”。

例2 两偏振片P1和P2正交放置．现有一束强度为I0的自然光垂直入射．试求：①从偏振片P2透射的光强I是多少？②在P1、P2两偏振片之间放置另一偏振片P3，它与P1、P2的夹角分别为30°和60°，此时从偏振片P2透射的光强I是多少？

(5) 偏振光的应用

首先为了呼应开头，教员先讲解立体电影的原理。为了巩固本节课所学习的知识，培养学员将基本理论知识应用于实际过程的能力，又介绍了偏振光在日常生活中的具体应用：摄影技术；并用播放视频的方式介绍了偏振光在军事上的应用，定向导航。为了贴合飞行学员的特点，引发他们学习物理的兴趣，介绍了飞机、轮船上常用的“偏振窗”，并让学员分组讨论，解释偏振窗的原理，提出改进措施。

(6) 归纳总结，布置作业

教员用3个字总结了本节课所学习的知识，即“三、二、一”。所谓“三”，是指3个基本概念，自然光、偏振光、部分偏振光；所谓“二”，是指两个基本规律，布儒斯特定律和马吕斯定律；这些总结成一句话，即光波是横波，它具有偏振性。所总结的学习重点全部体现在板书上，在讲解过程中，要保证幻灯片和板书的完美配合。

板书设计

课后作业：光污染的治理。通过将本节课的基本理论知识应用于日常实际的过程，培养学员的探索精神、创新意识。

随着城市的快速发展，玻璃的应用越来越广泛，光线已经成为一种新的环境污染源，被称为“光污染”。比如，有些建筑物用玻璃做外墙，在阳光的照射下，会发出刺眼的光，这就是光污染；夜晚汽车的大灯照得人睁不开眼睛，也是光污染。请同学们用今天学习的知识来治理一下光污染。

5 教学评价

目前，大学物理考核的主要形式还是学期末的闭卷考试。在期末考试时，考查的知识范围比较窄，大部分题目为书上例题或课后题的翻版，许多考生往往考前临时“抱佛脚”，希望通过背题侥幸过关，这样，考试成绩可能无法真实地反映出学员掌握知识的情况，也导致了平常上物理课时，学员不重视，出现发呆、打盹的现象。在本次课的讲解过程中，教员采取综合性的评价方法，科学评价学员学习效果。学期末大学物理的考核成绩不仅包括最后的闭卷考试成绩，还要有相当一部分比例的平时成绩。平时成绩包括课堂表现和课后作业两部分。

课堂上，对于积极发言、回答正确的学员，提出表扬，平时成绩加分；对于发呆、开小差的学员，平时成绩减分。课后，根据学员作业的完成情况分为A、B、C、D 4个等级，计入平时成绩。本次课堂上，学员听讲认真、互动良好，小组讨论时，积极发言、气氛活跃，充分发挥了每一名学员的主观能动性，绝大多数学员能够完成本次课的教学目标。

6 教学反思

物理学科本身是一门逻辑性非常强的课程，重视知识的内在规律性、系统性和严谨性，有着大量繁琐枯燥的理论分析和公式推导，许多学员认为“物理难学”；加之飞行学员自身的特点，不少学员认为物理课程所教授的知识与后续专业课的学习以及以后的飞行工作联系不大，因此对物理课程的学习不太重视，学习物理的目的只是为了通过考试。在目前大学物理的课堂上，经常会出现学员发呆、打盹的现象，这就要求我们教员要采取灵活多样的教学方法手段，引发学员学习物理的欲望。通过这次光的偏振性课程的讲解，笔者总结出以下几条经验作法，不当之处，恳请专家不吝指出。

1) 教学过程要符合学员的认知规律

我们本次课的参考教材是《物理学》第6版(马文蔚主编，高等教育出版社)。在教材上，教学内容是这样安排的：(1)自然光、偏振光，(2)偏振片、起偏与检偏，(3)马吕斯定律，(4)反射光和折射光的偏振，得到布儒斯特定律。如果课堂上按照这样的顺序讲解，会显得知识点间缺乏逻辑性，不利于学员理解掌握。在讲课过程中，笔者调整了教材上知识点的排列顺序，按照“提出偏振光的概念、偏振光的产生、偏振光的检验、偏振光的应用”这条主线进行讲解。这样讲解，把原来看似零散的知识点用一条线串了起来，使课程内容的安排具有逻辑性，更加符合学员的认知规律。

2) 利用问题启动学员思维

教员要吃透教材，吃透学员，重视对学员问题意识的培养。结合教学过程精心设置出问题情境，使学员意识到问题的存在。当学员感到自己需要问个“为什么”“是什么”“怎么办”的时候，他们的思维被启动，意识也就越强烈，思维就越活跃、越深刻。本节课的教学过程就是一个不断设问的过程。

问题情境引出内容3D电影为什么会有立体感?看3D电影时为什么要戴上一副眼镜?本节课的内容———光的偏振性普通光源所发出的光一般都是自然光,如何获得偏振光呢?偏振光的产生仅靠眼睛是不能区分一束入射的光是偏振光还是自然光,偏振光和自然光如何区分呢?偏振光的检验

3) 注重与现代教学手段的有机结合

本节课在讲解过程中，穿插物理学发展史上真实发生的小故事，应用动画、视频、仿真实验等多种表现形式，将一些枯燥、抽象、难以理解的概念、复杂的变化过程、形态各异的运动形式等直观地显示在学员面前。例如，在讲解“自然光”的概念时，教员采用了Flash动画的形式，将抽象的概念形象地显现在学员面前，帮助学员理解记忆；在讲解“偏振光的检验”时，采用了仿真实验的方式，很容易引起学员的兴趣和注意，增强学员的理解能力。

4) 避免“满堂灌”的教学方式

现代科学表明，一个成年人注意力高度集中的时间约为15分钟左右。如果一堂物理课只是教员在不断地讲解，很容易出现学员发呆、走神的现象，这就要求我们要采取多种教学形式，笔者在讲解本节课时就采用了教员课堂讲授过程中穿插学员分组讨论的形式。例如，在讲解“偏振光的应用”时，介绍了飞机、轮船上常用的“偏振窗”，并让学员分组讨论，解释偏振窗的原理，提出改进措施。这样做不仅可以避免学员发呆、走神的现象，还可以促使学员们主动思索，认真探究，让每一个学员都参与到课堂教学中，营造出良好的课堂氛围，真正体现出课堂上以教员为主导、学员为主体的教学原则。

5) 注重物理知识的实际应用

笔者在平时讲课的过程中发现这样一个现象，在讲解最基本的物理原理，尤其是繁琐的定律推导时，学员们最容易犯困走神；当讲解具体的题目时，学员们的情况要好些；当讲解物理知识的实际应用尤其是军事应用时，是学员们最感兴趣的时候。所以在讲解本次课时，特别注重物理知识的实际应用。讲解应用，不仅是为了激发学员的学习兴趣，更是为了理解巩固已学的物理原理。例如讲解布儒斯特定律时，介绍了外腔式气体激光器的原理；最后又集中讲解了偏振光知识在日常生活中及军事上的实际应用。通过讲解物理原理的实际应用过程，使学员了解物理知识的重要性，培养学员从实际出发提出问题、分析问题、解决问题的能力。

附表： 调查问卷结果(共发出问卷252份，收回252份)

续表

[1] 东南大学等七所工科院校.物理学[M].6版.北京:高等教育出版社,2016.

[2] 程守洙,江之水.普通物理学[M].北京:高等教育出版社,1997.

[3] 韩仙华,蒋敏,王晓,等.大学物理教学设计[M].北京:国防工业出版社,2006．

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INSTRUCTIONAL DESIGN OF POLARIZED LIGHT

Li Hui Qu Liangsheng Wang Yuliang Wu Shiyong

(Department of Basic Sciences, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai Shandong 264001)

This article introduces the instructional design of polarized light in six aspects, including teaching task analysis, teaching objectives, teaching content and time allocation, teaching strategy selection and design, teaching evaluation, and teaching reflection. Our design mainly took the form of classroom teaching and students’ group discussion. The teacher explained in accordance with the main line of “the concept of polarized light, the production of polarized light, the examination of polarized light and the application of polarized light”, focusing on the organic combination of teaching content and modern teaching means. Through the group discussion, each student’s subjective initiative was played and good classroom atmosphere was obtained. Hope our work can provide a reference for teachers’ learning and exploring.

teaching objectives; teaching evaluation; teaching reflection; method and means

2016-10-18

李慧，女，讲师，主要从事物理教学科研工作，研究方向为凝聚态物理，346521161@qq.com。

李慧，曲亮生，王玉良，等. 光的偏振性教学设计[J]. 物理与工程，2017，27(3)：56-62.